智能无线自组网技术

智能无线自组网技术（通用4篇）

智能无线自组网技术 篇1

项目摘要:本项目利用无线自组网络突破无线通信在楼宇环境或施工现场环境复杂的场景覆盖范围上的局限性, 解决实时高效采集监控的难题。本项目考虑实际楼宇特殊环境对通信的影响, 跨越网络协议的网络层和物理层, 展开网络交叉层研究, 提出在自控设备自组网络的分层多路径传输;在向前错误纠正和多源数据编码的基础上, 提出基于数据段编码。从而确保了数据采集的实时性, 可靠性和高效性。以往的自控设备数据采集方法, 由于在设计阶段的不合理, 对以后网络的维修和更改造成了极大的困难, 带来了巨大的成本压力。对此, 本项目利用无线自组网络自治与动态拓扑的特性, 研发基于无线自组网的可靠动态组网技术与网络自治技术。当需要增减设备时, 只需对需要增减的设备进行安装和配置, 完全不影响其他网络设备和网络整体性能, 整个过程简单高效。同样在网络中某一设备发生故障时, 其余设备均可正常工作, 网络具有很强的鲁棒性。

产品优势和市场前景:建筑节能是我国十大重点节能工程之一, 在十二五计划提出的新的节能减排目标中, 建筑节能被列为重要建设项目之一。在对我国24个示范省市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗情况进行调查时发现, 大型公共建筑总面积不足城镇建筑总面积的4%, 但总能耗却占全国城镇总耗电量的22%。因此, 研究智能建筑的能耗监控与节能具有非常重要的实际意义。在建筑物的耗能构成中, 采暖、空调等设备的耗能占65%左右, 为了达到降低能耗的目标, 必须减低采暖、空调的能耗, 而一个稳定, 高效的监控和数据处理平台, 则是实现节能目标的基础与技术难点。本项目根据建筑楼宇的自身环境特点, 利用无线自组网技术的优势, 提出一种自组织、高可靠、高速率、低功耗、低成本的楼宇空调采暖自控设备的数据采集, 监控及处理的解决方案, 形成一个强大的监控系统与集成平台, 从而为实现节能所需要的控制和操作提供数据基础, 因此有很好的市场前景和经济效益。

智能无线自组网技术 篇2

监控系统的智能化有助于配电网安全、可靠、经济地运行[1],且在近年来得到了长足发展。智能化的配电网监控系统实现了监测、控制、保护、无功电压控制、开关设备健康状态监视、设备运行环境监视及调控等方面的综合功能。由于配电网结构复杂、设备种类和数量繁多且分散分布,其监控终端可能处于地理位置偏远和通信基础设施欠缺的地方[2]。因此,配电网智能监控系统的通信方式选择至关重要,并且会影响经济效益。

在传统的配电网监控系统中,站内的数据终端设备(data terminal equipment,DTE)与数据通信设备(data communication equipment,DCE)间的通信常采用现场总线、RS-485串行总线、光纤等通信方式。然而,对于受地理条件限制而设备分散布置的子站和现场重新敷设通信线困难的子站,站内采用无线自组网络更具优势。

无线自组通信网络具有不需敷设通信线、覆盖面广、隔离高电压等优点。因此,这种通信方式受到了越来越多的关注和应用。在工业上无线自组通信网用得较多的有Zigbee协议和SimpliciTI协议。Zigbee协议最大传输速率为250kbit/s,有效传输距离为10~75m,该协议开放度低、使用需要付费、开发成本高、开发周期偏长。目前对Zigbee协议研究较多[3-7]。SimpliciTI协议是美国TI公司后期推出的低功耗网络协议,其最大传输速率可达500kbit/s,有效传输距离超过100m,是一种精简的短距离无线通信开源网络协议,免费使用,开发成本低、开发周期短、对微控制器的资源占用很小[8],很适合用于中低压配电网监控。虽然目前尚未见到应用于配电网监控的报道,但其应用前景或许比Zigbee协议更加被看好。

鉴于上述背景,根据配电网智能监控系统的特点,本文提出并实现了用SimpliciTI协议构建树形无线自组通信网络的技术方案,该方案具有组网简单、成本低、安装与维护方便等优点。

1 无线自组通信网络与SimpliciTI协议

无线自组网络(wireless ad-hoc network)是一种基于分布式思想和多跳通信的网络[9],可以快速完成通信系统的布置。

自组网络中的无线通信接口设备能作为数据中继使用。通过网络协议的转发机制,设备能利用网络拓扑信息进行自动配置和管理,从而形成具有自组功能的多跳无线网络。这种通信形式使得设备可以灵活地加入或退出通信网络。

在监控系统内,安装好的智能监控终端通常不会经常改变安装位置,所以,与用于移动设备的通信相比,用于配电网智能监控系统的无线自组通信网络的路由协议相对简单,但它必须具有如下特点。

1)能够自行组织和自动管理,即能够自动决定网络的路由并分配通信端口,并根据无线通信接口设备的加入或退出以及环境的变化更新已有的路由,快速形成通信网络。

2)具有多跳转发机制[10],即在两个无线通信接口设备之间距离较远或者通信质量较差的时候,可以自动通过中间设备进行中继转发,以多跳的形式实现较远距离通信并提高通信质量。

3)具有安全风险控制能力,由于无线通信信号本身开放的特点,使得通信信息容易被截取到,容易遭到恶意攻击,因此,用于配电网智能监控系统的无线自组通信网络必须具有安全风险控制能力。

SimpliciTI是由TI公司开发的针对低射频网络的精简低功耗无线自组网射频网络协议。该协议提供3类无线通信接口设备[11]:数据中心设备(access point,AP)、范围扩展设备(range extender,RE)、终端节点设备(end devices,ED)。

SimpliciTI网络协议定义的网络拓扑主要有点对点对等网络和星形网络,如图1(a)和(b)所示。通过范围扩展设备可以实现网络拓扑的扩展,以多跳通信方式形成如图1(c)所示的树形网络拓扑[12],并可将网络扩展至多达4个范围扩展设备。

SimpliciTI技术具有较高传输速率和较远的传输距离,且工作频段范围大,适合用于配电网智能监控系统。

2 SimpliciTI树形网络的实现

2.1 智能监控终端及无线通信网络设备

本文所设计的SimpliciTI树形网络由监控节点设备和数据中心设备构成。其中,监控节点设备包含在智能监控终端中,并具有范围扩展设备和终端节点设备的功能。在配电网智能监控系统的每个监控子站内配置有若干个智能监控终端和一个数据中心设备,通过无线通信接口将这些设备联系起来。

2.1.1 智能监控终端

智能监控终端包括模拟量输入模块、开关量输入模块、开关量输出模块、主控器模块和无线通信模块,其硬件功能框图如图2所示,其中USART表示通用同步/异步串行接收/发送器。

模拟量输入模块负责采集电网三相电压、三相电流、三相总有功功率、三相总无功功率、功率因数和电网频率。开关量输入与输出模块配有16路开关量输入和16路开关量输出,均通过光电耦合器件隔离。

主控器模块采用STM32F103Z微处理器,实现监控与无线通信的协调控制等功能。无线通信模块的收发器选用TI公司的低功耗无线收发芯片CC1110,天线选用433MHz频段的鞭状天线,模块的实物如附录A图A1(a)所示。

智能监控终端同时具有范围扩展设备功能和终端节点设备的功能。用作范围扩展设备时兼有数据转发功能,而用作终端节点设备时不使能转发数据功能。智能监控终端的实物如附录A图A1(b)所示,图中虚线圈出部分为无线通信模块的安装位置。

智能监控终端的无线通信模块的功能如下。

1)广播入网请求消息,加入数据中心设备设定好的无线通信网络。

2)具有范围扩展功能的终端在无线接收到不是发给自身的数据时,进行数据转发。

3)将电网的监测数据上发至数据中心设备,接收从数据中心设备转发的监控主机下发的命令。

4)检测周边通信环境噪声干扰强弱,决定是否提出通信信道切换请求。

2.1.2 数据中心设备

数据中心设备是整个无线自组通信网络的交通枢纽,主要负责汇集监控节点设备采集的数据和下发监控主机的控制命令。设备的硬件构成包括远程通信数据传输单元(data transfer unit,DTU)模块、通信控制器模块、站内无线通信模块,其硬件功能框图如图3所示。

远程通信数据传输单元模块是系统接入公用无线通信网络的接口设备,用于子站远程通信,本文选用3G公用无线通信网络数据传输单元。通信控制器模块实现数据转发功能和链路监视功能。站内无线通信模块的收发器与监控节点设备中的无线通信收发器相同,该模块的实物照片如附录A图A2所示。

数据中心设备中的无线通信模块具有如下功能。

1)完成无线自组通信网络的组网任务。上电后等待智能监控终端的加入,对于成功加入的终端进行应答并分配端口号。

2)接收从监控主机下发来的控制命令。收到相应的控制命令后,根据端口号下发到相应智能监控终端。

3)汇集智能监控终端的采集信息。收到采集的信息数据后,按照既定的协议上传。

4)检测当前通信环境噪声干扰强弱,决定是否进行通信信道切换以保证通信质量。

2.2 自组网功能的实现流程

基于SimpliciTI协议的树形网络首先是由网络中的数据中心设备建立的。数据中心设备上电初始化后,将自己的通信信道设置为默认信道0,然后进入网络侦听状态,等待智能监控终端的入网请求。智能监控终端上电初始化后,先设置通信信道为0,然后广播入网请求消息,该消息包含4B的接入标识(join token)。数据中心设备在收到请求消息后,先确认接入标识是否与本网络特有的标识匹配,确认成功表明发出请求的设备属于同一网络。然后,在有空余的端口号时才会分配相应的端口号给智能监控终端用来网络连接,并将终端的链路信息存储起来,在通信的时候调用。

由于智能监控终端发出入网请求的时间是随意的,那么就可能出现网络阻塞的可能性,这时就需要智能监控终端重复一定次数的请求并等待数据中心设备的应答,直到收到了应答,入网过程才算完成。

通信过程中可能会出现大功率通信设备对网络默认通信信道0产生干扰。通过频率捷变机制,数据中心设备会向网络中其他智能监控终端发送一个广播帧,通知其他终端同时切换通信信道,进而保证通信可靠性。在智能监控终端检测到正在使用的通信信道受到干扰时,会发送切换信道申请并由数据中心设备决定是否切换。以上机制的实现要确保数据中心设备和智能监控终端存储有相同的通信信道表。

在智能监控终端距离数据中心设备较远,进而影响通信质量的时候,需要通过范围扩展功能进行中继转发。在实现范围扩展功能之前,智能监控终端先要使能数据转发功能,此后若判断从无线收到的数据不是发送给自己的就会进行数据转发,从而实现了多跳通信。禁止了终端的数据转发功能后,智能监控终端仅实现终端节点设备的功能。如图4(a)和(b)所示的分别是具有范围扩展功能的智能监控终端和数据中心设备自组网的状态机转移图。

2.3 数据加密功能的实现

本设计中使用的CC1110芯片支持高级加密标准(advanced encryption standard,AES)[13],而这个数据加密功能是通过专用AES协处理器来实现的。

发送数据时,先将AES密钥和初始化向量加载到AES协处理器中,并把AES协处理器配置为加密模式,然后把需要发送的数据读入加密输入寄存器(encryption input register,ENCDI),经过加密后的数据从加密输出寄存器(encryption outputregister,ENCDO)读出并发送。

当接收设备接收到加密数据后,先将AES密钥和初始化向量加载到AES协处理器中,然后把AES协处理器配置为解密模式并把加密数据读入加密输入寄存器,解密好的数据从加密输出寄存器读出。

在数据传输过程中,通过AES可以保护传输数据的安全性并有效防止非法设备对现有网络的攻击行为。

2.4 提高网络可靠性措施

实际的通信环境中各种各样干扰源对通信网络可靠性的影响很大。为了保证无线通信可靠与稳定,在设计中采用以下技术措施。

1)为了避免在传输过程中由于数据中心设备或具有范围扩展功能的智能监控终端故障而造成网络中断,配置了后备通信链路,让智能监控终端使用多条可行的路径与数据中心设备进行通信。

2)数字信号在传输过程中容易受到噪声干扰的影响而发生错误。为了提高传输的准确性,采用混合检错校验模式,当发现错误时,自动提出重发请求(ARQ)。

3)SimpliciTI通信所选用的433 MHz频段为公用的无线频段。为了避免同一区域不同设备间的频率资源冲突和相互干扰的问题,在协议中引入了自主进行信道切换的频率捷变机制[14],从而提高了通信的可靠性。

3 应用示例

目前,本文研究的配电网智能监控系统分为组织级、协调级和执行级3个部分。系统总体架构如图5所示,图中虚线框标出的部分为基于SimpliciTI的无线自组通信网络。

组织级是整个系统的神经中枢,担负实时分析处理由执行级上传的数据、优化配电网运行方式和自愈控制等任务。执行级的智能监控终端实现配电网数据采集、设备运行工况检测、运行环境监测、继电保护和数据通信等功能。协调级是组织级和执行级的接口,负责将组织级的指令分发到执行级的各个终端中并反馈任务执行的情况,同时将智能监控终端采集的各种信息上传给监控主机。

组网完成后,数据中心设备以查询方式轮流询问智能监控终端采集的遥测量、遥信量和配电设备工况等信息。当监控主机发出查询命令时,数据中心设备方将各个终端的数据一次性上传。同样,远程遥控信息会通过数据中心设备查询相应的终端端口号后下发给终端执行。

根据智能监控系统终端工作情况及监控主机的日志记录结果,可得到以下结论:系统连续工作时,数据中心设备与智能监控终端组网可靠,数据能有效地进行传输,无线自组通信网络通信最高速率可达到19.2kbit/s,完全满足配电网监控的现场通信速率的要求。在该应用示例中,通信采用的是本文研究的自定义协议,那么在实用化的时候需要在具体的系统中加上通信协议转换器。另外,一般情况下本文方案适用范围小于100个节点,站内应用的场合也基本够用。

4 结语

无线自组通信技术的发展为配电网智能监控系统提供了一种接入方便、维护和升级容易的通信方式。考虑到监控终端布置分散、数量多、通信速率要求不高,架设有线通信不经济等原因,本文提出并实现了一种基于SimpliciTI技术的无线自组通信网络技术方案,该方案为配电网智能监控的通信提供了一种较新的方法,能够满足新建监控系统的通信要求,还可以用于已有监控系统的升级改造。

在不易布线、需要隔离、人员不易进入的情况下,这种方案的优势尤其明显。该智能监控系统通信方案具有较广阔的应用前景。

需要指出的是,433MHz是国内免申请段发射接收频率,可直接使用。本文所提出的无线自组网方案在该频段的性能还需基于更多不同故障情况下的实测数据进行测试,有待进一步的研究。

智能无线自组网技术 篇3

关键词：可生存性技术问题,无线自组网,分析

0 引言

随着科技的不断发展和进步,现如今我国网络技术也正在逐渐成熟,无线自组网的出现,使我国网络技术更加的成熟。无线自组网的概念其实就是网络和无线技术相结合所产生的新型网络技术,无线自组网最大的优点就是能够自由的转换网络节点,将传统网络的局限性彻底打破,将传统网络中无法连接的部分进行了连接,从而实现了无阻碍无线网络通信,这对于推动我国网络事业的发展有着至关重要的作用。

1 可生存性技术的概念

在网络发展的历史长河中,网络可生存性技术一直是网络技术研究的重点。但是网络可生存型技术一直都没有一个明确的概念,因为网络可生存型技术可以根据研究对象、研究环境和系统进行概念性的转变,所以网络可生存型技术的概念一直都没有一个明确统一的概念定义。

网络可生存型技术的概念其实有很多,最初网络可生存型技术的概念是由国外学者提出并加以研究的,但是随着不断研究,发现网络可生存型技术存在着多变性,最终网络可生存型技术的概念被定为两种。一种是物理方面的坚固性,还有一种就是虚拟网络方面的多变性。网络可生存型技术不仅能够在受到外来攻击时自动作出调整,还能够在网络系统发生故障时进行自动修复,从而使网络系统更加的完善,抵挡外来侵入。

网络可生存型技术的概念中最重要的一点就是“三大要素”,即抵挡、智能识别和恢复,这三大要素能够在网络故障或者受到外来侵入时自动防御,从而保证了网络系统的安全性[1]。

2 可生存性技术的意义

网络可生存型技术的意义就是要保证在任何情况之下,都能够顺利的完成各项网络任务,并不是单纯的为了某一个部件或功能运行的。网络可生存型技术能够最大程度上提升网络的安全性和可靠性,从而保证使用者的网络安全和隐私。

总的来说,网络可生存型技术的意义其实就是提升网络的实用性、安全性和可靠性。但是网络可生存型技术也存在着一些问题,比如网络在受到外来侵入时会自动锁定相关系统,同时使用者也无法使用相关程序和系统,也就是说网络系统在受到攻击时,不仅攻击者无法对网络系统进行攻击,本身的使用者也无法对其进行相关的操作,如何能够保证网络系统在受到攻击时,网络可生存型技术在自动维护网络系统的同时,使用者还能够自由的查看相关信息和网页,是网络可生存型技术面临的最大问题[2]。

3 无线自组网可生存性的必要条件

3.1 维护网络连接

在网络系统受到外来攻击或侵入时,必须要保证能够维护网络连接,从而保证使用者能够自由的浏览相关信息,只有这样,才能够保证无线自组网的可生存性。网络系统在受到攻击时,能够自动的抵挡外来侵入的同时,还能够保证网络系统本身的网络连接功能,从而在不妨碍使用者正常使用的前提下,为网络系统提供更加安全的系统保障。

3.2 健壮性

网络可生存型技术的最大优点就是有一定的健壮性,网络可生存型技术能够采用分别管理的方法对网络和系统进行控制,使网络系统不存在故障点和错误。网络可生存型技术不仅能够对网络系统中的软件进行控制和管理,还能够对计算机中的硬件进行管理和控制,将传统计算机网络管理模式的单向管理进行改变,网络可生存型技术能够对网络系统和计算机进行双向管理控制。由于网络可生存型技术的健壮性,使网络可生存型技术能够适应各种类型的计算机设备和网络系统[3]。

3.3 可用性

网络可生存型技术中最重要的就是可用性,因为能够有效的针对网络故障和系统故障自动的进行修复和清理,但是网络可生存型技术在进行修复的同时,也会关闭其他网络和系统功能,在一定程度上影响了使用者的正常使用和工作,所以必须要提升网络可生存型技术的相关性能,才能够适应网络的多变化,从而确保计算机和网络系统的安全性。网络可生存型技术可以利用多途径路由或者是休眠唤醒机制对相关问题进行改善,通过一些技术,就能够实现网络可生存型技术保证网络安全的目标。

3.4 适应性

由于网络存在多变性,并且网络是一个非常庞大的体系,所以网络系统和计算机难免会受到各种软件或者病毒的侵入,还有一些恶意黑客对计算机的系统进行篡改,这些都是现如今网络中存在的问题。所以网络可生存型技术的出现正好为网络系统和计算机提供了一定的安全性。网络可生存型技术有一定的适应性,其不仅能够适应各种网络环境,还能够很好的适应各种类型的计算机设备,网络可生存型技术能够根据网络的各个节点制定合理的控制,还能够根据网络环境和计算机自身条件调整网络的节点和相关输出,这在一定程度上提升了计算机和网络系统的安全性[4]。

3.5 安全性

网络可生存型技术的意义就是要保证在任何情况之下,都能够顺利的完成各项网络任务,并不是单纯的为了某一个部件或功能运行的。网络可生存型技术能够最大程度上的提升网络的安全性和可靠性,从而保证使用者的网络安全和隐私。

总的来说,网络可生存型技术的意义其实就是提升网络的实用性、安全性和可靠性。当计算机或者网络受到外来攻击时,网络可生存型技术就能够自动的启动安全模式,能够有效的防止信号干扰、信息的拦截、系统被恶意篡改或损坏,还能够防止非本机使用者将计算机中的一些文件进行删除或者篡改,这在网络信息时代是非常重要的,其不仅保证了计算机的安全,还能够保证使用者信息和隐私的安全。

3.6 扩展性

网络可生存型技术最大的一个特点就是具有强大的扩展性,因为虚拟网络本身就是一个非常庞大的系统,但是在使用时,会出现地域之间差异,导致使用者会受到一定的限制。所以当用户在使用网络时,会有一些信息或者咨询无法了解或查询,但是网络可生存型技术将能够很好的适应网络的庞大性,通过其特有的扩展性,就能够更好的适应网络中的各个节点,从而配合网络的发展[5]。

4 可生存性技术问题在无线自组网中的具体应用策略

4.1 功率控制

针对可生存型技术在无线自组网中存在的问题,可以利用对功率输出的控制来解决此类问题。通过网络中各个节点的相互控制和约束,将能够使网络可生存型技术更好的适应无线自组网,从而提升无线自组网的使用功能和相关性能,为用户提供更好的使用体验[6]。

4.2 自适应技术

无线自组网本身就是一个动态有一定规律性的网络系统,所以将网络可生存型技术应用在无线自组网中时,要提升其自适应技术,只有网络可生存型技术更好的适应无线自组网,才能够真正意义上提升无线自组网的整体性能[6]。

4.3 完善网络管理技术

将网络可生存型技术应用在无线自组网中,最重要的一点就是要完善网络管理技术,将网络的相关配置和网络系统进行适当的完善,才能够保证网络的整体使用情况,从而为网络的安全性和可用性提升一定程度上的保障[7]。

5 结束语

无线自组网络的出现,彻底打破了传统网络中存在的问题,将传统网络中单一性和不可变性彻底改变,使网络具有更强的覆盖性和可靠性。利用网络可生存型技术中特有的可用性、健壮性、扩展性、安全性和适应性,从而为用户提供更加完善更加可靠的使用体验,通过控制功率、自适应技术将能够最大限度上的完善网络管理技术,从而提升我国网络技术的整体水平,使无线自组网在军事、灾后救援以及智慧旅游等行业中发军更大的作用。

参考文献

[1]王海涛,马琳坡.无线自组网的可生存性技术问题探讨[J].航天电子对抗,2011(04):38-42.

[2]黄清元.移动自组网可信安全路由技术研究[D].北京:国防科学技术大学,2010.

[3]李晓鸿.无线自组织网络拓扑控制算法和协议研究[D].湖南:湖南大学,2010.

[4]李庆华.基于网络演算的无线自组网TCP性能分析与改进[D].湖南:中南大学,2010.

[5]欧开乾.无线自组网中基于网络编码的效用最优路由和速率选择机制研究[D].北京:中国科学技术大学,2012.

[6]温景容.无线自组网MAC层及相关技术研究[D].北京:北京邮电大学,2013.

[7]虞万荣.无线自组网MAC协议关键技术研究[D].北京:国防科学技术大学,2012.

无线自组网和无线传感器网络研究 篇4

Ad Hoc网络是一种移动通信和计算机网络相结合的自组织网络, 网络中的节点由移动主机构成。Ad Ho网络最初应用于军事领域, 是20世纪70年代美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 资助研究的采用分组无线网 (PRNET) 进行数据通信项目中产生的一种新型网络构架技术[1]。无线传感器网络是Ad Hoc网络应用在传感器技术中的一种具有动态拓扑结构的组织网络它是由大量散布在某区域的微小传感器节点组成, 这些节点可以通过飞机撒播、人工布置或者火箭弹射的方式完成。与蜂窝移动通信系统、蓝牙技术、无线局域网等无线通信网络相比, 无线传感器网络和传统Ad Hoc网络都没有基站设备支持, 所有节点分布式运行能够向相邻节点发送和接收数据, 具有发现和维护到其他节点路由的功能, 是自创造、自组织和自管理的多跳网络。

无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络, 其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息, 并报告给用户。它的英文是Wireles Sensor Network, 简称WSN。大量的传感器节点将探测数据, 通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能, 而这正对应着现代信息技术的三大基础技术, 即传感器技术、计算机技术和通信技术。

1、无线自组网

1.1 无线自组网概述

Ad hoc网是一种多跳的、无中心的、自组织无线网络, 又称为多跳网 (Multi-hop Network) 、无基础设施网 (Infrastructure less Network) 或自组织网 (Self organizing Network) 。整个网络没有固定的基础设施, 每个节点都是移动的, 并且都能以任意方式动态地保持与其它节点的联系。在这种网络中, 由于终端无线覆盖取值范围的有限性, 两个无法直接进行通信的用户终端可以借助其它节点进行分组转发。每一个节点同时是一个路由器, 它们能完成发现以及维持到其它节点路由的功能。

Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络, 网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域, 它的研究起源于战场环境下分组无线网数据通信项目, 该项目由DARPA资助, 其后, 又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN (Survivable Adaptive Network) 和全球移动信息系统Glo Mo (Global Information System) 项目的研究。由于无线通信和终端技术的不断发展, Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展, 如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时, 可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。

1.2 无线自组网的特点

Ad Hoc网络作为一种新的组网方式, 具有以下特点:

1.2.1 网络的独立性

Ad Hoc网络相对常规通信网络而言, 最大的区别就是可以在任何时刻、任何地点不需要硬件基础网络设施的支持, 快速构建起一个移动通信网络。它的建立不依赖于现有的网络通信设施, 具有一定的独立性。Ad Hoc网络的这种特点很适合灾难救助、偏远地区通信等应用。

1.2.2 动态变化的网络拓扑结构

在Ad Hoc网络中, 移动主机可以在网中随意移动。主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失, 主机之间的关系不断发生变化。在自组网中, 主机可能同时还是路由器, 因此, 移动会使网络拓扑结构不断发生变化, 而且变化的方式和速度都是不可预测的。对于常规网络而言, 网络拓扑结构则相对较为稳定。

1.2.3 有限的无线通信带宽

在Ad Hoc网络中没有有线基础设施的支持, 因此, 主机之间的通信均通过无线传输来完成。由于无线信道本身的物理特性, 它提供的网络带宽相对有线信道要低得多。除此以外, 考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞、信号衰减、噪音干扰等多种因素, 移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值。

无线自组网络还具有有限的主机能源、网络的分布式特性、生存周期短、有限的物理安全等特点。

1.3 无线自组网应用领域

Ad Hoc网络的应用范围很广, 总体上来说, 它可以用于以下场合:a) 没有有线通信设施的地方, 如没有建立硬件通信设施或有线通信设施遭受破坏。b) 需要分布式特性的网络通信环境。c) 现有有线通信设施不足, 需要临时快速建立一个通信网络的环境。d) 作为生存性较强的后备网络。

Ad Hoc网络技术的研究最初是为了满足军事应用的需要, 军队通信系统需要具有抗毁性、自组性和机动性。具有较强的自组性, 很适合战场的恶劣通信环境。Ad Hoc网络建立简单、具有很高的机动性。目前, 一些发达国家为作战人员配备了尖端的个人通信系统, 在恶劣的战场环境中, 很难通过有线通信机制或移动IP机制来完成通信任务, 但可以通过Ad Hoc网络来实现。因此, 研究Ad Hoc网络对军队通信系统的发展具有重要的应用价值和长远意义。

Ad Hoc网络的研究在民用和商业领域也受到了重视。在民用领域, Ad Hoc网络可以用于灾难救助。在发生洪水、地震后, 有线通信设施很可能因遭受破坏而无法正常通信, 通过Ad Hoc网络可以快速地建立应急通信网络, 保证救援工作的顺利进行, 完成紧急通信需求任务。Ad Hoc网络可以用于偏远或不发达地区通信。

Ad Hoc网络在研究领域也很受关注, 近几年的网络国际会议基本都有Ad Hoc网络专题, 随着移动技术的不断发展和人们日益增长的自由通信需求, Ad Hoc网络会受到更多的关注, 得到更快速的发展和普及。

2、无线传感器网络

2.1 无线传感器网络的体系结构

典型的无线传感器网络系统主要由传感器节点、接收发送器、互联网或通信卫星、任务管理节点等组成。图1为一个无线传感器网络的体系结构图。

传感器节点是一种微型嵌入式设备, 由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成, 可以借助于节点中内置的各式传感器来测量所在周边环境中的各种信号, 从而探测其相关的各种物理量, 也可以通过人工放置、飞机撒播或炮弹发射等方式, 将传感器节点散布在监控区域内, 以采集检测区域内的相关信息, 并发送到汇聚节点。各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统, 从而把传感器节点采集到的数据沿着其他节点逐跳传输到汇聚节点。

汇聚节点也称数据中心或基站, 它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强, 通过连接传感器网络与互联网等外部网络, 可实现两种协议通信协议之间的转换, 同时发布管理节点的检测任务, 并将搜集到的数据转发到外部网络上。

管理节点通过对整个系统的配置和管理, 可实现对系统中各节点检测任务的发布和检测数据的收集与处理。管理节点也可以将数据传输给传感器节点, 实现网络的再配置以及重新发布检测任务。

2.2 无线传感器网络的特点

无线传感器网络除了具有Ad Hoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外, 还具有很多其他鲜明的特点。

2.2.1 大规模网络

为了获取精确信息, 在监测区域通常部署大量传感器节点, 传感器节点数量可能达到成千上万, 甚至更多。通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比;通过分布式处理大量采集的信息能够提高监测的精确度, 降低对单个节点传感器的精度要求;大量冗余节点的存在, 使得系统具有很强的容错性能;大量节点能够增大覆盖的监测区域, 减少洞穴或者盲区。

2.2.2 自组织网络

在无线传感器网络应用中, 通常情况下传感器节点被放置在没有基础设各的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定。节点之间的相互邻居关系也不能预先知道, 如通过飞机撒播大量传感器节点到面积广阔的原始森林中, 或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力, 能够自动进行配置和管理, 通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在无线传感器网络使用过程中, 部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效, 也有一些传感器节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中, 这样在无线传感器网络中的节点个数就动态的增加或减少, 从而使网络的拓扑结构随之动态变化。无线传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。

2.2.3 多跳路由

网络中节点通信距离有限, 一般在几十到几百米范围内, 节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信, 则需要通过中间节点进行路由。匿定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现, 而无线传感器网络中的多跳路由是由普通网络节点完成的, 没有专门的路由设备。这样每个节点既可以是信息的发起者, 也可以是信息的转发者。

2.2.4 动态性网络

无线传感器网络是一个动态的网络, 节点可以随处移动;一个节点可能会因为电池能量耗尽或其他故障, 退出网络运行;一个节点也可能由于工作的需要而被添加到网络中。无线传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变: (1) 环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效。环境条件变化可能造成无线通信链路的带宽变化, 甚至时断时通。 (2) 无线传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性。 (3) 新节点的加入。 (4) 可靠的网络。

2.2.5 以数据为中心的网络

传感器网络是一个任务型的网络, 脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用编号标识, 节点编号是否需要全网唯一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署, 构成的传感器与节点编号之间的关系是完全动态的, 表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时, 直接将所关心的事件通告给网络, 而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或者传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器是一个以数据为中心的网络。

2.2.6 应用相关的网络

传感器用来感知客观物理世界, 获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样, 不可穷尽。不同的传感器应用关心不同的物理量, 因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。

不同的应用背景对传感器网络的要求不同, 其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差异。所以传感器网络不能像Internet一样, 有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题, 但在开发传感器更高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术, 这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。

无线传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域, 传感器节点可能工作在露天环境中, 遭受太阳的暴晒或者风吹雨淋, 甚至遭到无关人员或动物的破坏。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数量巨大, 人工不能“照顾”每个传感器节点, 网络的维护十分困难甚至不可维护。无线传感器网络的通信保密性和安全性也十分必要, 要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测数据。因此, 无线传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。

3、无线自组网与无线传感器网络比较

无线传感器网络与传统无线自组网有着一些不同特点:1、无线传感器网络的节点数量较多, 并且分布密度较大;2、无线传感器网络中的节点与无线自组网中的节点相比更容易出错;3、无线传感器网络中节点的计算、存储能力和电力有限;4、传统无线自组网主要采用点对点通信, 而无线传感器网络节点主要采用广播方式通信;5;无线传感器网络中的节点数量非常大, 因此网中节点一般没有全球唯一的标识。

摘要：在目前的无线网络技术中, 最重要的研究是无线自组网 (ad hoc) , 最有发展前景的是无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 。无线自组网是一种自组织、对等式、多跳的无线移动网络, 在分组无线网的基础上发展起来。无线传感器网络将无线自组网技术与传感器技术相结合, 实现协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并发送给观察者。

关键词：无线自组网,无线传感器

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