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1、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ad hoc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
2、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。蚤 2 ad hoc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ad hoc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。ad hoc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
3、方便， 目前ad hoc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 ad hoc网络结构2.2技术特点和应用场合由于ad hoc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ad hoc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。
4、（2）动态变化的网络拓扑ad hoc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ad hoc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
5、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ad hoc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
6、击。如果不在网络层或数据链 路层增加一些安全措施，ad hoc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ad hoc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ad hoc 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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。O Mesh路由器 Mesh客户端 无线醐图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，
14、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ad
15、hoc网络，具有自形成、自恢复和自组织特点。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
16、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。
