三种无线分布式网络的比较.docx

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三种无线分布式网络的比较

三种无线分布式网络的比较

   1引言

   无线分布式网络作为近几年通信领域发展较快的技术，受到越来越多的关注。

无线分布式网络的前身是adhoc网络，起源于1972年美国DAPRA提出的分组无线网（PRNET），是由一组具有无线收发装置的移动节点组成的多跳、临时性的自组织系统。

随着研究的不断深入以及adhoc网络应用的扩展，衍生出了无线传感器网络和无线Mesh网络，它们也采用分布式、自组织组网思想，但在特定应用环境下具有不同于adhoc网络的特性。

因此，随着技术不断发展，无线分布式网络变为一个非常宽泛的概念，主要由adhoc网络、无线传感器网络和无线Mesh网络3种网络组成。

本文着重就这3种无线分布式网络的基本概念、技术特点和应用场合进行分析研究和比较。

   2adhoc网络

   2.1基本概念

   “adhoc”源于拉丁语，意为“特殊的”，它由一系列可任意移动的节点组成，网络节点动态且任意分布，节点之间通过无线方式互连，每个网络节点同时具有终端和路由器的双重功能，图1展示了典型adhoc网络的结构。

由于自组织特性，adhoc的网络拓扑、信道环境、业务模式随节点的移动而动态改变。

adhoc网络研究的最初目的是满足战场生存的军事需求，在战场恶劣的环境下通信无法依赖已经敷设的通信基础设施，因为一方面这些设施可能根本不存在，另一方面这些设施随时可能遭到破坏。

由于组网快速、灵活、使用方便，目前adhoc网络已得到学术界和工业界的广泛关注，并得到越来越多应用，逐渐成为移动通信领域发展的重要方向。

图1 adhoc网络结构

   2.2技术特点和应用场合

   由于adhoc网络具有自组织特性，且提供了更为灵活的组网方式，因此其具有很多传统有线、无线网络不具备的特性：

（1）无中心和自组织性

   这是adhoc网络的最大特点。

网络中没有绝对的控制中心，所有节点的地位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在任何时刻任何地方快速展开并自动组网。

由于网络的分布式特征、节点的冗余性和不存在单点故障点，adhoc网络的健壮性和抗毁性很好。

（2）动态变化的网络拓扑

   adhoc网络中，移动终端能够以任意速度和任意方式在网中移动，并可以随时关闭电台。

加上无线发送装置的天线类型多种多样，发送功率的变化，无线信道间的相互干扰，地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。

   （3）受限和时变的无线传输带宽

   adhoc网络采用无线传输技术作为底层通信手段，由于无线信道本身的物理特性，它所能提供的网络带宽相对有线信道要低得多。

此外，考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间干扰等多种因素，移动终端得到的实际带宽远远小于理论上的最大带宽。

同时，与有线网络不同，由于拓扑动态变化导致每个节点转发的非自身作为目的地的业务量随时间而变化，它的链路容量表现出时变特征。

   （4）多跳路由

   由于节点发射功率受限，节点的覆盖范围有限，当它要与其覆盖范围之外的节点进行通信时，需要中间节点的转发。

此外，自组织网络中的多跳路由是由普通节点协作完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成的。

   （5）能量受限

   由于网络节点的移动特征，其中大多数节点以电池作为动力。

因而，在进行系统设计时，节能就成为一个非常重要的指标。

   （6）安全性较差

   adhoc网络是一种特殊的无线移动网络，由于采用无线信道、有限电源、分布式控制等技术，更容易受到被动窃听、主动入侵、拒绝服务等网络攻击。

如果不在网络层或数据链路层增加一些安全措施，adhoc网络很容易受到监听网络传输、重新传输、对分组头进行操作和重定向路由信息等攻击。

因此，信道加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施都需要特别考虑。

   由于adhoc网络的特殊性，它的应用领域与普通的通信网络有着显著的区别。

它适用于无法或不便预先铺设网络设施的场合和需要快速自动组网的场合等。

军事应用仍是adhoc网络的主要应用领域，但在民用方面也有非常广泛的应用前景，其应用场合主要有：

军事应用、紧急事故和临时场合、个人通信、与移动通信系统的结合等方面。

   3无线传感器网络

   3.1基本概念

   无线传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式产生深远影响。

近年来随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统（MEMS）等技术的飞速发展，低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器的大量生产成为可能，这些微型无线传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，无线传感器网络（简称传感器网络）就是由许多这种微型无线传感器节点协同组织起来的。

传感器网络的节点可以随机或者特定地部署在目标环境中，它们之间通过特定的协议自组织起来，能够获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。

图2所示为无线传感器网络的结构。

图2 无线传感器网络的结构

   传感器网络最初来源于美国DARPA的一个研究项目。

由于当时技术条件的限制，传感器网络的应用只能局限于军方的一些项目中，难以得到推广和发展。

近年来随着无线通信、微处理器、MEMS等技术的发展，传感器网络的理想蓝图能够得以实现，其应用前景越来越广，国外研究机构对它的研究也正方兴未艾。

   3.2技术特点和应用场合

   传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得传感器网络存在很多新问题，对其提出了很多新的挑战。

传感器网络的主要特点有：

（1）传感器网络节点电池能量有限且不可充电，整个网络是能量受限的

   由于传感器节点的微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理环境限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量受限是整个传感器网络设计中的最关键的约束之一，直接决定了网络的工作寿命。

（2）传感器网络的节点数量大、密度高

   由于传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为几十米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。

传感器网络的节点数量和密度都要比adhoc网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。

这会带来一系列问题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。

   （3）以数据为中心

   所谓以数据为中心就是节点把来自多条路由的数据进行聚合，消除冗余，让传输的数据最小化，从而达到节省能量的目的。

传感器网络是高密度网络，很多节点会探测到同一个物理现象，因此传感器节点发送的数据就会存在冗余。

无线传感器网络把路由和网内数据聚合联合考虑，以求达到最大节省能量的目的。

   （4）动态拓扑结构变化

   传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量等，这些特点都使得传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法（如路由算法和链路质量控制协议等）的有效性提出了挑战。

此外，如果节点具备移动能力，也有可能带来网络的拓扑变化。

   无线传感器网络以其自组织性、微型性、低成本、灵活性等特点，在军事、环境科学、医疗健康、空间探索、商业应用等领域有着非常广泛的应用前景。

   4无线Mesh网络

   4.1基本概念

   无线Mesh网络是下一代无线网络中的关键技术，近几年得到人们广泛关注和快速发展。

它是一种动态自组织网络，网络中节点以adhoc的方式组成网络并维持Mesh结构。

通常把它看作是adhoc网络的一种简化版本，但两者有一定区别。

无线Mesh网络中的接入点既可以作为adhoc的对等数据转发实体，完成数据路由转发功能，又可以作为一种连接到其他有线网络的网桥连接器。

无线Mesh网络是一种高容量、高速率的多点对多点网络，是为解决“最后一公里”问题而提出的无线分布式网络。

   无线Mesh网络中包含两种类型节点：

Mesh路由器和Mesh客户端。

不同于传统网络的网桥或者网关，Mesh路由器具备其他特殊的功能来支持Mesh网络，通过多跳路由，Mesh路由器可以用较低的功率覆盖同样的面积。

为了进一步提高Mesh网络灵活性，Mesh路由器具备多种无线接口以支持多种无线接入技术。

虽然有很多不同，但Mesh路由器与传统无线网络路由器在硬件平台上基本相似。

   Mesh路由器通常不具有移动性，它们构成Mesh网络的主干部分并向Mesh客户端提供无线接入服务。

虽然Mesh客户端在某种情况下也可以临时充当Mesh路由器，但在硬件和软件方面，它都要比Mesh路由器简化一些。

例如，在通信协议方面，Mesh客户端都是轻负载的，不具备网关和网桥的功能，只有一个简单的无线接口。

无线Mesh网络结构分为3种类型：

（1）骨干型无线Mesh网络

   Mesh网络为保证客户端接入互联网形成一个主干结构，如图3所示。

骨干网结构可以采用多种射频技术，目前IEEE802.11技术最为常见。

所有的Mesh路由器形成一个具有自愈功能的自组织网络，路由器具有网关作用，可以接入互联网。

这种结构通过路由器的网关、网桥功能，可以让Mesh网络实现与互联网的连接。

对于传统的客户端，利用同样的射频技术就可以实现与路由器的连接。

图3 结构型无线Mesh网络

（2）客户型无线Mesh网络

   客户型无线Mesh网络提供一种端对端的网络结构，如图4所示。

客户端形成实际网络并为其他客户提供服务，因此在这种网络中不需要Mesh路由器。

客户型Mesh网络通常只采用一种射频技术，因此有些类似传统的adhoc网络。

但是，在网络终端方面，客户型Mesh网络与结构型无线Mesh网络相比要强大很多。

图4 客户型无线Mesh网络

   （3）混合型Mesh网络

   它把结构型Mesh网络和客户型无线Mesh网络结合起来，Mesh网络客户端通过路由器接入网络，也可以与其他Mesh客户端共同组成Mesh网络。

   4.2技术特点和应用场合

   无线Mesh网络作为一种宽带无线分布式网络，与adhoc网络和无线传感器网络相比既有继承点又有不同点：

   ·无线Mesh网络支持adhoc网络，具有自形成、自恢复和自组织特点。

   ·无线Mesh网络是多跳网络。

   ·Mesh路由器没有移动性，可以完成复杂的路由和配置，大大减轻Mesh终端和客户端的负载。

   ·Mesh路由器集成混合网络，包括有线网络和无线网络。

因此，多种网络可以并存于无线Mesh网络中。

   ·Mesh路由器和Mesh客户端的功耗限制不同。

   ·无线Mesh网络不是孤立网络，必须兼容其他网络。

   除了以上特点，无线Mesh网络与传统的点对点网络的结构相比具有较多优势，主要表现在可靠性提高、碰撞减轻、无线链路设计简化、维护简便等几个方面。

   无线Mesh网络的最主要应用为骨干Mesh网。

无线Mesh网的骨干通常是指网络中构成主要数据传输线路的高速链路，即Mesh路由器之间的无线链路。

传统上，骨干网采用光纤将各个边缘网络连接起来，而无线Mesh网络中只有一个或几个Mesh路由器连接到有线网中。

无线Mesh网络的骨干网可以部署在室内，也可以部署在室外，室外设备通常附着在街灯上或者建筑物外表面有电力可用的地方。

   5结束语

   综上所述，adhoc网络、无线传感器网络和无线Mesh网络作为目前无线分布式网络最具代表性的3种类型，都采用分布式、自组织的思想形成网络，网络每个节点都具备路由功能，随时为其他节点的数据传输提供路由和中继服务。

adhoc网络主要侧重应用于移动环境中，确保网络内任意两个节点的可靠通信，网络内数据流可以包括语音、数据和多媒体信息；无线传感器网络是adhoc网络的一种特殊形式，侧重于利用分布、自组织思想实现对某个区域的物理现象的监测，网络内传输的数据流为低速率的数据；无线Mesh网络是一种无线宽带接入网络，利用分布式思想构建网络，让用户在任何时间、任何地点都可以对互联网进行高速无线访问。

   无线分布式网络在近几年得到了快速发展，人们也对其未来寄予了美好的憧憬。

但由于其不同于以往传统网络的特性，导致研究和应用中存在很多难题，如：

能量问题，高效、可靠的媒体接入控制协议，可靠的多跳路由算法等，这些难题将成为无线分布式网络能否顺利发展的障碍，需要进行进一步的研究。