無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)研究

閔 全，張格鵬，考持盛

（中國(guó)人民解放軍31619部隊(duì)，江蘇 南京 210008）

無(wú)線自組通信網(wǎng)綜合了多項(xiàng)技術(shù)，包括分布式信息處理技術(shù)、傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和嵌入式計(jì)算技術(shù)，通過相互協(xié)作完成對(duì)各種目標(biāo)信息的實(shí)時(shí)感知、檢測(cè)和采集，分析處理所得的數(shù)據(jù)。無(wú)線自組通信網(wǎng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)地位都一樣，均承擔(dān)路由和主機(jī)的功能，且具有收發(fā)報(bào)文的功能。由于無(wú)線傳輸范圍的限制，若2個(gè)節(jié)點(diǎn)間無(wú)法進(jìn)行直接通信，則需要借助中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

1 無(wú)線組網(wǎng)模型

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)三種。

（1）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。適用于連接物體數(shù)量較少的設(shè)備，滿足相互之間數(shù)據(jù)信息傳遞的需求，這是一種具有特殊性的網(wǎng)絡(luò)，但網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成很簡(jiǎn)單，即數(shù)據(jù)中心和終端[1]。

（2）星狀網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)易化控制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信交換，因此通信控制代碼編寫非常簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理。

（3）網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行直接或間接的通信，傳輸路徑選擇多樣化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形狀靈活多變，節(jié)點(diǎn)間可輕松實(shí)現(xiàn)資源共享，具有傳輸延時(shí)低的優(yōu)勢(shì)。

2 無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：一是數(shù)據(jù)共享，各獨(dú)立節(jié)點(diǎn)與信息處理中心可雙向傳遞、交換數(shù)據(jù)信息；二是實(shí)時(shí)查詢，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都能及時(shí)完成信息傳輸并回傳終端響應(yīng)；三是數(shù)據(jù)處理，通常情況下，終端節(jié)點(diǎn)都兼具信息提取和信息處理的功能，將信息轉(zhuǎn)換成特定格式后傳輸至信息處理中心[2]；四是組建性強(qiáng)，盡管各個(gè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)分工都不一樣，但各節(jié)點(diǎn)都具有建立上下點(diǎn)連接的功能，系統(tǒng)基于這一個(gè)共性可組建一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)；五是低耗能，無(wú)論是路由器、終端設(shè)備還是協(xié)調(diào)器，各節(jié)點(diǎn)都基于一個(gè)低功耗的微控制器芯片，普通的終端節(jié)點(diǎn)甚至可以采用太陽(yáng)能電池進(jìn)行供電，網(wǎng)絡(luò)整體的功耗水平很低。

3 幾種常見的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)

3.1 藍(lán)牙組網(wǎng)技術(shù)

作為一種無(wú)線傳輸技術(shù)，藍(lán)牙組網(wǎng)能夠支持設(shè)備在10 m 范圍內(nèi)進(jìn)行通信傳輸，可以實(shí)現(xiàn)筆記本電腦、移動(dòng)電話、PDA、無(wú)線耳機(jī)等設(shè)備之間的無(wú)線信息交換。通過藍(lán)牙技術(shù)能夠讓移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信有效性提升，簡(jiǎn)化通信流程，優(yōu)化設(shè)備和因特網(wǎng)之間的通信鏈路[3]。藍(lán)牙系統(tǒng)組網(wǎng)方式是具有極高靈活性的無(wú)基站方式，一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備在同一時(shí)間最多可與7個(gè)設(shè)備建立連接，藍(lán)牙系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分為微微網(wǎng)（Piconet）和分布式網(wǎng)絡(luò)（Scatternet）這兩種形式。

微微網(wǎng)屬于一種微型網(wǎng)絡(luò)，以一種特定的方式借助藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接，單一的微微網(wǎng)可以只針對(duì)一部移動(dòng)電話和一臺(tái)便攜電腦，建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信連接，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)多臺(tái)設(shè)備的同時(shí)連接。處于微微網(wǎng)中的每個(gè)設(shè)備都處于同一層級(jí)，擁有同樣的權(quán)限。藍(lán)牙以自主式組網(wǎng)方式（Ah-boc）為主，微微網(wǎng)的構(gòu)成為主設(shè)備單元和從設(shè)備單元，即Master 和Slave 單元，一個(gè)微微網(wǎng)最多包含1 個(gè)Master 單元和7 個(gè)Slave 單元，Master 單元負(fù)責(zé)時(shí)鐘同步信號(hào)和跳頻序列的整合與傳遞，Slave 單元通常都受控于同步設(shè)備單元。

分布式網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)非同步的獨(dú)立性微微網(wǎng)組成，它們以特定的方式建立連接。微微網(wǎng)中的Master 單元能夠同步作為其他微微網(wǎng)的Slave 單元，具有這種形式的設(shè)備單元就被稱之為復(fù)合設(shè)備單元。藍(lán)牙組網(wǎng)方式的獨(dú)特性，使其具有強(qiáng)大的無(wú)線接入能力，在實(shí)際應(yīng)用中一個(gè)設(shè)備單元能同時(shí)與7個(gè)移動(dòng)藍(lán)牙設(shè)備建立因特網(wǎng)連接。

3.2 ZigBee 協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee 是近年來廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中的新型技術(shù)，其融合了網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和傳感器技術(shù)，已經(jīng)在全球范圍內(nèi)推廣使用，正逐步進(jìn)入醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等其他領(lǐng)域。ZigBee 組網(wǎng)中的協(xié)調(diào)器在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)，主要負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，也可以作為連接其他不同類型網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點(diǎn)，稱之為網(wǎng)關(guān)[4]。路由器和終端節(jié)點(diǎn)在每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中則可以同時(shí)存在多個(gè)，但有一定的數(shù)量限制，通常在單個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)最多只能接入65 000個(gè)。

3.3 SimpliciTI 協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)

SimpliciTI 協(xié)議誕生于德州儀器的芯片的生產(chǎn)過程中，其支持的結(jié)構(gòu)主要有兩種：簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、星狀網(wǎng)絡(luò)通信。無(wú)線接入點(diǎn)（AP）在星狀網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)中承擔(dān)了超過一半的任務(wù)，包括對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)低功耗運(yùn)行的物理支撐、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與維護(hù)以及常規(guī)模式到休眠模式的轉(zhuǎn)變控制，同時(shí)AP 還伴有喚醒機(jī)制，SimpliciTI 協(xié)議具有較高的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和極高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性，且其沒有很高的硬件性能要求，只需具有基礎(chǔ)性的存儲(chǔ)器和寄存器即可投入正常運(yùn)行。

SimpliciTI 協(xié)議模型主要分為3個(gè)部分：一是應(yīng)用層（Application Layer），應(yīng)用層屬于主應(yīng)用程序，整個(gè)系統(tǒng)中所具備的每個(gè)功能都在這個(gè)程序中被定義和實(shí)現(xiàn)，主要 涉及網(wǎng)絡(luò)初始 化、系統(tǒng)初始化、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程等。二是網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer），主要圍繞信息展開收發(fā)隊(duì)列管理，有諸多網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)用函數(shù)構(gòu)成，每個(gè)函數(shù)的標(biāo)志都是以端口號(hào)的形式呈現(xiàn)，出現(xiàn)在協(xié)議中的端口相似于TCP/IP 端口，用戶可自行定義網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層，在SimpliciTI 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層中基于相互調(diào)用API 函數(shù)來達(dá)到每個(gè)網(wǎng)絡(luò)層功能實(shí)現(xiàn)的目的。三是硬件邏輯 層（Lite Hardware Abstraction Layer），該層可進(jìn)一步細(xì)分成兩層，一層為應(yīng)用版支持層BSP，另一層為射頻層Radio，它們主要負(fù)責(zé)的是網(wǎng)絡(luò)API 接口函數(shù)的運(yùn)行，其中主要涉及的是射頻模塊的硬件結(jié)構(gòu)函數(shù)定義。

SimpliciTI 協(xié)議的工作流程相較而言并不是很復(fù)雜，首先整個(gè)網(wǎng)絡(luò)按順序要完成硬件底層初始化、上層網(wǎng)絡(luò)初始化，然后每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)一并發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求信號(hào)，此時(shí)的AP 會(huì)檢測(cè)并接收每一個(gè)加入請(qǐng)求，然后給終端節(jié)相應(yīng)的回應(yīng)，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)框架的構(gòu)建[5]。結(jié)束網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建后，通過對(duì)協(xié)議API 函數(shù)的調(diào)用實(shí)行網(wǎng)絡(luò)控制，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)數(shù)據(jù)接收發(fā)送環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。最后，各個(gè)設(shè)備之間將基于對(duì)協(xié)議接口函數(shù)的調(diào)用進(jìn)一步完善網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，就可以進(jìn)行端對(duì)端的數(shù)據(jù)收發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能。

3.4 Wi-Fi 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)

Wi-Fi 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)正式名稱是IEEE802.11，其無(wú)線組網(wǎng)的運(yùn)作方式，Wi-Fi 定義了兩種類型設(shè)備：一個(gè)是無(wú)線站，通常情況下由一塊無(wú)線網(wǎng)卡和一臺(tái)PC 機(jī)組成；另一個(gè)是AP，主要是為無(wú)線和有線設(shè)備提供橋接，AP 的組成包括一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（802.3接口）和一個(gè)無(wú)線輸出口，并需要確保橋接軟件符合802.Id 橋接協(xié)議。

Wi-Fi 無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)有3大優(yōu)勢(shì)：一是覆蓋范圍廣，相比于前文提到的藍(lán)牙組網(wǎng)技術(shù)，Wi-Fi 技術(shù)的無(wú)線電波覆蓋范圍可以擴(kuò)大10倍，覆蓋半徑達(dá)到100m，在較好的環(huán)境條件下可完成對(duì)整棟建筑的無(wú)線覆蓋。二是傳輸速度快，目前最新的Wi-Fi 傳輸技術(shù)能達(dá)到9.6Gb/s的傳輸速度，完全能夠滿足人們對(duì)信息交換的需求。在Wi-Fi 有效覆蓋的范圍內(nèi)，可不受地域和時(shí)間的限制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)絡(luò)會(huì)議和網(wǎng)上證券服務(wù)等，極大地滿足人們的移動(dòng)化辦公需求。三是沒有布線，Wi-Fi 屬于無(wú)線電波覆蓋，在一定范圍內(nèi)是不存在寬帶布線問題的，這一點(diǎn)對(duì)辦公而言非常友好，有通信需求的時(shí)候只需要通過“熱點(diǎn)”設(shè)置共享互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)即可。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的核心技術(shù)在生產(chǎn)生活等多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮了極大的促進(jìn)作用。有效應(yīng)用無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化每個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸效能，最大化地避免出現(xiàn)信息碰撞現(xiàn)象，進(jìn)而防止信息傳輸缺失，保證無(wú)線傳輸質(zhì)量。無(wú)論采用何種無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中都需要針對(duì)具體問題進(jìn)行優(yōu)化配置和改進(jìn)，必要情況下還需要綜合運(yùn)用多種無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，我們下一步的研究將著眼于各個(gè)無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)中的細(xì)節(jié)問題。