网状网关键技术探讨

　　摘要：随着无线网络的快速发展，无线网状网日益成为研究的热点，其关键技术也在快速发展。对无线网状网的三种关键技术特点做了论述，说明了其适用场所，最后指出无线网状网与超宽带（UWB）的融合将是一个重要的发展趋势。

　　关键词：网状网　IEEE802.11b/a/g　ZigBee超宽带

　　随着技术的发展和社会的进步，无线网络正在快速发展，与此同时，用户对带宽和传输的可靠性要求越来越高，传统的基于星形的“点到点”或“点到多点”单跳无线技术表现出通信距离短、要求直视、存在盲区以及链路带宽随着距离增加而降低等固有的局限性。无线网状网是指大量终端通过无线连成网状结构，各节点通过路由交换数据，是一种低功率的多级跳点系统。与传统的点到点网络相比，网状网技术表现出明显的优势，如：每个节点所需的功率大大降低，总数据容量和网络带宽较宽，且具备冗余路径，因此，网状网正成为无线网络的研究热点。目前，可以作为网状网的物理层关键技术有IEEE802.11b/a/g、ZigBee和UWB技术，网状网和UWB这两种技术有最终融合的趋势。网状网技术在家庭、社区、企业和学校具有良好的应用前景。
　　
　　无线网状网的物理层关键技术要求：

　　·网状网节点收发器的功耗足够低。网状网是多跳系统，传输距离近，节点数量多，整个网络功耗要控制在一数量以下，其节点收发器功耗必须足够低。

　　·组网能力强，网络容量大。由于网状网节点数量众多，要形成网状拓扑结构，节点设备必须具备相当的组网能力。

　　·组网成本低。一种技术是否具有良好的应用前景，成本高低是能否被客户和市场接受的重要因素。

　　·在家庭娱乐场所应用时还要求有较高的数据传输数率，以支持多媒体数据流的传输。

网状网关键技术

　　1.基于IEEE802.11b/a/g的网状网技术

　　802.11b工作于2.4GHz的工业、科学、医疗（ISM）公共频段，物理层支持5.5Mbit/s和11Mbit/s两个新速率。802.11b的传输速率可因环境干扰或传输距离而变化，在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s、1Mbit/s之间切换，由于价格相对低廉（目前在一个器具上增加802.11b网卡大约需要15美元）802.11b产品已经被广泛地投入市场，并在许多实际工作场所运行。802.11b工作于5GHz频带，物理层速率可达54Mbit/s，802.11a采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术，支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。802.11g也工作于2.4GHz频带，无线网络传输速率可达54Mbit/s，比现在通用的802.11b要快出5倍，并且与802.11b完全兼容。由于通常有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，而且，实际使用时存在大量的环境噪声，在用户密度较高时还存在用户与用户之间的干扰，移动环境下其实际数据传输速率往往下降很多（例如802.11b的连接速度一般可降到只有几百kbit/s），市场上现有基于IEEE802.11的网状网产品可获通信速率为500kbit/s到6Mbit/s。

　　使用基于IEEE802.11a/b/g的网状网技术的优势在于传输数率较高，传输距离远，其产品能够与现有的无线网（WLAN）产品兼容，符合客户使用习惯，市场容易开拓。其缺点在于产品功耗较大，价格较高，相邻频道存在相互干扰，整个网络的容量有限，802.11b速率太慢，不适合传输视频数据；54Mbit/s速率的802.11a标准可以处理视频数据，但费用昂贵，功耗大，组网成本高，协议开销大，需要接入点；此外基于IEEE802.11的产品还没有形成标准的规格，其使用场所局限于电力充足或取电方便的环境。

　　基于IEEE802.11b/a/g的网状网产品规格方面，IEEE802LAN/MAN标准委员会全体会议于2004年3月14日～19日在美国佛罗里达州奥伦多市召开，并作出决定，把负责标准制订工作的“MES Working Group”升级为正式任务组IEEE802.11s Mesh Networking，简称IEEE802.11s。今后将由该任务组负责制订IEEE802.11网状网功能的标准规格。

　　2.基于ZigBee的网状网技术

　　一直以来，低成本、低速率、低功耗的无线传输技术在很多领域有极大的需求。ZigBee正是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率（ZigBee的峰值数率为250kbit/s）、低成本的无线传输技术，它是一种介于无线标记和蓝牙之间的技术提案。ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。IEEE802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点。而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee 工作于868MHz、915MHz或2.4GHz，（其中2.4GHz是一个开放的频率），在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，主要用于近距离（如网状网等）无线连接。

　　基于ZigBee的网状网技术优势和缺点如表2所示。低功耗、电池寿命长，这一点对ZigBee作为网状网技术特别是用在工业控制领域至关重要。ZigBee的待机功耗比蓝牙还要低1～2个数量级（ZigBee为3～40μA），例如：一个安全网络系统，采用飞思卡尔ZigBee技术，其传感器由两节AA电池供电，电池的电量可以供应9.8年，采用蓝牙方案，电池的使用寿命为100天。

　　二是组网成本低，容易被市场接受。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；积极投入ZigBee开发的摩托罗拉以及飞利浦，均已在2003年正式推出芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙（蓝牙芯片价格在几美元左右）更具价格竞争力。

　　三是网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每ZigBee 设备可以另外254台设备相连接。工作频段灵活，使用的频段分别为2.4GHz、868、MHz（欧洲）及915MHz（美国），它们均为免执照频段。

　　基于ZigBee的网状网的缺点在于它只适合数据传输较低的如控制等方面的应用，而不适合传输大量视频数据。

　　基于ZigBee的网状网由于其功耗低，容量大，成本低，特别适合需要感应式网络，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能的工业控制领域的应用。此外，家庭控制领域基于ZigBee的网状网无须电缆连接和直视，在未来的家庭中，几乎所有的电器都嵌入了相应的芯片而形成了网络，像空调系统的温度控制器，灯光、窗帘的自动控制，老人与行动不便者的紧急呼叫器，电视与音响的万用遥控器，烟雾侦测器等这些应用，都非常需要和适合采用这种低成本、低速率、低功耗的无线传输技术，市场研究机构VDC发表的报告指出，预计无线网状网络将在工业监控和控制应用中获得重大发展，VDC推测，2007年北美采用网状网络的无线产品的出货将从2004年的610万美元上升到2510万美元，复合年增长率为60.2％，工控应用中无线网状网有极大发展前途。

　　3.基于UWB的网状网技术

　　超宽带技术UWB是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，又称脉冲无线技术，出现于60年代。它占有的频谱范围很宽，其中心频率大于500MHz，相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于25%。按照FCC的规定，从3.1GHz到10.6GHz之间的7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围。超宽带系统有别于传统的通信系统。一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制，而UWB是利用起、落点的时域脉冲（几十纳秒）直接实现调制，超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行，而且以这一过程中所持续的时间，来决定带宽所占据的频率范围。

　　UWB技术的特点决定了整个网络的功耗可以很低。UWB技术使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20～1.5ns之间，有很低的占空因数，系统耗电可以做到很低，在调整通信时系统的耗电量仅为几百微瓦～几十毫瓦。民用的UWB设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右,是蓝牙设备所需功率的1/20左右。军用的UWB电台耗电也很低。因此，基于UWB的网状网，相对于其他无线网状网在功耗上有着很大的优越性。

　　基于UWB技术的网状网成本很低。由于UWB本身的技术特点，即UWB不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要用放大器与混频器，因此，UWB允许采用费用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理，因此，UWB收发系统结构实现比较简单，整个网络成本可以很低。

　　网络数据传输速率高，系统总容量大。民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围为10m以内，其传输速率可达500Mbit/s，UWB以非常宽的频率带宽来换取调整的数据传输，并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。

　　超宽带无线电具有极强的穿透能力，冲激脉冲具有很高的定位精度，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，因此特别适合于家庭不同房间、企业不同部门间建立无线网状网。

　　UWB作为网状网系统的物理层技术具有极佳的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。

　　UWB作为网状网系统的关键技术，多径分辨能力高，抗信道衰落能力强。由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低，多长信号在时间上是可分离的。于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10～30dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。

　　基于UWB的网状网技术缺点为，由于UWB技术功率限制，单跳传输距离短，只有10多米的距离。此外，由于UWB系统占用的带宽很大，UWB系统可能会对其他无一通信系统造成干扰，而且UWB本身标准还未统一，势必影响市场的占领。

　　UWB本身的技术优势决定了UWB的网状网技术主要适用于近距离室内等密集多径场所，例如借助UWB网状网，数码相机与便携式录像机可以把捕捉到的照片与视频传输到家中的电视机和电视上；同样DVD播放机与电视机也可以把图像送到家中的任何一台设备上；平板显示器可以无线连接到电脑、DVD播放机及其它你指定的播放源上；借助UWB网状网，我们的家将更清洁、更温暖、更舒适。

　　结语

　　与传统的固定基础设施无线网络相比，网状网技术为网络用户提供了更大的覆盖范围、更高的吞吐率和更好的故障恢复性，网状网技术具有极大的优越性，作为一种理想的网状网物理层技术，UWB和网状网技术的融合将是未来网状网技术发展不可避免的趋势。
作者：陈鹏昆　许平　何嘉斌   来源：世界电信　2005.11