發布日期：2022-05-20 點擊率：46
也許傳感器網絡對于我們大多數人來說，還是很陌生，其實她己經是二十多歲的“青年人”，只是一開始她就在軍事與特種領域“服役”。但是現在她已經“轉業”到地方，成為我們感知物理世界的網絡——一物聯網的神經末梢。
1.無線網絡的基本概念
1.1無線網絡技術的分類
無線網絡是網絡技術研究與發展的另一條主線，它的研究、發展與應用將對21世紀信息技術與產業發展產生重要的影響。從是否需要基礎設施的角度來看，可以分為兩大類：基于基礎設施的無線網絡與無基礎設施的無線網絡。圖4-1給出了無線網絡的分類。
1.2無線分組網與無線自組網
1972年在美國國防部高級研究計劃署啟動ARPANET的研究計劃后，又啟動將分組交換技術移植到軍用無線分組網(PacketRadi。NETw。rk，PRNET)的項目。該項目研究戰場環境中無線分組交換技術在數據通信中的應用。無線分組網的研究成果為無線自組網的發展奠定了良好的基礎。
在無線分組網項目結束后，DARPA認為盡管無線分組網的可行性得到驗證，但還是不能支持大型網絡環境的需要，無線移動自組網絡還有幾個關鍵技術沒有解決。在這樣的背景下，DARPA在1983年啟動殘存性自適應網絡(SURvivableAdaptiveNetwork，SURAN)項目。該項目研究如何將無線分組網技術用于支持更大規模的網絡，并開發能適應戰場快速變化的自適應網絡協議。
在無線分組網的基礎上發展起來的無線自組網是一種特殊的自組織、對等式、多跳、無線移動網絡，在軍事、特殊應用領域有重要的應用前景。
20世紀70年代末，美國海軍研究實驗室完成短波自組織網絡(HF-ITF)系統的研究。該系統是采用跳頻方式組網的低速無線自組網絡。HF-ITF使用短波頻段，采用隨機信道訪問控制方法，可以將500公里范圍內的艦只、飛機、潛艇組成一個無線移動自組網絡。
1994年美國DARPA啟動全球移動信息系統(GlobelMobileinformationsystem，GloMo)計劃一GloMo計劃的研究范圍幾乎覆蓋無線通信的所有相關領域。其中，無線自適應移動信息系統(WAMIS)是在無線分組網的基礎上，研究的一種在多跳、移動環境下支持實時多媒體業務的高速分組無線網。另一個與無線自組網有關的項目是啟動于1996年的WINGs研究，其主要目標是如何將無線移動自組網與互聯網無縫連接。
1.3無線自組網與無線傳感器網絡
IEEE將無線自組網的網絡定義為一種特殊的自組織、對等式、多跳、無線移動網絡，稱為移動無線自組網絡(MobileAdhocNETwork，MANET)，它是在無線分組網的基礎上發展起來的。
無線傳感器網絡的研究起步于20世紀90年代末期，隨著無線自組網技術的日趨成熟，無線通信、微電子、傳感器技術也得到快速發展，如何在軍事領域中將無線自組網與傳感器技術結合起來的研究課題被提出，即開始了無線傳感器網絡的研究。無線傳感器網絡可以用于對敵方兵力和裝備的監控，戰場的實時監視，目標的定位、戰場評估以及對核攻擊和生物化學攻擊的監測和搜索。
近年來，無線傳感器網絡引起學術、軍事和工業界的極大關注，美國和歐洲相繼啟動很多有關無線傳感器網絡的研究計劃。無線傳感器網絡研究將涉及傳感器、微電子芯片制造、無線傳輸、計算機網絡、嵌入式計算、網絡安全與軟件等技術，是一個必須由多個學科專家參加的交叉學科研究領域。
1.4無線自組網與無線網狀網
無線自組網技術逐漸成熟并進入實際應用階段時，通常還是局限于軍事領域，在民用領域應用無線自組網技術還只是一個研究課題。人們很快就發現，如果將無線自組網技術作為無線局域網與無線城域網等無線接入技術的一種補充，應用于互聯網無線接入網中，是一個很有發展前途的課題。在這樣的背景下，開始了無線網狀網技術的研究。-
無線網狀網(WirelessMeshNetwork，WMN)是無線自組網在接入領域的一種應用。WMN也稱為無線網格網，它作為對無線局域網、無線城域網技術的補充，將成為解決無線接人“最后一公里”問題的重要技術手段。
目前，無線自組網技術向兩個方向發展的趨勢已經清晰，一個是向軍事和特定行業發展和應用的無線傳感器網絡；另一個是向民用的接入網領域發展的無線網狀網。由于無線網絡問題的研究涉及多個學科領域，本章主要介紹與網絡技術相關的研究工作。
2．無線局域網與協議
2.1無線局域網的應用領域
隨著無線局域網技術的發展，人們越來越深刻地認識到，無線局域網不僅能夠滿足移動和特殊應用領域網絡的要求，還能覆蓋有線網絡難以涉及的范圍。它們主要有以下四個方面：
（1）作為傳統局域網的擴充
傳統的局域網用非屏蔽雙絞線實現10Mbps，甚至更高速率的傳輸。使得結構化布線技術得到廣泛應用。很多建筑物在建設過程中已預先布好雙絞線，但是在某些特昧的環境中，無線局域網卻能發揮傳統局域網起不到的作用，例如在建筑物群之間、工廠建筑物之間的連接，股票交易等場所的活動結點，以及不能布線的歷史古建筑，臨時性的大型報告會與展覽會。在上述的情況中，無線局域網提供一種更有效的聯網方式。在大多數情況下，傳統的局域網用來連接服務器和一些固定的工作站，而移動和不易于布線的結點可以通過無線局域網接入。圖4-3給出了典型的無線局域網結構。
（2）特殊無線網絡
無線自組網絡采用不需要基站的“對等結構”移動通信模式，該網絡中沒有固定的路由器，它的所有用戶都可以移動，并且支持動態配置和動態流量控制；每個系統都具備動態搜索、定位和恢復連接的能力。這些行為特征可以用“移動分布式多跳無線網絡”或“移動的網絡”來描述：例如，員工每人有一個帶有天線的筆記本，他們被召集在一間房間里開會，計算機可以連接到一個暫時的網絡，會議完畢后網絡將不再存在。
2.2無線局域網協議
1987年，IEEE802.4組開始進行無線局域網的研究。最初的目標是希望開發一個基于無線網令牌總線協議。在進行一段時間的研究后，發現令牌總線并不適合于無線電信道。在1990年，IEEE802委員會成立新的802.11工作組，專門從事無線局域網的研究，并開發一個無線信道訪問控制子層協議和物理介質標準。1997年形成第1個無線局域網標準802.11，以后又出現兩個擴展版本。802.11定義使用紅外、跳頻擴頻與直接序列擴頻技術，數據傳輸速率為1Mbps或2Mbps的無線局域網標準。802.1lb定義使用跳頻擴頻技術，傳輸速率為1、2、5.5與11Mbps的無線局域網標準。802.11a將傳輸速率提高到54Mbps。無線局域網是當前網絡研究的一個熱點問題，當前802.11標準已從802.11b、802.11a發展為802.11j，對多種頻段無線傳輸技術的物理層、MAC層、無線網橋，以及QoS管理、安全與身份認證做出一系列的規定。致力于WLAN技術推廣的wi-Fi聯盟是由業界成員參加，它的作用是促進802.11無線局域網標準的推廣與應用。
3．無線城域網與IEEE802.16協議
3.1寬帶無線接入的基本概念
802．11無線局域網作為局域網接入方式的一種補充，已在個人計算機無線接人中發揮重要作用。在無線通信技術應用廣泛的背景下，如何在城域網中應用無線通信技術的課題就被提出。對于城市區域的一些大樓、分散的社區，架設電纜與鋪設光纖的費用往往要大于架設無線通信設備，人們開始研究在市區范圍的高樓之間利用無線通信手段解決局域網、固定或移動的個人用戶計算機接入互聯網的問題。圖4．4給出了802．16寬帶城域網結構。
1999年7月，IEEE802委員會成立一個工作組，專門研究寬帶無線城域網標準問題。2002年，公布IEEE802.16寬帶無線城域網標準。802.16標準的全稱是“固定帶寬無線訪問系統空間接口”(AirInterfaceforFixedBroadbandWirelessAccessSystem)，也稱為無線城域網(WirelessMAN,WMAN)或本地環路(wirelesslocalloop)標準。
.2IEEE802.16標準體系
盡管802.1l與802.16標準都針對無線環境，但是由于兩者的應用對象不同，因此在采用的技術與協議解決問題的重點也不同。802.11標準的重點在于解決局域網范圍的移動結點通信問題，而802.16標準的重點是解決城市范圍內建筑物之間的數據通信問題。
802.16標準的主要目標是制定工作在2～66GHz頻段的無線接人系統的物理層與介質訪問控制層規范。802.16是一個點對多點的視距條件下的標準，用于大數據量的傳輸。802.16a增加非視距和對無線網狀網結構的支持。802.16與802.16a經過修訂后，被統一命名為802.16d，于2004年5月正式公布。
按802.16標準建立的無線網絡覆蓋一個城市的部分區域，同時由于建筑物位置是固定的，它需要在每個建筑物上建立基站，基站之間采用全雙工、寬帶通信方式工作。802.16標準提供兩個物理層標準802.16d與802.16e。802.16d主要針對固定的無線網絡部署，802.16e針對火車、汽車等移動物體的無線通信標準問題。
與IEEE802.16標準工作組對應的論壇組織為WiMAx，與致力于WLAN推廣應用的Wi-Fi聯盟很類似，它是由業界成員參加的，致力于IEEE802.16標準的推廣與應用。無線接入技術以投資少、建網周期短、提供業務快等優勢，已經引起產業界的高度重視。
4.藍牙、無線個人區域網與ZigBee
4．1藍牙技術與協議
4.1.1藍牙技術的基本概念
1994年，Ericsson公司對于如何在無電纜的情況下，將移動電話和其他設備(例如PDA)連接起來產生濃厚的興趣。Ericsson公司與IBM、Intel、Nokia和Toshiba等公司發起一個項目，開發一個用于將計算機與通信設備、附加部件和外部設備，通過短距離的、低功耗的、低成本的無線信道連接的無線標準。這個項目被命名為藍牙(Bluetooth)。
對于“藍牙”這個名字，有一個已被普遍接受的說法，那就是它與一位丹麥國王的名字有關，即公元940～985年間的丹麥國王HaraldBlatand。據說在他統治期間統一了丹麥和挪威，并把基督教帶入斯堪的納維亞地區，因此就將“Blatand”近似翻譯成“Bluetooth”，中文直譯為“藍牙”。由于這項技術是在斯堪的納維亞地區產生，因此技術的創始人就用這樣名字命名，表達他們要像當年的丹麥國王統一多國一樣，統一世界很多公司“短距離無線通信”技術和產品的初衷。
藍牙無線通信技術是作為一個技術規范出現，該規范是藍牙特別興趣小組SIG中很多公司合作的結果。1998年5月，SIG由Ericsson、Intel、IBM、Nokia和Toshiba等公司發起。SlG不是由任何一個公司控制，而是由其成員通過法定協定來管理。目前，SIG共有1800多個成員，包括消費類電子產品制造商、芯片制造廠家與電信業等。SIG的主要任務是致力于發展藍牙規范，但是它也許不會發展成一個正式的標準化組織。
4.1.2藍牙規范與IEEE802.15標準
1999年7月，SIG公布藍牙規范1.0版，卷1是核心規范，卷2是協議子集，整個規范長達1500頁。雖然藍牙技術最初的目標只是解決近距離數字設備之間的無線連接，但是很快擴大到無線局域網的工作領域中。盡管這樣的轉變使該標準更有應用價值，但是也造成它與IEEE802.11標準競爭的局面。
在藍牙規范1.O版發表后不久，IEEE802.15標準組決定采納藍牙規范作為基礎，并開始對它進行修訂。這件事情從一開始就不協調，藍牙規范已經有細致的規范，而且它是針對整個系統的。從網絡體系結構的角度來看，它覆蓋從物理層到應用層的全部內容。IEEE802.15標準組僅對物理層和數據鏈路層進行標準化，藍牙規范的其他部分并沒有被納入該標準。
盡管像IEEE這樣的中立機構來管理一個開放的標準，往往有助于一項技術的推廣和應用，但是如果在一項事實上的工業標準出現后，又出現一個與它不兼容的新規范，對于技術發展來說未必是一件好事。
4.1.3藍牙技術的特點及應用
(1)藍牙技術的特點
無線通信產品要能方便、快速地普及，那么它的通信頻率在全球各國統一開放的頻段上，該頻段的產品無須事先申請和繳納頻率使用費。藍牙技術將符合這個條件，它的工作頻率在國際開放的ISM2.4GHz上。為了避免相同頻率電子設備之間的干擾，藍牙技術采用了調頻擴展技術。
藍牙技術在協議設計之初就確定了芯片輕、薄、小的特點。以典型的愛立信藍牙芯片為例，它的體積只有10．2mm×14mlTl×16ram，發射功率控制在1mW，作用距離可以達到10m，可以嵌入在各種設備之中。芯片價格長期目標是控制在5美元以內。由于藍牙的功耗很小，因此在設計藍牙耳機的時候，不太考慮散熱的問題。
(2)藍牙技術的應用
正是因為藍牙技術有十分突出的特點，所以可以應用于幾乎所有的電子設備，例如移動電話、藍牙耳機、筆記本計算機的鼠標、打印機、投影儀、數字相機、門禁系統、遙控開關、各種家用電器等。
藍牙技術除了可以實現點-點通信，還支持點-多點通信。利用藍牙技術可以在10m范圍內實現7個活動藍牙設備，以及最多255個處于待機藍牙設備組成一個無線個人區域網絡。因此，業界有一種說法，即開發藍牙產品，更需要的是想象力和創造力。
4.2無線個人區域網與協議
隨著手機、便攜式計算機和移動辦公設備的廣泛應用，人們逐漸提出自身附近幾米范圍內的個人操作空間(PersonalOperatingSpace,POS)設備聯網的需求。個人區域網絡(PersonalAreaNetwork，PAN)與無線個人區域網絡(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN)在這個背景下出現。
IEEE802.15工作組致力于個人區域網的標準化工作，它的任務組TG4制定IEEE802.15.4標準，主要考慮低速無線個人區域網絡(Low-RateWPAN，LR-WPAN)應用問題。2003年，IEEE批準了LR-WPAN標準——IEEE802.15.4。它為近距離范圍內不同設備之間低速互連提供統一標準。
與WLAN相比，LR-WPAN只需很少的基礎設施，甚至不需要基礎設施。LR-WPAN的特征與無線傳感器網絡有很多相似之處，很多研究機構也將它作為無線傳感器網絡的通信標準。
4.3ZigBee技術的特點
ZigBee是一種面向自動控制的低速、低功耗、低價格的無線網絡技術。ZigBee的通信速率要求低于藍牙，但要求由電池供電，在不更換電池情況下工作幾個月，甚至幾年。同時，ZigBee網絡的結點數量、覆蓋規模比由藍牙技術支持的網絡大得多。ZigBee無線設備工作在公共頻道，在2.4GHz時傳輸速率為250kbps，在915Mbps時傳輸速率為40kbps。ZigBee的傳輸距離為10～75m。
ZigBee適應于數據采集與控制的點多、數據傳輸量不大、覆蓋面廣、造價低的應用領域，在家庭網絡、安全監控、醫療保健、工業控制、無線定位等方面展現了重要的應用前景。
ZigBee技術的特點主要表現在：
1)ZigBee網絡結點工作周期短、收發數據量小，不傳輸數據時處于“睡眠狀態”。傳輸數據時由擔任“協調器”的結點喚醒。采取這種工作模式的優點是節省電能，延長網絡工作對間。
2)ZigBee采用碰撞避免機制并為需要固定帶寬的通信業務預留專用時間片，以避免發送數據的沖突。由于在MAC層采用確認機制，保證結點之間通信的可靠性。
3)ZigBee協議結構簡單，實現協議的專用芯片價格低廉，系統軟件結構力求簡單，從而降低系統的造價。通信模塊芯片價格預期可以降到1.5～2.5美元。
4)ZigBee標準與藍牙標準的延時參數相比，ZigBee結點的休眠／工作狀態轉換需要15ms，入網時間需要30ms，而藍牙結點的入網時間需要3～10s。
5)1個ZigBee網絡最多容納1個主結點和254個從結點，1個區域中可以有100個ZigBee網絡。
6)ZigBee提供了數據完整性檢查與加密算法，以保障網絡的安全。
基于ZigBee技術的無線傳感器網絡已成為產業界十分關注的一個研究方向。
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