有线/无线混合网络（共9篇）
有线/无线混合网络 篇1
0引言
Ad Hoc网络是一种不需要中心控制以及基础设施支持, 由移动节点构成的无线网络[1]。它具有组网灵活、快捷等特点, 被认为是将来最有竞争力的通信方式之一。Ad Hoc网络在国防战备、灾难救助、临时性的会议等场合下具有无法比拟的优势, 具有广阔的应用前景。
随着针对Ad Hoc网络的研究逐步深入, 人们发现Ad Hoc网络作为一个独立网络时, 应用十分有限, 不能发挥它的最大优势。如果把它接入有线网作为延伸, 那么对于Ad Hoc网络的应用将有一个质的飞跃。比如:在军事应用中, 高层指挥所的指挥网络通常由高速局域网和Ad Hoc组成;民用的Ad Hoc网络通过无线路由器接入因特网等。如何了解混合网络的性能, 如何发现瓶颈链路等一些问题, 这都对混合网络测量提出了新的要求, 例如从单一的Ad Hoc网络测量拓展到Ad Hoc网络及有线网组成的混合网络测量。
本文对有线网络和Ad Hoc组成的混合网络的带宽测量进行研究, 提出了Ad Hoc TP测量算法并进行了验证。结果表明, 此方法能够快速、准确地测量出路径带宽。
1测量原理
PP模型最早用于网络拥塞控制[2], 后来经过R.Carte, V.Paxson, K.Lai和C.Dovrolis等人对模型的不断完善和发展[3,4,5,6], 使得PP模型成为测量网络带宽最有效的模型之一。Ad Hoc Probe[7]是目前测量Ad Hoc网络路径带宽的最常用方法, 它以PP模型为基础, 继承了Capprobe[8]的优点, 不仅克服了报文对技术在重负载时测量不精确的缺点, 而且保证了测量精度。
在网络负载较轻时, 一般仅仅需要几个报文对就能够获得正确的样本, 但是Ad Hoc Probe仍然固定地进行200次采样来寻找时延和最小的样本, 这样造成测量时间固定且较长, 因而不能适应Ad Hoc网络的动态性。如果能够实时地知道已经获得了正确的样本, 就不需要再继续发送额外的探测报文, 这样既可以缩短测量时间, 又可以减小对带宽资源的浪费。缩短测量时间, 可以更好地适应Ad Hoc网络的动态性, 更好地满足Ad Hoc带宽受限的特点。针对Ad Hoc Probe的缺点, 提出了Ad Hoc TP (Triple-probe Packets) 算法。
先来分析一个报文对的测量:设第二个报文大小为L, 所经过的链路带宽为C0, 则报文对经过这条链路后的时间间隔变为Δ0=L/C0, 在一般情况下, 如果在进入一条容量为Ci的链路前, 报文对的间隔为Δin, 则通过这条链路后, 时间间隔为Δout=max (Δin, L/Ci) 。在报文对经过一条路径上的若干条链路后, 在接收方得到的间隔为
TP算法描述:TP算法在发送端所使用的测量分组不再是单个的分组对, 而是由三个连续数据包组成, 称之为三元组。三元组中每个包的长度分别是L1, L2, L3, 其中L1<L2=L3, 第一个分组的第一个数据包很小, 以保证后面的分组不会因为前一个分组而发生排队。将L1, L2看成是一个分组对, 将L2, L3看成是后一个分组对。在接收端, 计算三元组前一个分组对通过瓶颈链路后的时间间隔为Δ1, 后一个分组对通过瓶颈链路后的时间间隔为Δ2与整个探测报文组的时延和。如果Δ1=Δ2, 再看看时延和是不是最小的。如果是最小的, 则说明根据包对技术的测量其带宽只与分组对中第二个数据包的长度有关, 这在文献[9]中有详细的证明。假设没有受到其他流的干扰, 包头的大小为β, 则所测得的带宽为:
并且向发送端报告结果。发送端收到结果后结束测量, 如果时延和不是最小的, 则继续测量。
测量过程中的问题处理:
(1) 如果两个探测包对中插入相同的背景流量
这里认为当两个探测包对没有受到背景流量的影响时, 在接收端两个探测包对的间隔就会相等。但是还有一种情况, 就是当两个探测包对中插入相同的背景流量时, 在接收端两个探测包对的间隔也是相等的。所以仍保留单向时延和最小的判断标准。这样就可以排查出虽然两个时间间隔相等, 但实际收到相同背景流量影响的样本。
(2) 长时间内一直找不到符合条件的样本
在网络负载较重的情况下, 探测包对受到背景流量的影响概率将会很大, 所以有可能很长时间内一直找不到符合条件的样本。为了减小测量工作对网络的影响, 将设定一个探测报文对发送上限, 以控制测量的时间。将这个上限设置为100, 发送端只发送100组探测报文对, 如果接收端一直没有接收到正确的样本, 则在接收到第100组报文组合后 (根据序列号) , 根据已有的测量数据, 选取时延和最小的那个样本, 并将其作为正确的样本, 计算路径带宽。
(3) 探测报文对发送速率问题
如果探测报文的发送速率过快, 虽然可以缩短测量时间, 但会对网络产生较大的干扰, 并且容易引起网络拥塞, 从而可能影响测量的准确性。相反, 如果发送的速率过慢, 则会延长测量时间, 不能满足Ad Hoc网络拓扑动态性的特点。在Ad Hoc Probe中, 每一组探测报文对由2个报文组成, 其发送速率为4组/s, 改进后的报文对由3个报文组成。参考Ad Hoc Probe并通过实际仿真分析, 探测报文对发送速率定为2组/s。因为设定了探测报文对的发送上限为100组, 所以测量时间最大不超过50 s。
(4) 系统时钟同步问题
Ad Hoc TP算法不需要发送方、接收方的时间同步, 假设他们两者的时间差为u, 对于第i个包来说, 发送时间为Tsend, i。接收时间:第一个包为Trecv1, i, 第二个包为Trecv2, i, 所以测量的时延和为S′i及实际的时延和Si为:
由上式可知, S′i, Si两者的差值恒定为2u。如果Sk最小, 则S′k也是最小, 过滤不是最小值的S′k就可以得到正确的样本, 而计算路径容量时, 用的是差值, 即:
这样就消除了u的差值, 对最终的路径容量的测量没有影响, 因此Ad Hoc TP算法不必在乎发送方和接收方的时间同步, 这对最终的测量结果没有影响。
2仿真验证
2.1 无线Ad Hoc网络带宽的理论分析
Ad Hoc网络路径带宽不同于传统的有线网。在有线网中, 一条路径的带宽是由组成该条路径的所有链路中带宽最“窄”的那段链路所决定的。当一条路径确定后, 其路径带宽就是一个确定的值。但是在Ad Hoc网络中, 路径带宽并不是简单地等于最“窄”的那段链路的带宽。由于所有节点共享无线信道, 所以在多跳的情况下, 必须考虑到无线信道复用对于路径带宽的影响。要对Ad Hoc网络路径带宽的测量技术进行研究, 就必须首先确定Ad Hoc网络路径带宽的理论值, 否则将无法判断测量结果是否正确。
先对链状拓扑的路径带宽进行分析。如图1所示, 节点间距离为200 m, 节点的传输范围均是250 m, 干扰范围是550 m。只有1号节点发送数据, 其他节点只进行接收或是转发。
当场景中只有两个节点, 不存在信道复用, 也就是没有节点冲突的影响时, 则在多跳网络中, 所有节点共享无线信道, 此时, 路径带宽一定会受到影响。由文献[10]中, 对于多跳链路路径带宽进行分析可知:当1号节点发送, 3号节点接收时路径链路带宽也就是一跳路径带宽的1/2;当1号节点发送, 4号节点接收时, 路径链路带宽也就是1跳路径带宽的1/3;当1号节点发送, 5号节点接收时, 路径链路带宽也就是一跳路径带宽的1/4;当1号节点发送, 6号节点接收时, 路径链路带宽也就是一跳路径带宽的1/4;跳数再增大时, 由于距离较远的节点可以同时使用信道, 所以路径带宽的最小理论值就是一跳路径带宽的1/4。
2.2 验证链状混合网络中TP算法的可行性
把这种链状拓扑的Ad Hoc网络接入有线网后, 不难发现, 在Ad Hoc网络内部, 路径带宽并不会受到这种接入的影响, 也就是说路径带宽理论值不会发生变化。下面验证TP算法的可行性。
使用QualNet仿真软件[11]对算法的有效性进行了仿真验证。IEEE 802.11b的传输范围设为250 m, 干扰范围设为550 m。信道衰减模型选择的是TWO-RAY GROUND, 网络负载设置为符合泊松分布的VBR流。
仿真场景如图2所示, 节点1到AP之间为有线网络, 假设为100 Mb/s以太网。Ad Hoc网络部分各节点之间的距离都是200 m, 各链路都基于IEEE 802.11b协议, 传输速率为2 Mb/s, 网络层使用AODV协议, 传输层使用UDP协议。IEEE 802.11协议默认参数值见表1。
当Ad Hoc网络路径为一跳时, 也就是节点1经过AP到节点2这条路径上, 在没有背景流量干扰的情况下, 发起测量的仿真结果如图3, 图4所示。
从图3中可以看到, 从节点1发起的混合网络测量与从AP发起的纯Ad Hoc网络测量基本一致。说明基于包对的路径带宽测量技术能够很好地适用于上述混合网络。随着应用层数据的增大, 路径带宽也随之增大, 但是测量值与理论值之间存在着一定的偏差。经分析认为, 偏差是由于帧间间隔引起的, 在前面的理论值分析过程中忽略了帧间间隔的影响。图4是从无线节点2发起的对混合网络的测量, 从结果看算法仍然有效。综合来看, 该算法不论是从有线网络部分发起测量, 还是从Ad Hoc网络部分发起测量, 在一跳情况下都能够正确测量出网络路径带宽。
再来看看多跳情况下TP算法的效果。网络拓扑如图2不变, 网络各参数保持不变。使用固定大小的探测包对, 设置为1 472 B。在多跳情况下的测量结果如图5, 图6所示。
从图5中可以看出, 在不同跳数的情况下, 从节点1发起的混合网络测量结果与从AP发起的纯Ad Hoc网络测量结果仍然基本保持一致。说明该路径带宽测量算法在混合网络中确实是正确有效的。随着跳数的不断增加, 测量结果也正确地反映了路径带宽的变化趋势, 与前面的理论推导基本吻合。同理从Ad Hoc网络部分发起测量的仿真结果, 如图6所示。从仿真结果看, 在不同跳数的情况下, 从Ad Hoc网络部分发起的测量结果与从有线网络部分发起测量结果基本一致, 都能较为准确地测量出网络路径带宽。
综合以上结果, 当有线网络部分的链路带宽远远大于Ad Hoc网络部分的链路带宽时, 混合网络路径带宽基本不受有线网络部分的影响, 不论是从有线网络部分发起测量, 还是从Ad Hoc网络部分发起测量, 在假设的这种基于IEEE 802.11b的多跳混合网络模型中, 基于包对的路径带宽测量技术完全适用, 能够准确、有效地测量出网络路径带宽。
2.3 改进算法的优势
在不同的网络负载情况下, 分别对一跳和三跳混合网络进行路径带宽测量, 比较Ad Hoc Probe算法与改进后的Ad Hoc TP算法测量结果, 如图7和图8所示。
由仿真结果可以清楚地看到, 在测量精度方面, 改进后的TP算法与Ad Hoc Probe算法基本一致, 证明了对算法改进的正确性。图9, 图10分别给出两种算法的测量所需要的数据包和耗时对比。
显而易见, 改进后的算法在保证测量精确度的前提下, 大大缩短了测量路径带宽所需的时间, 并且减少了探测报文的发送数量, 降低了测量算法对网络的干扰。
2.4 性能分析
由Ad Hoc TP算法原理可知, L1很小, 第一个分组传输很快, 可以有效地解决插入背景流的影响, 仅用式 (1) 就可以快速地过滤出正确的样本, 从而缩短了测量周期, 在保证精度的前提下, 能够快速地得到测量结果。在负载较轻时, 仅需要几个分组就能够快速地测量出带宽值, 从而大大提高了效率。在负载很高的情况下, 也能够在一定程度上减少测量报文的个数, 降低测量算法对网络的干扰, 得到正确的结果。
3结语
本文对基于IEEE 802.11b的Ad Hoc网络链路带宽进行了理论分析, 在此基础之上, 深入研究了路径带宽测量技术, 并将以往的纯Ad Hoc网络测量拓展到由Ad Hoc网络与有线网所组成的混合网络测量。不仅通过仿真验证了基于包对的路径带宽测量技术在混合网络测量中的正确性, 还改进了Ad Hoc Probe测量算法, 使得测量更加快速、高效, 同时还减小了对网络的干扰, 通过多个不同场景的仿真验证了算法, 结果表明算法是有效可行的。
参考文献
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[11]SNT.Qual Net Si mulator[EB/OL].[2006-06-14].http://www.qualnet.com.
有线/无线混合网络 篇2
随着Internet的接入的普及和带宽的增加，一方面员工上网的条件得到改善，另一方面也给企业带来更高的网络使用危险性、复杂性和混乱。在IDC对全世界企业网络使用情况的调查中发现，在上班工作时间里非法使用邮件、浏览非法Web网站、进行音乐/电影等BT下载或者在线收看流媒体的员工正在日益增加，令网络管理者头疼不已。据IDC的数据统计，企业中员工30%至40%的上网活动与工作无关。这些员工随意使用网络将导致三个问题：
① 工作效率低下。② 网络性能恶化。
③ 网络违法行为。
企业网作为一个开放的网络系统，运行状况愈来愈复杂。企业的IT管理者如何及时了解网络运行基本状况，并对网络整体状况作出基本的分析，发现可能存在的问题（如病毒、木马造成的网络异常），并进行快速的故障定位，这一切都是对企业网信息安全管理的挑战。
以某一个公司的需求为案例来说，该公司主要需求点为企业无线覆盖以及整体网络实名制上网行为管理。
办公区域的无线覆盖要求办公区域无死角，部署简单，维护容易，扩展方便，同时要求支持多SSID，不同的SSID通过不同的认证策略上网，办公wifi需要员工的账号密码才能登陆，访客wifi 默认为空密码，但需要关注公司微信上网或者通过短信认证上网等。
企业整体网络行为管理需要做到以下几个方面：
流量管理，能够细化控制网络的整体及各个终端的带宽（如设置每个部门或者用户每天或每月所能使用的带宽总额、以及实时带宽速率的控制等）； 详细记录网络中各类上网日志，PC、手机、平板等终端利用公司网络外发的邮件信息、聊天内容（针对内部员工，安装客户端才可实现）、登陆的账号信息（QQ、邮箱等账号）、搜索的关键字信息，各种终端访问的网站、发送的言论、流量日志分析等；
审计过滤，能够针对不同的网站及应用进行阻断审计，上班时间屏蔽购物、电影娱乐、网络游戏等网站，防止上班时间浏览非工作性网站，有效提高工作效率，合理利用公司带宽、能够针对敏感关键字的发帖/搜索等进行阻断与告警，有效规避法律法规、支持针对exe、bat、js等各种后缀的文件下载进行过滤，有效防范网页病毒、挂马等。
结合上述的用户需求以及IT系统的现状，鑫塔科技可以为企业IT部门提供一套完整、可视、智能联动的互联网出口安全解决方案。部署拓扑图如下：
互联网出口上网行为管理：部署鑫塔科技XT6000-AC于互联网出口，针对有线网络终端和用户提供接入认证、权限控制、合规审计；此外，还针对有线/无线的全部用户、关键应用，提供全局统一的带宽控制策略。 智能联动：此外，互联网出口上网行为管理设备还为无线网络提供portal认证功能，以实现微信认证短信认证等多途径的无线认证。将无线上网终端和用户身份信息进行关联，同时能够针对不同的智能终端进行上网权限划分以及行为日志审计，便于后续的报表分析、威胁定位、合规审计等。
此方案中将采用上网行为管理XT6000-AC+无线AP的模式，1—6—11信道交叠，多SSID无线覆盖方式。一般来说，企业部署WIFI主要目的在于解决企业移动办公问题、方便企业网络扩展、以及树立企业形象，为企业员工以及客户提供更多网络访问的便捷。
鑫塔科技为该客户提供的解决方案之亮点：
1、WLAN安全机制
方案中无线网络将采用802.11I/WAP2的加密方式，多SSID设置，各个SSID直接客户端隔离，同时通过行为管理设备网所有的数据通讯可视化，2、WLAN认证机制
常用的认证方有：WEB认证、账号密码认证、微信认证以及短信认证。实际上，微信已成每个智能手机的标配应用了，由于海量的微信用户存在，微信便成为了一个强大的营销平台。微信营销已成为越来越多企业的网络营销首选。
鑫塔WLAN解决方案，将WiFi资源同微信平台关联，访客必须关注商家的微信公共账号才可以享受“免费”的WiFi网络。
通过鑫塔创新的微信认证方式，可以迅速增加企业微信的粉丝数量，从而，企业可以在大量粉丝的基础上，去做微信营销，建立基于微信公共平台的服务。
访客进入公司无线覆盖范围后，自动接入企业访客无线，被定向到指定提示页面，提示顾客关注企业微信号然后即可获取上网权限，访客关注企业微信号即可上网。这样便大大增加了企业的关注度，也便于广告、业务推送和宣传。
同时对于WLAN的运维，鑫塔WLAN能够实时的显示每个接入点AP的接入人数、实时在线用户名等。
短信认证与微信认证类似，访客接入无线后，将弹出手机认证页面，用户输入手机号码并点击获取到验证码后，输入验证码即可上网。
3、让WLAN变得更快速
由于wifi开放给所有用户，自由的网络环境中包含各种杂乱无章的应用流量无法管控。胜鑫塔上网行为管理内置全国最大的应用识别库和URL库，能自动识别无线流量类型，根据终端类型设置相应的流量控制策略。对于高耗流量的风行、迅雷、电驴等P 2 P下载，视频浏览我们可以进行带宽限制，防止此类应用对于带宽的过分抢占，从而保障顾客正常的上网体验。
4、有线无线网络统一上网行为管理
部署了鑫塔科技上网行为管理设备，为可以帮助企业IT部门提供一整套统一的有线、无线网络上网行为管理解决方案。这即满足了安全合规管理的要求，又提升了IT运维效率，还提升了用户上网的操作体验。
5、专业的流量控制
鑫塔科技上网行为管理系统通过多级父子通道技术，能够完全匹配企业组织人员架构和网络应用结构。在经过用户和应用的通道化后，管理员能够给不同通道分配不同带宽。同时，带宽的分配并不是一成不变的。鑫塔科技上网行为管理系统具有动态流控功能，在总体带宽利用率偏低时自动调整策略，有效提升带宽利用率，避免资源浪费。在P2P应用流量控制方面，通过鑫塔科技P2P智能流控技术，能够有效的抑制P2P流量，使得核心业务应用有足够的带宽资源。
6、全面精准的行为审计
有线与无线网络融合解决方案 篇3
目前,在我国智能建筑的通信网络建设中,有线通信占据着主导地位。如家庭与办公环境普遍采用的电话业务是基于电信运营商公用交换电话网络(PSTN)固话系统;因特网宽带上网是基于电信或有线电视运营商的光纤或电缆承载的业务系统。
无线通信,无论是现在或将来,在智能建筑领域都会有广泛的应用。如在下列应用中,就发挥着有线通信不可取代的作用。
(1)宽带无线接入。在有线(含光纤)未接入的区域,利用高效率的无线技术,向用户提供宽带接入的技术。宽带无线接入应用的系统基本采用结合了时分和频分多址OFD-MA技术;
(2) Wi-Fi与WLAN技术。与上述技术有相似之处,一般用于解决楼宇内的覆盖问题,以减少有线网络布线施工的困难;
(3)在较短距离(一般在房间)内的传输,采用蓝牙技术,减少各类线缆布放与设备连接的麻烦;
(4)卫星接入。通常采用Ku或C波段传输设备,解决超远距离传输与公共电信运营商网络覆盖尚未通达地域的特殊需求;
(5)采用基于无线会议系统技术的无线应急背景广播系统,以备在诸如各类自然或不期灾害发生情况下的应急呼叫,便于组织人员有序撤离与疏散等。
无线通信在智能建筑领域其他方面的应用,还可以列举一些。
基于对现状的分析,智能楼宇有必要建立一个通信有序、网络通畅、保障有力的无线指挥调度系统,并实现与有线网络的融合。要实现这个目标,必须要解决有线通信网络与无线通信网络互联互通的一系列技术问题,形成一种性价比优越、工程实施可行的解决方案。实现融合的通信系统,可以承载各种通信业务,包括话音业务、数据业务及图像传输业务等,如图1所示。
2 通信融合实施方案
因地制宜地选用合适规模的有线与无线融合通信模式,是建设经济适用的综合型通信系统的先决条件。在实际工程中,可分别选用以程控交换机为中心的模式和以无线通信平台为中心的模式两个大类。实现通信融合(如图2),互联互通功能的实现可以基于以下几种通信手段。
(1)利用固话,连接到转换控制侧的无线路由,如卫星传输通道、NG/3G传输链路,与程控调度交换机直接连接的话机,或以VoIP的通信方式与现场通信;
(2)通过手机(2G/3G或卫星电话终端)直接拨打转换控制侧设备的无线通信平台,利用无线通信平台的分组、会议、转接等功能,实现与现场的通信;
(3)利用各种短波/超短波电台,通过各种无线覆盖延伸设备,与现场的各种电台(包括车台、手持台等)进行联络,实施与现场的通信。
有线与无线通信融合的方式,可分为以下情况:
2.1 模式1:基于程控交换机技术
基于专用程控交换机系统,实现对公网/专网的接入,以及与现有的无线系统接入,包括常规电台与集群电台,或卫星电话等终端。
有线、无线通信系统间语音通路的连接是实现有线、无线用户间的语音互通,并通过有线通信系统汇接其他系统或网络的用户。语音通路连接可以通过四线音频中继接口(E&M)或数字用户及VoIP接口与无线系统的四线音频接口。同时,可以接收有线用户对按键对讲(PTT)用户终端双音多频(DTMF)或数字信令方式的拨号。在实际工程中,采用如下方式:
(1)有线交换机内置专用四线音频接口方式
通过有线交换机内置的专用四线音频接口,可以直接与无线系统进行音频连接,使有线通信系统的音频连接更加快捷,并可以减少二/四线转换带来的侧音效应;同时,使用E&M线进行PTT的控制。
(2)通过VoIP接口方式
对于远程无线系统的连接可以采用VoIP的方式,通过IP数字用户终端同时传送语音和控制信号,并可以建立双路连接用于音频通道的备份和回馈信号监听。
整合语音通道(E&M接口)的解决方案,在实际工程实施中,要求从各路无线信道机分别输出一路E&M中继线连接到程控交换机,且要求该E&M中继线上只传输语音信号,不包含无线控制信令。
无线集群设备与有线程控交换机通过无线调度台(或E&M中继)方式连接在一起,不需要无线手持机,通过有线固话实现有线、无线系统的融合。
2.2 模式2:无线通信平台技术
无线通信平台由PSTN公网接入模块、无线电台接入模块、IP交换中心模块、网络接入模块、终端接入模块等组成互联互通通信系统。该平台组成框图如图3所示。
平台与各类终端的连接方式为:
(1)与电话互联互通
PSTN是日常办公最重要的通信工具,无线通信平台设置了电话接口。配置若干路用户端FXS的网关,通过局域网和电话互联互通连接,可以按需接入固话,包括无绳电话。这些电话终端通过以下中继方式与市话公网连接。
卫星中继:即通过卫星作为载体通信,其可靠性、稳定性很强,特别是在应急情况下,如地震、冰雪、火灾等,普通通信方式中断,基站倒塌,这时卫星是最可靠的保障手段。
PSTN中继:根据需求提供若干路程控交换机用户电路板FXO接口,就有对应数量的电话线路作为中继。
手机中继:根据需要适当选配2G/3G模块,如GSM模块、CDMA模块或各类3G模块作为中继。
IP中继:即通过IP网络和程控交换机上的分机联系,这种方式对组网、分布式调度、整个平台的扩展非常有利。选用IP中继,则要通过因特网接入运营商的软交换平台。
(2)与无线电台互联互通
无线电台主要是通过无线调度平台互联互通设备上的无线适配器连接,然后利用数字信号处理(DSP)技术把每种电台、电话、手机联系在一起。手持台根据实际需要配置。
3 无线覆盖延伸的解决方案
提供楼宇间、小区间,乃至更大范围内的无线通信手段,无线覆盖的延伸是必须解决的课题。目前面对的情况是,一方面,无线通信需要无线网络覆盖条件的支撑;而另一方面,无线覆盖网的建设、维护需要一定规模的资金投入与相对较长的建设周期。实际工程建设中,可实施的方式是,利用已有的有线与无线网络来解决现场的无线通信网络覆盖不能满足需求的问题。
为解决辖区内无线网络的覆盖,以有线的IP延伸模式或移动运营公网的GSM (或2G/3G)延伸模式,把有线、无线通信的互联互通覆盖到任何需要通信联络的现场。
信息化基础设施,包括无线网络覆盖的建设与维护是一个较为长期与复杂的工作。利用“专网”的有线覆盖与我国移动运营商提供的2G/3G移动公网的无线覆盖,延伸与扩大无线通信网络覆盖,衔接现有各频段(短波、超短波)无线网,连接各个无线子网形成的“孤岛”,不失为一种较好的解决方案。采取这种技术手段,既是着眼于逐步建设与优化现有的专用无线通信覆盖网,也把无线网覆盖的建设与在通信领域不断出现的先进技术,如2G/3G移动通信、VoIP (IP电话)、PoC (建立在移动蜂窝公网上的PTT服务)以及卫星通信、短波通信等技术手段有机结合起来,达到“相互补充,相互促进”的功效。
3.1 利用“专网”的覆盖延伸模式
解决方案:可以采用一些专用的、基于IP技术的、利用有线网络的覆盖延伸设备。此种无线通讯终端网络接入设备,通过先进的语音处理技术和软交换技术可以使不同类型、不同频段的无线对讲机、无线电台等设备无缝接入到IP网络。既可实现远距离的无线对讲通讯,也可实现无线设备与有线设备间的互联互通,方便解决无线网络调度、管理及大范围组网调度中存在的难题,可广泛适用于智能建筑,乃至政法公安、野战部队及武警、铁路交通等其他有无线对讲业务的单位,实现远距离大规模无线组网通信。
3.2 利用移动运营公网的覆盖延伸模式
3.2.1 无线延伸控制器的原理
无线延伸控制器由一个小交换控制模块和公网移动通信模块(一般采用网络覆盖较好的制式如GSM等,也可以是2G/3G其他制式的模块)组成,可以连接两台不同频率的常规电台(或一台常规,一台集群),通过交换控制可实现不同频率电台之间、GSM与电台之间的语音交换。
3.2.2 无线通信网络覆盖的延伸
对于采用短波或超短波的无线通信来说,一般采用单频单工开放对讲方式。原则上,每个无线常规对讲群体在现场各自独立一个信道,对集群系统来说每个群体组成一个独立通话小组。
解决网络覆盖,目前存在如下两个主要问题:
(1)单个群体独立执行任务超出无线网覆盖区后,在没有无线通信转信台等现场支持覆盖的情况下,往往失去与群体内其他成员直接无线通信的能力;
(2)如要面对多个网络与多个方向的通信联络,往往要携带多部无线对讲终端,因而带来行动与操作的不便。
为此,采用基于移动公网的无线延伸控制器,以解决上述两个问题。此类设备一般要求具有DSP数字芯片技术,具有话音侦测、低延迟、语音清晰、可配置拨号/自动接听等特点。该设备的应用连接示例可解决上述覆盖问题,如图4所示。
3.3 利用公网集群的通信方式
对于现场无线通信群组,经常要使用常规或集群对讲设备。目前,模拟网络提供的服务受到各种移动限制,主要表现在受频点限制、覆盖区域受基站和组网方式的影响、网络信号覆盖差、保密性低等。数字集群网络可以有效地解决这些问题,但是建设与维护成本也在很大程度上制约着该技术的应用。
作为无线通信指挥的补充手段,随着IP多媒体技术的发展、无线网络带宽的升级和资费的降低,构建基于移动公网的集群通信系统成为可能。将信息业务网络延伸到个人随身携带的手持或车载终端上,以提升用户便捷通信的手段。
基于移动通信公网的PoC集群通信系统是建立在电信运营商2.5G与3G移动通信网络上的基础承载业务,通过无线数据网提供的高速分组数据业务平台,提供端到端的高质量单工双路的数据话音业务,如图5所示。
有别于传统话音业务,PoC业务可实现基于IP分组数据网络的个人通话(点对点)、群组通话(一对多),开机后永久在线,无须拨号,按键即可对讲,可自如切换个人或群组作为通话对象,可与传统话音业务灵活转换,提高效率,共享资源。
(1)系统特征
PoC系统具有延迟小、性能稳定、功能强大等优点,稳定清晰、简单快捷,软件具有友好的操作界面,通话可以做一般手机用,不影响手机原有的一切功能。
使用广域覆盖的移动数据通信网络,支持各大运营商网络接入,采用专线接入方式,保证数据传输安全,防止窃听及便于管理。
(2)系统功能
企业无线局域网与有线网络一体化 篇4
一、对于虚拟局域网应用的冲突
虚拟局域网有助于企业提高网络安全、提高网络性能。由于物理划分网络工作量大，灵活性差，故现在大部分企业都采用了虚拟局域网的形式来对网络进行逻辑划分。虚拟局域网有很多实现方式，如基于IP地址、基于端口、基于协议等实现方式。不过据笔者了解，基于端口的实现方式相对来说灵活性、实用性更高一点，是企业首选的虚拟局域网实现方式。但是如果采用这种实现方式的话，则在部署企业无线网络时，需要注意，很可能会造成不必要的麻烦。为什么这么说呢?笔者举一个例子大家也许就会明白。
如企业现在划分了多个局域网，财务部门与行政部门分属于不同的局域网。在部署过程中，主要通过基于端口的方式实现。网络管理员把虚拟局域网交换机中端口设置为三个局域网。假设端口1到端口5虚拟局域网甲规行政等部门使用。端口6到7为虚拟局域网乙归财务部门使用。端口8到10为虚拟局域网丙归研发部门使用。现在在会议室中部署了一个无线路由器，其是连接在虚拟局域网甲上的。此时假设财务经理要在会议室开会，他把他的带有无线上网功能的笔记本拿到会议室，此时他通过会议室的无线路由器连接到的是虚拟局域网乙，即行政部门所在的虚拟局域网。此时财务经理就无法访问自己财务部门的虚拟局域网。也就是说，无线局域网的采用可能会对以前设置的虚拟局域网产生冲突。
遇到这种情况该如何处理呢?此时网络管理员可以添加无线路由器的方式来处理。即在财务部门中也设置一个无线路由器，其连接到的是财务部门所在的虚拟局域网。然后为各个无线路由器设置不同的密码。如此的话，财务经理无论走到哪个办公室，都只能够通过自己办公室的无线路由器连接网络。但是这有一个缺陷，即无线路由器信号强弱的变化。我们都知道，一个办公室若隔音措施做的比较好的话，则其无线路由器的信号就不能够传递到外面。而且无线路由器信号也随着距离的不同而有强弱。故为不同的局域网分别设置不同的无线路由器只适用于开发型的办公室。对于密闭型的办公室或者分布在不同楼宇的办公室不怎么适用。
另外就是变更现有虚拟局域网的实现方式。如可以把基于端口的实现方式设置为基于IP地址或者MAC地址的实现方式。如此的话，无论财务经理通过什么方式、无论在什么地方连接到企业网络，只要其IP地址或者MAC地址不变的话，则其所连接的虚拟局域网都不会改变。那么财务经理就能够正常访问自己的网络。如当财务经理来到会议室，虽然是通过会议室的无线路由器进行网络访问，
他在向虚拟局域网交换机递交连接请求时，交换机会根据财务经理电脑的IP地址或者MAC地址来判断他应该属于哪个局域网，然后帮他转接过去。并不会因为位置不同，而更换连接的虚拟局域网。不过这也会增加虚拟局域网的管理负担。如财务经理的电脑坏了或者无线网卡坏了，则换过设备之后就需要调整局域网交换机的设置，更改MAC地址等等。
所以说，企业采用无线局域网之后会于虚拟局域网应用产生冲突。鱼与熊掌难于兼得。网络管理员在部署无线网络时，如果企业以前已经有虚拟局域网了，则就需要根据自己的管理习惯以及企业的网络规划，选择合适的解决冲突的方式。
二、对有线网络的安全性规划提出挑战
采用无线网络技术之后，也会对企业现有的网络安全规划提出挑战。如企业现在正在通过虚拟局域网来提高网络的安全性。为了保障研发部门资料的安全，特意为研发部门设置了一个虚拟局域网。其他部门不能够访问研发部门的网络，而研发部门则可以访问企业网络的全部资源。此时如果在研发部门部署一个无线网络，会造成哪些安全漏洞呢?
一是非法用户如果知道无线路由器连接的账号，则可以在无线路由器信号覆盖的范围之内，连入到研发部门所在的局域网，进行资料窃取或者其他的一些破坏活动。无线信号没有物理线路的限制，为此只需要知道无线连接的用户名与密码(有些网络管理员甚至不会给无线路由器设置密码)，就可以做到。而如果不采用无线网络的话，则必须要把电脑拿到他们的办公区域、然后插上网线才行。可见后者的安全性要高的多。
二是传输信号的安全。在以太网技术中，如果对于传输的内容没有加密，则就可以通过侦听等手段获取传输的内容。为此在无线技术中，如果对于无线信号没有采用加密处理的话，则其他无线用户就可以通过侦听的手段，获取这个用户传输的内容。这无疑也是对企业现有网络安全设计的一个挑战。
那么该如何解决这些问题呢?笔者给各位网络管理员提下面几个建议。
1、对于安全性要求比较高的部门，最好不要部署无线路由器。如对于研发部门，可能是企业重点保护的部门。为了他们部门信息的安全，最好不要部署无线路由器。因为便利与安全要做出选择的话，我们往往会选择安全。毕竟若这些 露的话，可能对企业会造成致命的打击。
2、要重新调整企业有线网络的安全规划，把无线网络也考虑进去。如根据企业的安全性级别的不同，给无线网络传输也设置一定的加密级别。让其无线信号也是经过加密后才传输。另外，对于无线连接也最好设置密码，防止未经授权的用户通过无线路由器进行越权访问。特别是那些企业中原先部署了虚拟局域网的网络管理员，特别需要注意这一点。否则的话，很有可能被人家占了这个空子，连入到不允许访问的虚拟局域网中。
有线与无线网络的对比与发展趋势 篇5
1 带宽
带宽是我们评价局域网的重要性能指标之一,称为KPI(Key Performance Indicator),扩展带宽也就是扩展信号所占据的频带宽度,提高数据的吞吐量、提高处理数据速度的能力。
1.1 有线与无线带宽比较
从一般用户角度上看,对于使用无线或是有线,主要考虑的是价格、网络的速度、信号的强弱及设备等。
成本方面,我国无线上网就是通过移动或者联通提供的无限网络,通常通过无线上网有很多种,但总体比有线的贵一点,但有线局域网的工程量非常大,开通前必须架设电缆,一般还需要网络结点设备,比如HUB集线器、交换机或者路由器等,以实现更多电脑的互联;而无线扩频的投资是相当节省的,带宽方面有线目前可以达到8Mb,慢的也有512kb的带宽。信号方面当然是无线的差一点,但无线上网的方便性日显突出。
速度方面,第一代无线网络的带宽1～2Mb(即采用802.11),与通过家庭有线高速互联网下载速度一样,使用Wi-Fi(即IEEE802.11b)标准使得无线局域网产品的工作速度达到11Mbps,一般公司业务也都能达到10Mb以上,这样的速度完全能够满足日常商业的需要。被称为802.11a的新标准将支持更高的无线访问速度,其比现在快4倍的速度可以支持电视会议、互联网电话以及更多的宽带交互式应用,甚至可以通过无线方式进行图形的设计工作[2]。
1.2 带宽的研发趋势
在北美地区,电信业竞争激烈,由于地广人稀、部署有线网络的成本太高,进行三网合一的建设是有基础的。在此方面加拿大走在美国之前,其第二大的IPTV运营商Sasktel在ADSL网络中开通了IPTV业务;另一家公司Telus于2008年全面提供集电视、电话、有线网络、无线网络一体的服务,目前为普通用户提供的下载速度可达6.0Mbps[3]。由于拥有足够的带宽,使提供带宽用量大的业务成为可能。未来几年内,Telus计划将进入用户家庭的带宽提升12倍,达到每秒100MB[4]。
按照国际电联的定义,第三代移动通信系统的发展不仅要解决人们对于数据传输要求的增加,而且在带宽方面要远远高于2G:为车载用户提供144Kbps、为行人提供384Kbps、为室内用户提供高达2Mbps的传输速率[5]。第三代移动通信的主流技术标准主要有三种:一是IMT-2000 CDMA-DS(IMT-2000直接扩频CDMA),即WCDMA,它可以在一个宽达5MHz的频带内直接对信号进行扩频;二是IMT-2000CDMA-MC(IMT-2000多载波CDMA),即CDMA2000,这是美国提出的技术,它是由1个或多个1.25MHz的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统;三是TD-SCDMA(时分同步码分多址),是由中国提出的,是CDMATDD标准的一员[6],按照Wimax(即802.16)的商用计划,可实现在城域网范围内的可移动的宽带无线数据服务。在城域网的范围内,用户无须购置新的终端,仅用集成802.16功能的笔记本电脑,就可以60km/小时以上的移动速度,不间断地享用高于3G十倍以上的速率而构成的宽带精彩内容服务[7]。
3G采用的主要是蜂窝组网,4G将突破这个概念,发展以数字广带(Broad band)为基础的网络,成为一个集无线LAN和基站宽带网络的混合网络。专家预估,第四代移动通信系统可以达到10Mbps至20Mbps[5,8]。
带宽问题的解决与网络速度的提高,是无线网络的发展基础,今天的无线局域网的数据吞吐量可以匹配甚至超过有线局域网。
2 安全
在网络当中的另一个关键指标就是网络的安全性。安全性是无论无线网络还是有线网络都必需面队和解决的一个重要问题。IT产业界均知道无线局域网有着可致使网络瘫痪的弱点,传统的WEP加密很容易遭到黑客的攻击。因此安全问题的关键是如何通过有效的身份确认和授权来保护网络免遭恶意攻击。
2.1 有线与无线安全性比较
有线和无线网络在安全性方面的考虑是很不一样的,虽然有相似之处但各自都有各自的优势和不足。
在有线网络中,用户必须有能够访问的物理线路或接线器。其次,有线网络中网卡必须连接在网络上。第三,有线网络中有用户身份认证的问题,大多数网络要求用户使用密码、信令或两者结合进行身份认证;而在无线网络中,这些问题一开始在第一个无线安全标准(即WEP)中是被忽略的。第四,防火墙是有线网络主要的安全考虑,有线局域网的任何到互联网连接,都要考虑防火墙,但有线以太网集线器和交换机不支持防火墙,只有宽带路由器提供相当于内置防火墙功能和配置,通过自己的软件进行安全防护;防火墙软件等产品的ZoneAlarm可以安装在电脑本身。
在无线网络中,由于无线扩频通信中由于其本身就起源于军事上的防窃听(Anti-Jamming)技术,所以无线局域网从一开始它就设计成抗噪音、干扰、阻塞和未授权检测,网络的保密性好;而有线链路沿线均可能遭搭线窃听,因而要采用诸如银行墙内布线均要保密等其他管理措施。其次,无线用户具有流动性,他们可能在一次上网时间内由一个接人点移动至另一个接人点,与之对应,他们进行网络通信所使用的跳频序列也会发生变化,这使得窃听有很大的难度。第三,无线接人点会过滤那些对相关无线站点而言毫无用处的网络数据,这就意味着大部分有线网络数据根本不会以电波的形式发射出去;也就是说无线网的节点和接入点有个与环境有关的转发范围限制,这个范围一般是几英尺。这使得窃听者必须处于节点或接人点的附近。第四,无线网的站点上使用口令控制,由于无线局域网的用户要包括移动用户,而移动用户倾向于把他们的笔记本电脑移来移去,因此,严格的口令策略等于增加了一个安全级别,它有助于确认网站是否正被合法的用户使用。第五,网络中最高级别的安全措施就是在网络整体上使用加密产品,数据包中的数据在发送到局域网之前要用软件或硬件的方法进行加密,WLAN赞成使用第三方加密软件[7]。
2.2 有线与无线安全的使用趋势
无线网络在国外高等教育中的应用发展非常快,尤其是在北美和欧洲的部分国家,根据美国EDUCAUSE应用研究中心的2002报告,美、加的无线局域网络的建设早于上世纪九十年代末,2000至2002年四分之三的高等院校有自己的试验项目,目前校园都有有线、无线接入服务,学生使用同一账号登录且无需再交使用费用[8]。在我国,从2005年年底开始,各高校基本部署了无线局域网,面临的问题将是如何在带来更便利的网络访问的同时提高安全的网络访问。校园网是一个开放式的网络,面向所有在校园学习、工作和访问的用户,因此如何处理便利性和安全性也是一个很复杂的问题。由于无线网络建设初期,无线网络的安全技术尚未成熟,因此无线局域网在大部分地区没有安全控制,只是在校园网出口路由利用自主开发的IP控制网关控制是否可以访问Internet;在一些需要适度安全的区域,采用了WEP 64/128加密方式;在一些特定需要安全保护的应用,建议用户使用Firewall/VPN方式访问。
从理论上说,整体上讲,无线局域网的安全性比有线局域网较低,毕竟无线通讯信号穿过空气和可以截获。无线局域网的安全性是IT产业的应用的关键,如果安全问题得不到有效的解决,就有可能导致网络瘫痪。现在安全方面的问题出现的少了是因为我们有了政府级的WPA2(与802.11i)加密,它的安全水平至少相当于有线网络安全的水平。在北美地区目前安全基于标准的安全性包括[10]:
1)802.11i包括AES加密选项,WPA(Wi–Fi访问协议)和WPA2;
2)802.1X有多种可扩展身份验证协议(EAP)类型,包括可保护的EAP(PEAP),EAP属于传输层安全(EAP-TLS),同时具有隧道TLS(EAP-TLLS),凭借安全隧道(EAP-Fast)和Cisco LEAP,EAP有灵活的认证机制;
3)VPN的终端(IP安全[IPSec]和第2层隧道协议(L2TP);
4)检测和控制非法接入点;
5)使用个人虚拟局域网(VLANs)进行客户访问管理的安全具有独立的加密和认证机制,为每个用户提供过滤和优先级队列;
6)不间断监测和分析,实时响应安全威胁。
基于上述安全,当我们在北美的机场、电器商店、大学住宅区等有效范围,都可以直接登录无线网络而无需再进行书面登记。
有线网络布线繁琐、安装成本高、维护成本高、移动性非常低效、扩充性较弱等缺点,使得有线网络在一些特定的环境中使用受限,而无线网络由于不需要布设线缆和无线网络本身的许多特征、安装成本非常低廉、易于扩充都使得人们对网路的建设趋向于无线网络,但其可靠性、安全性、带宽、设备成本以及QOS的质量保障等问题仍然有待于提高和解决。
参考文献
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[5]关于第四代移动通信系统的浅析[J].中国3G信息网,2008,10,14.
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有线/无线混合网络 篇6
进入21世纪以来, 现场总线技术异军突起。现场总线使得现场仪表之间、现场仪表和控制室设备之间构成网络互连系统, 实现全数字化、双向、多变量数字通信, 改变过去长时间运用的4-20m A的模拟信号标准, 这就为整个工控系统全数字化运行奠定了基础。现场总线的另一优点是控制功能下载, 控制功能基本上由智能化的现场仪表来承担:控制功能分散得比较彻底, 加上全数字化就有可能组成大型的开放式系统, 进而实现从决策层到设备层综合管理和控制。特别是, 随着计算机技术、网络技术以及控制理论的发展, 工业无线技术作为一种新兴的面向设备间信息交互的无线通信技术, 适合在恶劣的工业现场环境使用, 具有抗干扰能力强、能耗低、通信实时性好等技术特征。如何从有线/无线异构网络的集成架构入手, 分析异构网络网段间实时通信在中继和网关中的基本通信机制, 构建有线网络与无线网络相互集成的异构网络控制系统已逐渐成为一些特殊工业应用领域的必然发展趋势。
目前工业 自动化领 域运用的 无线技术 主要集中 在WLAN、Blue Tooth以及Zig Bee三种上。传统的IEEE802.11无线通信网络是面向办公环境而设计的, 其物理层的传输机制, 如WLAN的直接序列扩频技术传送速率高, 适合于高速大数据吞吐量的网络应用, 耗能也高, 抗干扰性不好, 不适于许多工业控制应用节点的使用, 必须在物理层、MAC层以及协议模型方面改进 , 以提供可靠的实时服务 ;Bluetooth的调频扩频机制对上述问题改进不明显, 且每一cell中的节点数量仅为7个 , 只能适合于某些特殊的工业应用 ;而IEEE 802.15.4技术在短距离、小数据量的无线传感网络应用中具有很好的优势和发展前景, 但在苛刻的流程工业环境应用中, 网络协议需要作一定改进, 以降低空间反射、频率干扰等带来的延迟和丢包问题。新一代短距离无线数字传输技术是宽带线性调频扩频, 又简称为切普扩频, 该调制方法综合了FSK、PSK和ASK三种方法的优点, 能十分有效地抑制工业环境中各种噪音和多径干扰。
1 有线/无线多协议转换架构
为了考虑当前有线现场总线/工业以太网为主的现状, 又兼顾了与无线网络前沿技术的无缝连接, 本文主要研究一种基于IEEE802.15.4a的工业无线网络引入Device Net现场总线和MODBUS/TCP工业以太网的多协议网关及协议转换方法, 旨在实现一种符合工业实时要求和开放数据通信的有线/无线异构控制网络网关, 构建具有通用性的协议转换机制, 使得现场带有线或无线网络接口的传感器、变送器和执行器等智能设备能够接入统一的系统协议构架内, 为实现企业综合自动化奠定基础。其有线/无线多协议网关组成结构如图1所示。
图1是基于IEEE802.15.4a的工业无线网络接 入MODBUS/TCP工业以太网和Device Net现场总线的多协议网关, 主要包括微处理器、IEEE802.15.4a无线主站、MODBUS/TCP从站、Device Net从站、外 扩SDRAM存储器和FLASH存储器、RJ45网口、CAN接口电路、USB接口。IEEE802.15.4a无线主站 实现IEEE802.15.4a无线协议 , 由MODBUS/TCP主站实现MODBUS/TCP协议 , 由Device Net从站实现Device Net协议, 由微处理器实现所述三种网络之间的协议转换。具体转换流程如下:
在无线主站模块正常工作前, 需要对无线协议芯片进行初始化, 包括初始化微处理器的SPI接口, 然后复位无线协议芯片。发送大小端同步字, 同时使能芯片内部时钟, 配置寄存器的访问方式, 设定数据的重发机制, 使能接收/发送中断等。最后启动无线芯片, 使主站开始正常运行;在MODBUS/TCP以太网从站模块正常工作前, 需要对其进行初始化, 包括初始化微处理器的EMAC接口, 然后复位以太网物理接口芯片, 配置模式控制寄存器, 使能EMAC的接收/发送中断, 使MODBUS/TCP主站模块正常工作 ;而Device Net从站接口在上电之后还处于离线状态, 不能接收任何报文, 为了实现Device Net波特率快速识别、优化中继报文收发机制等正常运行, 在CPU单元中固化波特率自动检测流程图、信息发送流程图、信息接收流程图、中断响应流程图, 以组成中继报文收发机制。无线主站轮询与协议转换步骤为:1) 无线主站收到报文, 判断报文目标地址是否在同一网络中, 若是, 直接下发报文进行操作;若否, 无线主站则轮询无线网络子节点, 更新数据副本区;2) 无线主站轮询MODBUS/TCP主站, 若MODBUS/TCP主站未收到报文, 轮询MODBUS/TCP子节点, 更新数据副本区, 转到步骤5) 继续;若MODBUS/TCP主站收到报文, 获取网络源地址与目标地址, 等待地址转换;3) 读微处理器中地址转换映射区内的结构体数组, 根据数组内容进行对应的转换;4) 地址转换完成后, 无线主站判断报文性质:1若是普通报文:对MODBUS/TCP主站的输入/输出数据副本区进行操作, 返回报文响应。在下一个轮询周期内, MODBUS/TCP主站输入区内数据将被写入子节点, MODBUS/TCP主站输出区内数据将被更新;2若是紧急报文:MODBUS/TCP主站直接对子节点进行相应操作, 返回报文 响应 ;5) MODBUS/TCP主站轮询Device Net从站 , 若Device Net从站未收到报文 , 不进行任何操作; 若Device Net从站收到报文, 根据报文内容对双口RAM进行相应操作 , 双口RAM中的数据将根据Device Net主站对从站的 轮询时间 进行随时 更新;6) 无线主站轮询结束。
2 协议转换装置主要硬件设计
设计中系统采用的核心处理器是AT91RM9200微处理器, 它支持SDRAM、SRAM、Burst Flash和Compact Flash、Smart Media以及MAND Flash的无缝连 接 , 集成有以太 网控制器ENC28J60, 该芯片的 工作电压 有两种 :1.65V-1.95V与1.65V-3.6V, 分别由LM1086-3.3V与LM1117-1.8V电源芯片提供。
2.1 电源系统设计
电源系统是整个装置的关键点, 关乎整个系统稳定运行的基本保证。考虑设计应用的工业现场环境以及系统的功耗, 采用24V、3A的稳压直流源, 采用LM2576-5V的电源芯片, 其电压输出为5V, 最大输出为3A, 效率是75%-80%。电源系统的电路图如图3所示。
2.2无线接口功能设计
微处理器通过SPI总线与无线协议模块连接, 形成一个无线主站模块, 实现无线网络与无线子节点的互联。无线协议模块Nano PAN5360通过SPI串行外部总线与通用I/O模块地板相连接, 构成了完成的无线网络节点装置。无线协议模块可以采用以无线协议芯片为基础的开发模块, 以缩短节点的开发周期并同时保证节点通信的可靠性。
2.3 以太网的功能设计
EMAC是OSI参考模型MAC子层的物理实现 , 介于物理层与逻辑链路层之间, 以IEEE802.3u数据帧格式控制着主机与PHY之间的数据交换。EMAC为逻辑, 传输和接受的DMA控制提供了FIFO缓冲区, 此外, 还为物理层管理提供了MDIO/MDC接口。以太网接口电路主要由MAC控制器和物理层接口两大部分构成。在设计中, 使用的DM9161作为以太网的物理层接口。如图4所示。
2.4 SPC3 的 RS485 接口电路
DP从站采用RS485串行通信方式 , 分别连接SPC3的4个引脚 :XCTS、RTS、TXD和RXD, 数据传输在RS485工作模式下完成。为提高系统的抗干扰性, 接口部分要在电气上隔离。从站电路中隔离电源采用DCP010505。RS485总线驱动一侧与总线连接, 另一侧通过光耦合器与SPC3连接, 设计采用的光耦合为HCPL0601系列。同时总线驱动芯片选用了高速总线收发器SN75176B。具体电路见图5所示。
3 总结
本文主要 工作是使 有线无线 异构网络 实现互联 , 通过分析Device Net现场总线和MODBUS/TCP和IEEE8021.15.4a无线网络 协议标准 , 提出了一 种多协议 转换模型 与方法 , 实现了Device Net、Modbus/TCP工业以太网和IEEE8021.15.4a无线网络之间的互联。该系统中存在两个主站, 既可以同时作为主站独立并行工作, 两主站之间能够对等地访问对方的从节点, 同时又可以配置为主从关系。
摘要：本文研究一种DeviceNet、Modbus/TCP以及IEEE8021.15.4a无线网络异构互联的多协议网关, 构建具有通用性的协议转换机制, 为一些特殊工业领域应用奠定基础。
关键词：协议转换,网关,DeviceNet,Modbus
参考文献
[1]王军, 王宏, 徐皑冬, 周侗.基于EPA的无线与有线网段的集成方案研究[J].计算机工程, 2006, 14:236-238.
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[5]吴虹岑, 付蔚.基于EPA控制网络的Zig Bee无线接入研究与实现[J].工业控制计算机, 2007, 20 (11) :3-4+6.
有线/无线混合网络 篇7
全球IP数据流量的激增为通信基础设施设备提供商带来挑战和机遇, 未来四年, 全球仅在无线接入网基站方面的支出预计将达到1 9 7 0亿美元。选择整个I P通信系统的核心部件——通信处理器, 成为设备提供商们展开竞争的关键因素, 通信处理器及其架构的选择决定了未来IP通信市场起跑线的位置。
飞思卡尔半导体在1989年推出业界首款多协议微处理器, 进入了通信处理器市场之后, 长期位居这一市场的领导地位, 其产品线的覆盖广度及深度均鲜有竞争者企及。
据Gartner最近发布的排名, 2010年飞思卡尔半导体扩展了其在有线和无线通信处理器市场的领导地位, 占有53%的市场份额, 而且比第二名高出超过40%, 其中以多核QorIQ为代表的一系列产品的迅速采用在其扩展领导地位方面起到了关键作用。这一方面是实力的体现, 另一方面也是多年积累的结果。在可预见的未来, 通信处理器市场将受益于有线和无线市场的爆发, 现在的领先者将更容易扩大优势, 因而很大程度上就代表了未来。对有线和无线网络中各个环节的设备供应商来说, 与核心部件的市场、技术领先者合作才是通往成功未来的捷径。
有线/无线混合网络 篇8
2011年3月正式上市的飞思卡尔的MPC8309处理器,将MPC830x PowerQUICCⅡPro处理器系列的应用范围进一步扩展到入门级工业和网络应用,在批发价格低于10美元的范围内提供了最高的性能水平。
飞思卡尔基于QorIQP1020处理器的解决方案,集成了飞思卡尔的VortiQa安全应用软件、D2Technologies公司的嵌入式vPortVoIP软件以及GreenHills Software公司的虚拟化支持,以融合更多其他业务。这一解决方案旨在帮助原始设备厂商(OEM)加快和简化MSBG设备的开发,该解决方案还与P1020和其他QorIQ产品配合,作为一个参考设计用于大量的其他应用中,如统一威胁管理(UTM)设备、安全路由器、IPS/IDS设备、VPN路由器和安全交换机等。这种灵活性帮助扩展研发价值并缩短面市时间。由于QorIQ系列范围从单核到多核,因此该解决方案满足了大量的性能和能效要求。
有线/无线混合网络 篇9
21 世纪以来随着通信技术的不断发展, 社会经济发展水平与人们的生活品质也在不断提高。据全球移动通信系统联盟[1] (GSMA, Global System for Mobile Communications Alliance) 报告, 到2020 年移动互联网用户总数将达到38 亿, 大约占据未来一半的全球人口。智能手机、平板电脑等终端的快速普及也带来了数量庞大的用户群体, 随着接入终端以及业务类型的增加, 为了尽可能的覆盖所有用户对象并保障网络性能, 需要在小区中实现异构蜂窝网络的部署。异构蜂窝网络[2]的关键思想是在宏基站小区覆盖范围内加入多个低发射功率小基站, 这些基站拥有较小的发射功率和物理大小, 通过这种方式可以增加一个地区的小区数, 提高单位面积的频谱效率, 这样就增加了蜂窝网络的系统容量, 并且降低了宏基站的负载。当前无线业务需求以指数快速增长, 这就要求了蜂窝系统的不断扩容。宏基站较大的发射功率和物理大小以及能安装的地理位置限制, 导致存在一些地理区域的信号强度很小, 甚至出现中断。各种小基站的覆盖和扩展能够以非常低的成本完成对整个区域的无缝覆盖。
日益增多的小基站给用户带来更加完善接入, 同时也带来另外的问题。大量小基站的密集部署, 使得连接基站和核心网的移动回传网络结构趋于多层次和复杂化。如何连接小基站到核心网以及蜂窝小区回传网络部署的目标是什么, 这些都是在异构蜂窝网络规划中首先要考虑的问题。移动回传网络作为移动网络中重要的组成, 一旦失效或者故障将会影响大量用户的正常通信。因此在研究未来小基站密集部署的环境下, 如何对无线回传网络的部署进行合理规划具有重要的研究意义。这类网络规划问题一般从保障可靠性[3]的规划目标出发, 通常这类网络规划都规约为NP-complete[4]问题。因此, 设计出高效的网络规划算法是问题的关键。本文提出一种全新的以可靠性和能效为规划目标的网络规划模型。下面详细描述所提出的问题, 并在后续的仿真中将所提遗传算法与其他可行的算法进行对比研究。
1 系统模型
回传网络的连接方式一般有有线光纤连接和毫米波、微波无线连接方式, 本问题的场景图如Fig.2所示, 宏基站利用光纤实现有线回传, 小基站与宏基站之间利用无线回传方式连接。在一个宏基站小区内的无线回传网络定义为有向图, 其中包括有光纤回程的宏基站 (编号为0) , 还有n个通过无线链路回程的小基站 (编号为1, 2, …, n, 组成点集U) 。整个宏基站小区拓扑的邻接矩阵为。这里假设回传网络拓扑的形式为树形结构, 这也是回传网络最常见的拓扑结构。
对于参与规划基站, 需要满足一定的约束条件, 是基站k设计的上行峰值速率, 是基站k设计的下行峰值速率, 假设已知网络拓扑为树形的情况下, 我们通过遍历拓扑可以知道基站i和j之间需要的上下行容量。
如果使用毫米波作为无线回传链路传输介质, 其路损值很大。对于接收机来说, 应该有一个接收最低信噪比来保证信道容量, 对于发射机来说, 其发射功率具有最高上限。这些限制条件表示如下:
其中, 是需要的回传链路容量, B是回传链路的带宽, SNRmin是接收机的最低接收信噪比, 是发射机的发射功率, 是路损增益, 是基底白噪声。
基站的发射功率有上限Pmax, 应满足
其中是基站发射给基站i的发射功率
基站的能耗[5]计算如下:
其中是发射机的功率放大因子, 是基站的电路以及制冷等功耗常量
无线网络的可靠度计算与有线网络是不同的, 因为在这种情形下, 只有基站节点存在而没有实际连接线路。因此, 基站k的回程可靠度可以表达成, 其中是基站的回程路径上第i个节点的可靠度, 是基站k回程链路上所有节点的集合
根据上面的分析, 无线回程网络部署问题可以建模为:
说明:
C1:说明基站i和j之间存在链路, 否则表示没有链路
C2, C3:树形结构存在n个基站, 就有2 (n-1) 个相连, 这两个条件, 保证了拓扑形状
C4:保住了除了宏基站外每个基站的最大连接数
C5:考虑到网络传播的延时, 因此设置最大跳数上限
C6:基站的发射功率有上限值, 保证发射的功率之和小于该值
为了既考虑可靠性和吞吐量的重要性, 又考虑了能耗, 定义目标函数
其中, 分子利用可靠性表示蜂窝小区内总吞吐量的期望值。分母表示的是小区内所有基站的能耗, 因此整个目标函数代表的就是小区的能效值。
2 遗传算法概述
遗传算法[6,7]是20 世纪70 年代由密歇根大学的John Holland提出的, 它的主要思想基于达尔文的适者生存, 可以把遗传算法看做生物的进化过程, 首先对问题所求的解进行编码, 这些编码即是个体的染色体基因, 将求解空间表示成由各种染色体个体组成的种群。针对种群进行一系列自然选择, 交叉, 变异操作, 经过一代代的进化, 逐步提高种群个体的适应值, 最终获得符合要求的解。
2.1遗传算法的求解流程
2.1.1问题解的编码
编码是设计遗传算法的第一步, 也是极为重要的一步。在应用过程中, 编码方式大致可分为三类:二进制编码, 浮点数编码, 符号编码。在本文的问题中, 采用符号编码方式获得较低维度的解编码。
2.1.2适应度函数
遗传算法搜索就是根据适应度函数值来对染色体进行评估。在很多遗传算子的操作中会用到适应度值。适应度函数通常都是算法的目标函数, 或者与目标函数有关。适应度函数值愈大表示该个体的适应程度愈好, 被遗传到下一代的可能性更高。
2.1.3 遗传算子
遗传操作通常有三种:选择, 交叉, 变异。通过这三种算子的操作保证进化的下一代的个体携带更加优良的基因编码, 更加接近问题的最优解。具体的操作过程如下所述:
(1) 选择算子
选择算子[8]体现进化过程中自然选择的特点, 把当前代种群的优秀个体保存到下一代中。同时, 淘汰了种群中适应度差的个体, 选择算子根据适应度函数值执行选择操作。以下是经常用到的选择算子操作方法:
轮盘赌算法, 该方法求出个体与所有个体适应度值之和的比值, 把该比值作为选择该个体的概率, 通过若干次 (次数等于总的个体数) 的轮盘随机选择, 选出下一代种群的个体。假设种群规模为M, 种群个体的适应度函数值分别是那么个体I的选择概率是
最佳个体保存法, 这种方法将群体中适应度高的个体直接保存到下一代种群中, 这样操作可以保证交叉和变异不会破坏适应函数值较高的个体。
(2) 交叉算子
交叉算子[8]是指把父代个体的染色体对应的基因进行交换或者覆盖操作以便获取基因重组, 然后能获得子代的新的染色体。单点交叉是常见的交叉算子, 当使用二进制编码时, 单点交叉操作如下图所示:
(3) 变异算子
变异算子[8]在遗传算法中相当重要。前面提及的交叉算子的主要作用是用来生成新的子代个体, 这样交叉算子可以保证遗传算法在整个种群中的搜索能力。当采用二进制编码时, 其具体操作如下图所示:
2.1.4 终止条件
遗传算法需要预先设定终止条件来判断进化过程是否结束。终止条件可以可以设定为种群的平均适应度值或者最优的适应度函数值的变化幅度, 例如0.01, 0.001 等, 也可以设定为种群的最大进化代数。
3 无线回传网络部署问题的遗传算法设计
遗传算法可以有效地解决大部分最优化问题, 但是在某些情况下, 标准的遗传算法容易出现早熟, 局部搜索能力差等问题。在上述模型中, 约束条件首先要求保证所有解对应的是树形拓扑, 并且含有树的度约束和高度约束条件, 还要符合发射功率的限制条件。这些的约束条件对于遗传算法的应用带来了很大的挑战, 如何合理处理约束条件, 在可行解域提高搜索效率并且保证搜索的健壮性是求解这个问题的关键。有些学者提出了混合遗传算法, 比如将爬山法, 模拟退火算法等加入到遗传算法的某一步骤中, 这种与遗传算法的互补结合来解决约束条件显示出比标准遗传算法更优越的性能。
3.1 基于Prüfer的编码
Cayley定理[9]告诉我们有n个顶点的完全图, 它的生成树有个。Prüfer[9]对n-2 个1~n的数的排列与树的一一对应关系给出了结构化的证明。每一组Prüfer数都对应着独一无二的一棵树。因此, 再进行交叉, 变异这些遗传算子操作时, 所得到的还是一棵树, 在不考虑其他约束条件 (例如, 度的限制, 高度的限制等) 不会产生不可行解。
从树到Prüfer的编码过程如下:
Step1) 对树T的n个节点进行编码
Step 2) 选择树T中编号最小的叶子节点i, 写出与它相连的节点j.把j的编号作为编码的第一位, 这里是从左往右进行编码
Step3) 删除节点i以及与i相连的边
Step4) 重复上述操作直到只有一条边为止
从以上树T的Prüfer数 (编码) 知, 树T中顶点i的度等于i在树T的Prüfer数中出现的次数加一。下图是一个编码Prüfer数的例子, 这棵树T所对于的Prüfer数P= (6 6 5 5 1) 。首先顶点2 是最小的叶子, 顶点6 和2 相连, 这样6 是Prüfer数中第一个数;然后从T中删除点2 和边 (2, 6) , 重复这一过程直到剩下边 (1, 7)
从Prüfer到树的解码过程:
Step 1) P是原始的Prüfer序列码, 是没有出现在Prüfer序列码中的节点的集合。
Step 2) 假设j是中编号最小所对应的节点, k是P中最左边编号所对应的节点, 将j和k相连, 并将其在所在集合中删去。重复操作直到P集合中没有编码。
Step 3) 如果没有编码在P集合中, 应该在中还有两个点集r和s, 并将r和s相连接, 这样就构成了n-1 条边的树。
运用以上的步骤将Prüfer数P= (6 6 5 5 1) 解码成上图的一棵树。因为顶点2, 3, 4 和7 不包括在P中, 因此= (2 3 4 7) , 注意到中最小的数字是2, P中最左边的数字是6, 因而把变 (2, 6) 添加到树中。同时从中删除点2, P中删除6, 这样剩下的P= (6 5 5 1) , = (3 4 7) 。重复以上过程直到P为空, 最好把中剩余的1 和7 作为边 (1, 7) 加到树中就构成了上图。
3.2 适应度函数
遗传算法求解非约束型问题的求解应用广泛, 但是对于本文问题中的约束条件处理存在一定的难度。等式约束条件由于编码方式的选择已经得到了保证, 关键在于不等式约束条件的处理, 常见的对约束条件的处理, 有罚函数法, 对不可行解的拒绝策略, 对遗传算子进行改进从而将不可行解转变为可行解。通常采用罚函数的方法, 该方法将背离约束条件的程度用罚函数来表示, 将其加到适应度函数后面, 从而将有约束问题转化为无约束问题。在本章所提的模型当中, 约束条件 (4) (5) (6) 有很多, 而且树形拓扑的约束条件很难选择合适的罚函数对约束背离程度进行合理的度量, 这也是罚函数法处理多约束最优化问题的局限性。第一种方式, 对不可行解的拒绝策略等减少了种群的多样性, 这样不利于算法的全局搜索, 容易出现早熟现象。第二种处理方式, 改进算子增加了算法的不确定性, 而且改进算子的单一化也容易导致算法搜索方向的单一性。为了将遗传算法合理地应用到本章的问题当中, 结合模拟退火算法, 提出一种退火函数, 将其添加到适应度函数当中, 通过模拟退火方式[7]来自动调节不可行解的惩罚, 这是一种混合遗传算法。
模拟退火借用了统计力学的思想, 目标函数类比于系统的内能E, 引入参考温度T。初始化时, 令T取一个较大的值, 如果ΔE<0, 说明内能降低, 那么以概率1 接收新状态。如果ΔE>0内能, 则以概率接收新的状态, 随着温度降低, 该概率值会越来越小。这样循环多次后, 直至温度T=0。模拟退火算法在优化过程不仅接收比当前状态好的状态, 而且还以一定的概率接收比当前状态差的概率, 避免搜索局限在局部最优点。理论研究表明, 模拟退火算法当运行时间趋向于无穷大时以概率1收敛于全局最优解。
F (x) 是遗传算法中的个体x的适应度函数[10], f (x) 是式 (5a) 表示的能效值, 则
其中M是不满足的约束条件数目, T是退火温度, 变化规律为
随着种群个体的不断更新演进, 退火温度呈几何级数降低, 最终导致不符合约束条件的解将被舍弃。同时, 当算法刚开始执行时, 为了保证种群的多样性, 不舍弃但是具有潜力的不可行解, 这些解将会参与种群的演进过程而被充分利用。这样的做法, 即处理了数量较多的约束条件, 又保证了种群的多样性, 防止陷入局部最优解当中。
本问题算法过程如下:
1输入:小区内各基站参数, 种群数目N, 选择率, 交叉概率Pc, 变异概率Pm, 初始化温度T, 退火温度比α, 迭代种群代数genmax
2 输出:最优的无线回传网络部署方案
3 问题解Prüfer编码, 初始化种群, 种群代数gen=0
4 while gen≤genmax, do
5 calculate适应度函数值F (x)
6 select前的个体进行保留
7 crossover operation (交叉概率Pc)
8 mutation operation (变异概率Pm)
9 gen=gen+1
10 generate新种群P (gen)
11 update temperature valueT (gen)
12 choose种群P (genmax) 中最优个体作为问题的解
4 仿真分析
4.1 仿真环境和参数配置
问题的仿真环境是基于MATLAB 2013a, 运行在Pentium 4 CPU, 4GB内存的PC机上, 算法采用了MATLAB中的遗传算法工具箱。
在本文中使用韦布模型[11,12]作为基站的可靠性模型。基站的参数设置为t=0, , =2;随机选取[10, 1000]之间的数。小基站均匀分布在小区内, 传播信道模型为][13].遗传算法的参数设置为N=50, β=20, 。本文仿真中选取的小区模型为正六边形的七小区结构, 如图Fi g.2所示, 其他的仿真参数如下表所示:
4.2 仿真结果分析
本文将所提算法的通过与其他算法 (分支定界, 粒子群[14]) 对比, 得到下面的仿真结果图:
上图描述了采用不同算法的情况下, 小区内无线回传网络平均吞吐量 (Throughput Expectation) 与小区内基站部署数目之间的关系。从图中可以看出, 平均吞吐量 (Throughput Expectation) 随着小区内的基站数目呈明显的增加趋势。此外, 通过三种算法的对比, 可以明显看出本文采用的算法所部属的网络总的功耗 (Throughput Expectation) 更大, 优于其他的两种算法 (分支边界、粒子群) 。
在上图中, 随着小区内的基站数目的增加, 小区总的能效 (Energy Efficiency) 也在增加, 这也说明大规模部署小基站带来提高小区内的能效这一显著的优势。另一方面, 与其他两种算法相比, 本文所提算法能够能效更高, 具有更明显的优势。
5 结论