关键词:无线mesh网,宽带无线接入,无线多跳网
无线Mesh网络技术
在宽带无线接入领域,各种无线通信技术蓬勃发展的同时,一种新的无线网络技术——无线mesh网络也逐渐发展起来,引起了人们广泛的注意。无线mesh网,即无线网状网,也称为无线多跳网,它可以和多种宽带无线接入技术如802.11、802.16、802.20以及3G移动通信等技术相结合,组成一个含有多跳无线链路的无线网状网络。这种无线网状网,可以大大增加无线系统的覆盖范围,同时可以提高无线系统的带宽容量以及通信可靠性,是一种非常有发展前途的宽带无线接入技术。
无线Mesh网的网络架构
传统的无线接入技术中,主要采用点到点或者点到多点的拓扑结构。这种拓扑结构中一般都存在一个中心节点,例如移动通信系统中的基站、802.11WLAN中的AP等等。中心节点一方面与各个无线终端通过单跳无线链路相连,控制各无线终端对无线网络的访问就;另一方面,中心节点又通过有线链路与有线骨干网相连,提供到骨干网的连接。而在无线mesh网络中,采用网状mesh拓扑结构,也可以说是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种mesh网络结构中,各网络节点通过相临其他网络节点,以无线多跳方式相连。
无线mesh网主要由两种网络节点组成:mesh路由器和mesh终端。Mesh路由器除了具有传统的无线路由器的网关/中继功能外,还具有支持mesh网络互连的路由功能。Mesh路由器通常具有多个无线接口,这些无线接口可以是基于相同的无线接入技术构建,也可以是基于不同的无线接入技术。与传统的无线路由器相比,无线mesh路由器可以通过无线多跳通信,以低得多的发射功率获得同样的无线覆盖范围。在无线mesh网络中,由mesh路由器互连构成无线骨干网,这个无线骨干网再通过其中的网关mesh路由器与外部网络如Internet相连。Mesh终端也具有一定的mesh网络互连和分组转发功能,但是一般不具有网关桥接功能。通常,mesh终端通常只具有一个无线接口,实现复杂度远小于mesh路由器。Mesh终端可以是笔记本电脑、掌上电脑、PDA以及手机等终端设备。Mesh终端之间互连可以构成一个小型对等通信网络。mesh路由器和mesh终端之间混合组网如下图所示:
无线mesh网与同样采用多跳网状拓扑的Adhoc网相比,也有所不同。Adhoc网络是由移动终端设备组成的无线分布式多跳网络,其中一般不包含静止的节点设备;而无线mesh网中的无线路由器大多是静止的设备,而用户终端也可以是静止或移动的无线接入终端。此外,adhoc网的设计目的是为了实现用户移动终端设备之间的对等网络通信,而无线mesh网络着重的是给终端用户提供无线接入功能。
无线Mesh网络的特点
与传统的无线接入技术相比,无线mesh网具有一些新的特点:
1.无线多跳网络
无线mesh网技术开发的目标是在不牺牲信道容量的情况下,扩展现有无线网络的覆盖范围。另一个目标是在不具有直接视距无线链路的用户之间,提供非视距连接。为了实现这些目标,不可避免的要采用多跳mesh网络。多跳mesh网络架构中,无线链路间更短、发射功率更小、节点间干扰更少和频率重用效率更高,这样可以在不牺牲信道容量的前提下获得更高的系统容量。
2.支持adhoc方式网络互连,具有自组织、自管理、自愈能力
无线mesh网具有网络结构灵活、易于部署和配置、容错以及网状连接多点到多点通信等特点,使得无线mesh网的初始部署成本相当低,并且可以根据需要逐步扩容。自组织自愈能力使得无线meh网不需要网络管理员来手工配置网络,而可以自动发现新节点,自动完成配置过程,自动维护网络正常运行,在出现节点/链路故障时也可自动调整完成网络自愈。
3.多种类型的网络接入
在无线mesh网中,既支持无线终端接入骨干网,又支持无线终端之间的对等网络通信。此外,把无线mesh网技术与其他无线网络相结合,可以通过无线mesh网给这些无线网络的终端用户提供无线接入业务。
4.移动性以及能耗限制与节点类型相关
无线mesh网中,mesh路由器一般为静止不动的设备,而mesh终端可以是移动或固定设备。同时,mesh路由器一般没有能耗的限制,而mesh终端则需要采用能耗较小的网络通信协议。这样,MAC以及路由协议需要针对mesh路由器和mesh终端设备分别设计和优化。
与同样具有自组织、自管理以及多跳无线adhoc拓扑的adhoc网络相比,无线mesh网也有自己与adhoc网络不同的特点:
5.具有无线基础设施骨干网
无线mesh网内,由mesh路由器组成一个无线骨干网,专门用于给终端客户提供可靠网络连接。这个无线骨干网在无线域内提供了大覆盖范围、连通性以及健壮性。反观Adhoc网络则是基于各个不可靠的终端用户来进行通信,不存在专门提供网络连接服务的基础骨干网,这给adhoc的应用带来了很大的限制。6.集成性
无线mesh网可以通过mesh路由器的网关/桥接功能,整合现有多种无线网络技术,如802.11、802.16、3G移动通信等。这样,通过mesh路由器组成的无线骨干网,可以把多种不同无线网络连接到一起,形成一个“无线互联网”。而adhoc网络由于是用户终端自组网,而用户终端一般不具备这种网关/桥接的功能。
7.路由和配置功能的专门化
在adhoc网络中,每个终端用户设备都要为所有其他节点执行路由和配置功能。而在无线mesh网中,虽然mesh终端也有路由转发功能,但是主要还是由mesh路由器来执行路由和配置功能,大大减轻了普通mesh终端的负载。
8.拓扑结构的相对稳定
adhoc网络中,由于终端用户的移动性和不可靠性,网络拓扑和连接的变化较大,使得路由协议和网络配置和部署带来了很大的挑战。无线mesh网中,mesh路由器一般是静止不动设备且较用户终端可靠的多。
9.功耗限制减少
无线mesh网络中,mesh路由器一般为静止不动的设备,与adhoc网中的移动终端相比,基本没有功耗限制。这样,在设计mesh路由器的物理层、MAC层以及网络层路由协议时,基本可以不考虑功耗限制,这大大简化了协议设计,同时还可以采用性能较高的设计方案。
无线Mesh网的应用
同样作为无线多跳网络,与adhoc网络技术只用于军事以及专用特殊网络不同,无线mesh网的研究开发是由实际应用需求为驱动力的,其应用场景和应用范围相当广泛,并且有着不可替代的作用和优势。无线mesh网可以和802.11WLAN、802.16WMAN以及3G等各种无线接入技术相结合,实现家庭网络、社区网络、企业网络以及城域网络内的多层次多范围的无线应用。
1.宽带家庭网络互连
现在,宽带家庭网络互连大多采用802.11WLAN来实现,在WLAN中AP的放置需要现场勘察,但仍不免产生覆盖不到的盲区。为了消除盲区,可在家庭互连网络中采用无线mesh网技术,放置多个小型mesh路由器,以多跳mesh网络互连家庭内部数字设备可以有效的消除盲区,同时还可以大大提高网络容错性,且可减少由于迂回访问产生造成的网络拥塞。
2.社区网络互连
采用无线mesh网技术,通过在社区内放置多个mesh路由器可以将社区内各用户家庭网络互连,形成一个社区无线多跳网络。有了这个社区无线互连网络,就可以在社区内用户家庭之间共享若干个Internet接入设备,而不必在每个用户家庭安装Internet接入设备。而且,社区无线mesh网还可以容许社区用户家庭无需通过远端服务提供商网络,就可以在社区本地相互访问,共享社区内网络资源。此外,社区无线mesh网的网状拓扑结构,也给社区用户提供了更加可靠的网络连接,增强了网络容错性和健壮性。
3.企业网络互连
目前,802.11WLAN已经在企业办公室写字楼中得到了广泛的应用,但这些WLAN或者相互没有连接,或者采用不太经济的有线以太网方式相连。而采用无线mesh网技术,通过mesh路由器将这些WLAN互连,一方面可以解决WLAN网络之间连通性问题,另一方面相对采用有线互连方式还可以节约成本,灵活部署,同时提高了网络的容错性和健壮性。
4.城域网络互连
通过无线mesh网络,整合802.16WMAN、802.11WLAN以及3G等其他无线接入技术可以形成一个城域大范围、多层次、多样化接入方式的无线接入网络,使得城域无线接入网络的覆盖广度深度都大大增加。
无线Mesh网络的关键技术因素
无线mesh网作为一种新的无线接入网络技术,需要考察影响其性能的关键技术因素。这些技术因素如下:
1.物理层无线电技术
新兴的物理层无线电技术如定向智能天线、自适应调制编码、MIMO技术以及多无线电/多信道系统已经成为下一代无线接入系统的不可或缺的关键技术。此外,为了进一步改善无线射频性能以及高层协议的控制,更先进的可重配置无线电、感知无线电、甚至软件无线电技术都已开始在无线系统中有所运用。这些高级物理层无线电技术的开发设计不仅对物理层性能起着决定性作用,而且要求进行整合物理层、MAC层和网络层进行整体设计,以便最大限度的提高整个网络性能。
2.MAC层多址访问机制
无线mesh网是分布式无线多跳网状网。现有的无线网络MAC机制大多都是针对单跳无线网络设计的,这种面向单跳无线网络设计的MAC机制并不适于分布式无线多跳网状网络,如802.11WLAN的MAC机制在无线链路跳数达到四跳时,性能下降非常大。同时,在无线mesh网这种分布式无线多跳网状网中,由于实现时间同步和码管理困难,采用TDMA和CDMA多址接入也比较复杂。此外,在无线mesh网络中,还要求能够有效的进行空间频率重用,以提高网络容量。这样,MAC层机制设计将成为影响无线mesh网性能和成功与否的关键技术因素之一。
3.Mesh拓扑连接的维持
无线mesh网的很多技术特点和优势来自于其mesh网状连接,mesh连接的维护也就成为无线mesh网的MAC和路由协议设计中的一个关键。一般来说,需要在无线mesh网中实现网络自组织和拓扑控制算法,设计具有拓扑感知能力的MAC和路由协议。
4.Mesh路由协议
无线mesh网络中,mesh路由协议的设计是一个关键。首先,在无线多跳mesh网络中,路由协议不能仅仅根据“最小跳数”来进行路由选择,而要综合考虑多种性能度量指标来进行路由选择。其次,mesh路由协议要提供网络容错性和健壮性支持,能够在无线链路失效时,迅速选择替代链路避免业务提供中断。第三,mesh路由协议要能够利用流量工程技术,在多条路径间进行负载均衡,尽量最大限度利用系统资源。第四,路由协议要求能同时支持mesh路由器和mesh终端。对于静止不动的mesh路由器,由于没有功耗限制,可以采用比现有adhoc路由协议简单得多的路由协议;而对于mesh终端,则需要采用类似adhoc的路由协议。这样,就需要一种行之有效的路由协议能够自适应支持mesh路由器和mesh终端。
5.宽带Qos业务支持
与adhoc网络不同,无线mesh网的大多数应用都是具有不同Qos要求的宽带业务。这样,除了端到端时延和公平性以外,还需要在通信协议中考虑时延抖动、聚合吞吐量、每节点吞吐量以及分组丢失率等性能评价指标。
总的来说，由于覆盖范围、传输速率和用途的不同，无线网络可以分为无线个域网、无线局域网、无线城域网和无线广域网。从传输距离角度看，各种网络的比较如图1所示。从网络拓扑结构角度，无线网络又可以分为有中心网络和无中心、自组织网络。有中心网络以蜂窝移动通信为代表；无中心网络以移动自组织网络（AdHoc）为代表，采用分布式、自组织的思想形成网络。
1.1WPAN/WLAN/WMAN通信技术
无线个域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。如蓝牙、ZigBee、RFID等。无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）的工作模式可分为基础结构（Infrastructure）模式和自组织网络（AdHoc）模式，基础结构的拓扑结构是扩展服务集（ExtendedServiceSet，ESS），而自组织网络的拓扑结构是独立基本服务集（IndependentBasicServiceSet，IBSS）。在基础结构网络下，无线终端通过访问节点（AccessPoint，AP）相互通信，而且可以访问有线网络，这是最常用的网络拓扑结构；自组织网络是无线终端之间任意连接相互通信形成的一种工作方式。WLAN的安全架构经历了从有线等效保密（WiredEquivalentPrivacy，WEP）到IEEE802.11i的演进，我国于2003年首次针对WEP的安全机制不足提出无线局域网安全标准（WirelessLANAuthenticationandPrivacyInfrastructure，WAPI）。无线城域网（WirelessMetropolitanAreaNetwork，WMAN）的推出是为了满足日益增长的无线接入市场需求。在WLAN技术快速发展的同时，由于在用于室外环境时，带宽和用户数方面受到了限制，同时，还存在通信距离较长等一些其他问题。为更好地解决上述问题，IEEE制定了一套全新的、更复杂的全球标准[2]，这个标准能同时解决物理层环境（室外射频传输）和QoS2方面的问题，典型的WMAN如WiMAX，Mesh等。
1.2GSM/GPRS通信技术
全球移动通信系统（GlobalSystemforMobileCommunications，GSM）是2G系统的典型例子，其运营成本低、网络覆盖范围广、可靠性相对较高。但是该通信方式的实时性相对较差，尤其是在大数据传输的情况下，可能造成较长时间的传输时延，不适用于实时监测系统。而且GSM没有考虑完整性保护的问题，这一点在以语音通信为主的2G通信中不是十分重要，因为丢失或者改动的语音通常可以认为识别。GPRS是在现有二代移动通信GSM系统基础上发展而来的无线数据传输业务。GPRS采用与GSM相同的无线调制标准、频带、突发结构、调频规则及TDMA帧结构。GPRS允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，不需要利用电路交换模式的网络资源。近年来，GPRS技术在配电终端发展非常迅速，但是仍存在不足：GPRS会发生包丢失现象，调制方式不是最优，只采用对用户的单向认证等[3]。
1.33G通信技术
与前两代通信系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供多种移动多媒体业务。在高速移动的环境中，其传输速率支持144kbit/s，静止状态下最高支持7.2Mbit/s。3G技术利用在不同网络间的无缝漫游技术，将无线通信系统和Internet连接在一起，从而实现对移动终端用户提供更多、更高级的服务，提高了通信质量、系统容量和传输速率。在安全体系上，3G系统性的考虑了网络接入安全、网络域安全、用户域安全、应用域安全、安全可视性和可配置性。虽然3G和2G相比有很多优点，但还是存在很多缺点：3G缺乏统一的全球标准；3G所采用的语音交换架构不是纯IP的方式，仍采用2G系统的电路交换方式；3G的业务提供和业务管理不够灵活；流媒体的应用不尽如人意；3G的高速数据传输不成熟，接入速度有限；安全方面存在算法过多、认证协议容易被攻击等安全缺陷。
1.44G通信技术
3G正朝着无处不在、全IP化的4G演进。4G网络体系结构如图2所示，4G的关键特征是网络融合，允许多种无线通信技术系统共存，4G致力于融合不同的无线通信系统和技术，以提供普适移动计算环境。用户可以在任何时间、任何地点使用无线网络，这给认证和安全切换提出了更高的要求。在高速移动环境中，移动工作站仍能提供2~100Mbit/s的数据传输速率。4G使用单一的全球范围的IP核心网来取代3G中的蜂窝网络，交换架构从电路交换向分组交换过渡，最终演变成为基于分组交换架构的全IP网络。TD-LTE是时分双工技术（TimeDivisionDupl-exing，TDD）版本的LTE技术，是TD-SCDMA的后续演进技术，同时沿用了TD-SCDMA的帧结构。TD-LTE所采用的不对称频率时分双工方式，是我国拥有自主核心知识产权的国际标准。与之前的通信技术标准相比，TD-LTE技术在物理层传输技术方面有显著改进，主要使用的关键技术包括：多天线技术、多址接入技术、链路自适应、混合自动重传等。1）TD-LTE采用TDD技术，充分利用了有限的频谱资源。在TDD模式下通过将发送和接收信号调度到同一载波下不同时间段传输进行区分，将有限的频谱资源充分利用。2）TD-LTE采用正交频分复用调制编码技术，有效对抗频率选择性衰落或窄带干扰，也提高了单位频谱的传输效率。正交频分复用调制编码技术是将频段内给定的信道分成若干个正交子信道，然后在每个子信道上使用一个载波进行调制，子载波并行传输，从而有效地消除信号波形间的干扰。3）TD-LTE采用多输入输出技术。该技术通过分立式多天线，利用多发射、多接收天线进行空间分集，能将通信链路分解成多个并行子信道，从而提高通信容量。TD-LTE还采用了自适应调制与编码技术、自适应重传技术、载波聚合技术等多种先进技术来实现宽带数据传输[2]。
24G通信安全问题与对策
2.14G通信的接入系统与移动终端
4G的核心网是一个全IP网络，即基于IP的承载机制、基于IP的网络维护管理、基于IP的网络资源控制、基于IP的应用服务。4G的根本优点是可以实现不同网络间的无缝互联。因此，4G网络的接入系统包括无线蜂窝移动通信系统（2G、3G）、无线系统（如DECT）、短距离连接系统（如蓝牙）、无线局域网（WLAN）系统、卫星系统、广播电视接入系统（如DAB，DVB-T，CATV）、有线系统、WiMAX等。4G系统的显著特点是智能化终端，通过实现在各种网络系统之间无缝连接和协作，以最优化的工作方式满足用户的通信需求。当智能化多模式终端接入系统时，网络会自适应地分配频带，给出最优化路由，以达到最佳通信效果。4G的特征决定了4G的移动终端不同于3G终端。4G移动终端应能支持高速率和宽带要求，同时还应保证适应不同的空中接口要求及不同的QoS指标和终端用户移动性能。此外，4G系统中的终端形式多样化，具有物联网功能的终端可视为4G系统的终端，如联网的冰箱、热水器、眼镜、手表等。未来4G移动终端具有如下特征：更强的交互性能，更为方便的个人与网络接口；更高的网络联通性，无线设备可通过AdHoc方式组网；丰富的个性化服务，支持视频电话、GPS定位等多种业务；动态自重构能力，可以自适应地改变业务要求及网络条件；增强型的安全保障功能，如嵌入式指纹识别认证。
2.24G通信安全问题
4G系统包括IP骨干网、无线核心网、无线接入网和智能移动终端等部分，因此，其面临的安全威胁也主要来自这几方面。现有无线网络中存在的安全隐患仍然存在于4G系统中。例如，无线网络链路安全问题和攻击者的窃听、篡改、插入或删除链路上的数据；网络实体身份认证问题，包括核心网和接入网中的实体，如无线局域网中的AP和认证服务器等；Internet网络的各类网络攻击问题等。另外，4G的移动终端与用户的交互更为密切，移动终端作为所有无线协议的参与者和各种无线应用的执行者[4]，交互越来越复杂，威胁的来源越来越广泛。而且，随着计算和存储能力的不断增强，可被执行的恶意程序的数量增多，破坏越来越大，使移动终端变得更加脆弱。例如，手机病毒攻击、移动终端硬件平台的篡改、移动终端操作系统漏洞等。
2.34G通信安全策略
4G安全的研究刚刚起步，还需要将来深入的研究。安全解决方案的设计应考虑的因素包括：安全性、效率、兼容性、可扩展性和用户的可移动性。包括[5]：①需要通过移动终端完成的任务量尽可能少，以有效减少计算的时延；②安全协议需要交互的信息量尽可能少，且每条信息的数据长度尽可能短，以减少通信的时延；③被访问网络的安全防护措施应对用户透明；④用户可有效识别和了解被访问网络协商所采用的安全防护措施级别、算法，甚至安全协议；⑤合法的用户可自由配置自身使用的业务是否需要采用安全防护措施；⑥协议要求的计算能力要具有明显的非对称性，较大的计算负担应尽量在服务端完成，而非在移动终端完成，要充分利用移动终端的空闲时间和资源进行预计算和预认证；⑦安全防护方案能够应对用户和网络设备数目的持续增长。具体而言，可采取的安全防护策略主要如下[6]。1）可协商机制：移动终端和无线网络能够自行协商安全协议和算法。2）可配置机制：合法用户可配置移动终端的安全防护措施选项。3）多策略机制：针对不同的应用场景提供不同的安全防护措施。例如，首次登陆网络和再次接入网络的认证可以充分利用已有的验证信息来节约成本、提高效率，切换认证也应该较普通接入认证有更高的效率。4）混合策略机制：结合不同的安全机制，如将公钥和私钥体制相结合、生物密码和数字口令相结合。一方面，以公钥保障系统的可扩展性，进而支撑兼容性和用户的可移动性；另一方面，利用私钥的高效性来保证实时性（如切换过程），进一步确保用户的可移动性。
2.44G通信安全措施
根据安全威胁来源，4G通信的安全措施重点在于移动终端和无线接入网2部分，对于移动终端一般可采取的安全防护措施如下。1）防护物理硬件。提升集成度，减少可被攻击的物理接口；增加电流、电压检测电路，防止物理攻击手段；增加完整性检验、可信启动和存储保护等措施。2）加固操作系统。采用坚强可靠的操作系统，使其支持混合式访问控制、域隔离控制和远程验证等安全策略。对于无线接入网一般可采取的安全措施如下。1）安全接入。无线接入网通过自身安全策略或辅助安全设备提供对可信移动终端的安全接入功能。防止非可信移动终端接入无线接入网络。2）安全传输。移动终端与无线接入网能够选择建立加密传输通道，根据业务需求，从无线接入网、用户侧均能自主设置数据传输方式。必要时，无线接入网可以采用专用网络进行物理隔离或逻辑隔离。3）身份认证。移动终端与无线接入网建立基于高可靠性载体（如数字证书）的双向身份认证机制。4）安全数据过滤。无线接入网可提供安全数据过滤功能。在视频、多媒体等应用领域，通过数据过滤，可以有效地防范非法数据通过抢占无线接入网资源，进而影响内部系统或核心网。5）访问控制。无线接入网可通过物理地址过滤、端口访问控制等技术措施进行细粒度访问控制策略设置。6）统一监控与审计。对移动终端的访问行为、无线接入设备的运行情况建立统一的监控与审计系统，可以有效地分析移动终端行为规律、记录异常操作，保证无线接入网的高效、可靠。无线核心网和IP骨干网Internet的安全措施与传统网络类似，包括设备冗余、链路冗余、容灾技术、带宽优化等系列措施。在传统安全措施基础上，4G通信时主要需要考虑无线接入网与核心网之间的安全问题。核心网需要加强对无线接入网的安全接入防护，建立可信接入机制。
3结语
【关键词】 物联网 RFID WSN M2M
一、物联网定义与意义
物联网的现状和研究进展分析：从美物联网发展历程图中可得，美国在世界领先的研发实力的支撑下，采用了从基础研究、应用研究到市场开发的“长线”信息技术发展模式，不仅抢得了信息技术发展的先机，而且，还不断地实现了新的技术飞跃，引领着信息技术革命的潮流和发展方向，掌控着信息技术国际标准制定权。这对于我国物联网的发展可以借鉴两点：第一，在加大物联网应用的同时，丝毫不能放松物联网基础研究，第二，抓住新一轮新兴科技的先发优势，参与国际标准的制定。欧洲的信息科技建设和经济发展一直不甘落后于美国，虽然近期欧洲地区正面临整体经济衰退、人口严重老龄化、气候变暖问题等诸多问题，但欧盟一直致力于推动欧洲共同体的统一发展。
二、物联网技术
最近，越来越多的文献谈论物联网的事情，所以我们列出了一些如下。
文献[1]提出了物联网的定义是，通过无线射频识别（射频识别）、红外传感器、全球定位系统、激光扫描仪等信息传感设备，根据合同协议，将任何商品与互联网连接，进行信息的交流和沟通，目的是实现智能识别、定位、跟踪和监控和管理。
文献[2]提出的互联网的定义，是一种基于网络的协议标准和交互交流的动态的全球网络基础设施能力的自我配置，在事物的物理和虚拟的范围之内物体的特性有如身份特点、互联网的物理特性，拟人化的特性，他们可以通过综合信息网络连接。
文献[3]提出物联网的定义是，通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网进行信息交换和通信，这个网络的目的是实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。
文献[4]提出的物联网的特点是可以针对每个对象，每个对象网络都可以被控制，每一个空间网络都可以沟通。
文献[5]提出了物联网是刚刚过去的大量的网络和互联网连接更进一步深入，是他们具体应用的区域划，是很多增值服务的新一代在广阔的网络平台的集合。在技术方面，它是传感器，传感器网络和RFID等感知技术、通信网络技术、智能计算技术等的集成，实现全面感知、可靠传输，聪明的理察，是一个网络连接的物理世界，智能化、高清，将成为物联网关键词。
文献[6]提出近年来物联网技术受到人们广泛的关注，我国“十二五”规划中已明确将物联网作为战略性新兴产业来培育发展。作为物联网核心技术之一的RFID技术，将决定着物联网的发展程度。
文献[7]深入分析MES重构需求和监控需求，提出以模块粒度维和信息粒度维为主线的可重构制造执行系统体系结构（Reconfigurable Manufacturing Execution System Architecture，RMESA），系统研究了 MES 实现快速重构和实时监控的理论和方法。
文献[8]主要从路径检查、所有权转让、标签群组证明以及中继攻击四个方面对基于RFID技术的供应链系统的安全和隐私问题进行了初步的探索，从而提出了两个新的供应链路径检查协议PSAM和PCOMS，并且提出了一个基于可信第三方的所有权转移方案FIT，以及提出了两个新的标签群组证明协议GPO和GPI。
文献[9]中无线 Ad Hoc 网络以其无中心、自组织、多跳路由的特点在众多无线网络中独树一帜，并且在军事和民用等领域得到了广泛的应用。然而，事物总是具有两面性。无线 Ad Hoc 网络研究中，面临着网络拓扑动态变化、节点能量有限、信道带宽有限等诸多挑战。
文献[10]提出无线传感器网络本质上是一类资源受限的网络。通常情况下，无线传感器网络节点采用电池供电，有限的能量限制了网络生存期。作为一个嵌入式系统，节点的计算能力和存储能力都较小；节点间通信带宽也比较低。
文献[11]中无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）的能量严重受限。对WSN进行剩余能量实时监测（Residual Energy Real-time Monitoring， RERM），是了解WSN生命周期情况的根本途径。RERM 对设计和检验节能算法/协议具有重要意义。针对现有 RERM 研究中常见的脱离实际问题，对面向应用的 RERM 进行了系统、深入的研究。
文献[12]中在移动多媒体应用驱动下，以高速无线个域网为背景，从媒体访问控制（MAC）层协议优化、通信协议的高层次设计以及系统级的低功耗设计方法等方面，对无线个域网多媒体片上系统（SoC）进行了深入研究。
文献[13]提出在无线通信，特别是卫星通信和下一代移动通信系统（3G）中，数据传输占有越来越重要的地位。反观无线信道，由于大气环境、地形和移动的多重影响，信道的状态极其不稳定，这给数据传输的可靠性带来了极大挑战。自动请求重传（ARQ）技术，特别是混合ARQ（HARQ），在提高传输的可靠性方面发挥了巨大的作用。
文献[14]提出网络编码通过将多个数据包组合在一起，并利用数据包之间的相关性来解码，网络编码巧妙解决了有向网络中组播最大流等经典的理论难题，大大提高了网络容量和资源的利用效率，并在优化网络管理和提高网络的安全性等诸多方面都具有重要价值。无线信道的广播特性使得网络编码在无线网络中有很大的应用潜力。
文献[15]研究无线网络中的公平性调度问题，针对三种典型的网络结构，分别研究在无线衰落信道下，如何在保证公平性的前提下高效率的利用有限的系统资源。面向不同设计目标，设计了不同的公平性调度策略。
文献[16]提出无线网络编码是网络编码技术研究的一个重要方向，而具有本地化特性的机会网络编码则是无线网络编码技术领域中一个简单实用的分支。针对无线机会网络编码吞吐性能优化的基础性问题，从理论框架、调度算法和应用改良三个层次系统性地展开了理论和应用研究，从而提出了一套理论框架，提出了一个有常数界保障的近似算法，提出了一套实用的译码缓存机制。
文献[17]提出在无反馈信道的条件下，基于数据分割和不等错误保护，提出一种在无线网络中可靠传输 H.264/AVC码流的联合信源信道方法。根据 C 型数据对错误传播影响的程度将其分为若干子型，对 A、B 和 C 型数据提供不等重错误保护，并采用基于迭代改进的双向局部搜索算法。随着丢包率增加，可提供更平稳的重建视频质量。
文献[18]围绕着 RFID 读写器中一个重要部件-功率放大器（PA）的关键技术及应用展开讨论。首先对 CMOS 功放技术进行了总结，着重分析了 CMOS PA 应用于 RFID 中的关键技术。在此基础上，以一个单片 CMOS 功放的实现为起点，围绕两个常用的 RFID 通信协议，就相应的读写器中发射机前端关键电路的实现展开了研究。另一方面，将 RFID 技术进一步推广到零待机功耗无线开关的设计中，最后还研究了便携式读写器中的功率控制技术。
文献[19]提出无线传感器网络是物联网的基础和主要组成部分。
文献[10]对无线传感器网络分布式调度方法进行研究。本文对无线传感器网络分布式调度方法进行了深入的研究，并针对无线传感器网络能量受限的特点，提出了四个分布式调度方法。首先，提出了一类实用的、协作分布式的调度方法。其次，提出了一种 WSN 分布式自学习调度方法。最后，提出了一种 WSN 分布式进化自学习调度方法。
物联网前沿技术主要包括RFID（射频识别技术），WSN（无线传感器网络），ITS（智能交通系统），GPS（全球定位系统），Lorawan技术（低功耗广域网规范），云计算技术，物联网感知层IPV6技术，嵌入式技术。
中国物联网100个前沿技术报告汇编指出的内容主要包括如下方面：智能机器人在物流方面的应用情况和前景，物联网技术框架，物联网体系结构，智能农业，智能健康医疗监护，物联网助力煤矿行业，数字化油田，智能楼宇，智能网络夜视，物联网技术框架与标准体系，智能机器人在物流行业的应用，物联网安全性能分析，MEMS（微机电系统）传感器，TCP/IP的智能家居系统，RFID标准，智能安防，智能RFID在工业控制住的应用，智能建筑中的消防自动报警系统，基于GPS技术的冷链物流解决方案，浅析ABB智能照明系统在智能建筑中的应用，LTE（长期技术演进，4G LTE）承载解决方案及分析，5G关键技术，ZigBee组网技术在电力SCADA中的应用，虚拟化技术能否开启云计算之门，物联网技术发展与低碳经济，三网融合，物联网技术之GPS导航仪分类及说明，试论物联网发展对C网演进路线与策略的影响，无线传感器网络的建模分析，无线传感器网络技术及其仿真平台分析，红外传感技术面面观，数字化、网络化、智能化―DVR发展趋势，物联网时代车载信息系统技术发展方向，南京新建地铁售检票系统后台维护用上物联网技术，光纤宽带推广中的困局与解困之道分析，航空领域RFID技术应用与分析，无所不在的无线网络无所不能的智慧城市，电容式触摸传感器的技术与应用，手机视频监控技术应用，机动车超速检测系统，采用LabVIEW和NI无线传感器网络监测名胜古迹。由此，我们知道物联网的关键技术有RFID技术，传感器技术，无线传感器网络技术，LoraWAN技术等等，主要应用在医疗方面，交通方面，家居方面，环能方面，机器人方面等等。
三、物联网的实际应用
物联网主要包括组播网，ZIGBEE网络，WSN网络，LORAWAN网络，蓝牙网络，红外网络等等。群体软件工程是实现云计算，物联网，大数据的途径。云计算源于大数据，物联网可以通过云计算来实现。群体软件工程是实现大数据的重要途径，尤其数据分析，数据仿真和数据挖掘技术。大数据促进了科研第四范式的出现和发展。在科学发现领域，第一范式，是指以实验为基础的科学研究模式。第二范式，即理论研究为基础的科学研究模式。第三范式，即利用电子计算机对科学实验进行模拟仿真的模式。第四范式，主要针对非结构化数据。
数据密集型科学发现（Data-Intensive Scientific Discovery），也就是现在所称的“大数据”。 物联网标准化工作非常重要，物联网标准化是规范物联网应用的重要手段和必要条件。
群体软件工程的群体特性可以促进物联网标准化问题的解决。2005年，国际电信联盟（ITU）在《The Internet of Things》报告中对物联网概念进行扩展，提出任何时刻、任何地点、任何物体之间的互联，无所不在的网络和无所不在计算的发展愿景，除 RFID 技术外、传感器技术、纳米技术、智能终端等技术将得到更加广泛的应用。物联网实际上是指面向一个特定领域或者行业的、拥有超量数据的一个复杂信息系统，比如智能交通、智能电网、现代物流、医疗健康、信息栅格都是物联网的典型应用。
物联网的这些典型应用决定了必须使用群体软件工程的方法去实现物联网。首先，可行性研究和需求分析。其次，概要设计。然后，详细设计。最后，编码和测试维护。由精英进行上层规划，再众包给大众完成。群体软件工程普遍应用于智慧城市，智慧医疗，现代国防，智能交通，智慧森林，智慧农业，智能家居，航天等等之中，由上层精英规划和执行较难部分，其他部分由大众一起完成，设计者就是使用者，运用大众的力量，将软件工程普及推广[20]。
致谢：
感谢北京工业大学和软件学院博士奖助学金的资助和培育。首先，感谢导师侯义斌学习科研生活各个方面的帮助和指导关心！无论是课程选择和课程授课，还是开题报告撰写，侯老师都倾注了大量的心血，也给予了很耐心的指导和帮助，并提供良好的学习和科研环境，使我在愉悦的学习科研中授人以渔的学会了科研的方法。同时，感谢提供和搭建的自我实现价值的平台。侯老师智慧敏锐，洞察力超前超高，他渊博的专业知识，丰富的科研经验，严谨的治学态度，精益求精和不辞辛苦的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己，宽以待人的崇高风范，朴实无华，平易近人的人格魅力深深感染我并使我由衷的敬佩！不仅在专业方面教导我如何去做科学研究，还让我知道了许多待人接物和做人做事的道理。在此，向侯老师及其家人表示感谢。同时，感谢所有鼓钗业男У讲┦康睦鲜γ呛屯学们和朋友们，感谢工大和软件学院和8楼和我所在的实验室的老师们和同学们，感谢软件学院专家教授对我的各种宝贵建议，感谢我所在的校院级研会和班级宿舍以及党总支等组织。然后，感谢实习单位北京海军总医院等等。其次，感谢家人王印付，王桂芬等等，感谢石家庄铁道大学，燕京理工学院，迁安一中等等。最后，感谢文后所有参考文献的作者。
参 考 文 献
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关键词：无线网络；MAC；共享信道
1.引言
近年来，随着通信技术的不断发展，特别是无线网络技术的不断成熟，越来越多的领域开始采用无线网络技术。特别是随着嵌入式技术发展带来的众多便携式产品，它们大都采用无线网络技术实现上网功能。由于涉及到不同的应用场合以及其它的一些要求，产生了众多的无线网络技术。在众多无线网络技术中，基本的协议框架都是类似的，主要是细节的不同。在无线网络的众多技术中，MAC层至关重要。MAC作为介质接入控制协议，其主要的作用就是控制各个通信节点对信道的访问，解决冲突，实现高效的共享。论文将系统的研究常用的无线网络技术中的MA C层协议，并对其进行仿真。
2. 无线网络MAC层协议的研究
无线网络技术众多，满足不同距离、不同层次的需求，本论文主要研究与我们生活紧密联系的3类无线网络技术。它们分别是无线局域网、无线个人区域网和无线传感器网。其中，无线局域网主要应用于类似校园这样的近距离区域，它具有组网灵活、布线费用少、不受线路限制等多个方面的优点，应用十分广泛。无线个人区域网主要是应用于从几米到10米左右空间内的高效数据传输，是普通网络电缆的替代品。无线传感器网是近年来才兴起的，由大量价格低廉、低功耗的传感器节点所构成的无线网络系统。其传输速率较低。
由于上述3类无线网络应用的场景不同，所以采用的协议也有很大的区别。大多数无线局域网采用的协议包括IEEE802.11系列标准和HiperLAN标准；无线个人区域网一般采用的协议是蓝牙、HomeRF及IEEE 802.15系列标准；而无线传感器网络采用的是IEEE 802.15.4标准。
从上面的研究可以看出：不同的无线网络技术采用的协议相差很远，但作为实现网络信道共享的MAC层的功能都是一样的，那就是通过对每个试图对信道进行访问的设备进行控制来实现信道的共享。一般都采用多址接入技术。从这个角度看：MAC层协议主要包括：以FDMA、TDMA、CDMA为代表的固定分配类型，以CSMA/CA为代表的随机竞争类型以及以中心控制MAC层协议和分布控制MAC层协议为代表的按需分配类型。其中，固定分配类型采用的多址接入方案是将一条共享的信道划分为多个相互孤立的子信道，并将每个子信道分配给一个访问节点使用。主要应用于语音网络，由于网络数据传输具有突发性的特点，所以该类协议很少应用于数据传输。随机竞争类型是为了满足网络数据传输突发性的特点而设计的，所以它采用的接入策略是随机接入，并辅助一些冲突避免的方法。故它主要应用于数据传输网络。按需分配类型采用的策略是循环询问每个节点，若有数据，则发送，若无，则转向下一节点。
从上述的研究中，可以看出不同类型的MAC层的协议采用的控制策略是不同的，自然其应用场合也有很大的区别。现在，我们对应用于低速无线网络的IEEE 802.15.4标准涉及到的内容进行研究，从而对常用的MAC层协议有一个整体的认识。在该标准中，其MAC层协议采用的控制策略是随机竞争类型的CSMA/CA。其中，CSMA/CA分为两种类型一种是应用于星型网络的带时隙的CSMA/CA；另一种就是无时隙的CSMA/CA。带时隙的CSMA/CA在星型网络中主要是通过中心节点的超帧来实现对网络信道的控制。其中，超帧具有两个类型的周期，一个是网络中每个访问节点都可使用CSMA/CA控制策略的活动周期；另一个就是所有访问节点都处于休眠情况的非活动周期。超帧的活动周期分为三个部分:信标、竞争访问期和竞争空闲期。其中，若采用信标，那么MAC层在超帧的竞争访问期间采用带时隙的CSMA/CA策略，否则采用无时隙的CSMA/CA。在这两种状态下，均采用随机退让的冲突避让机制。在CSMA/CA策略中，当一个数传输请求到达时，MAC层随机延迟一个时间，然后对物理层请求信道状态检测。在带时隙的CSMA/CA系统中，信道状态检测和数据传输都被安排在时隙边界。在非时隙CSMA/CA系统中，信道状态检测将立即开始。
3. 无线网络MAC层协议的仿真
由于笔者主要研究了IEEE 802.15.4标准的MAC层协议，那么我们的仿真研究也针对它进行。我们采用的仿真工具是NS-2仿真软件，该软件在网络拓扑结构、网络传输的研究中具有很好的效果。在NS-2中仿真MAC层协议的主要步骤是：1.采用C++在NS-2中实现MAC层协议；2.定义分组及包头类型；3.绑定C++和Tcl中的相应类；3.编译连接；4.设置仿真场景和通信模型；5.NS仿真；6.文件分析，输出结果。由于篇幅原因，在此就不详细列出仿真具体的实现过程。通过在NS-2中进行仿真，我们就能清晰的看到MAC层协议的整个过程，并能对在具体网络中的其它内容进行分析，例如可以对其能量情况进行分析。
4.结论
MAC层协议在整个无线网络中具有十分重要的作用。由于应用环境的不同，在不同的无线网络环境中采用的MAC层协议具有很大的区别。论文系统的论述了MAC层协议涉及到的相关内容，并对其仿真技术进行了说明。可以预见由于便利性的需要，覆盖不同层次、不同距离的无线网络技术将会得到快速的发展，其MAC控制策略也将发生巨大的变化，所以深入的研究MAC协议具有十分重要的现实意义和理论价值。
参考文献：
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通过参考文献我们可以看到作者在写作当中引用借鉴了哪些文献资料，可以判断这篇论文的学术价值和意义，参考文献的撰写也是非常重要的。下面是学术参考网的小编整理的关于互联网iso论文参考文献，供大家阅读欣赏。
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关键词:无线局域网;校园网;传输带宽
中图分类号:TP393文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2009)24-6629-02
The Application of WLAN Technology In Campus Network
HE Cheng-qian1, LU Man-li2
(1.Yangzhou Polytechnic College,Yangzhou 225009,China;2.Yangzhou Vocational College of Environment and Resources, Yangzhou 225007,China)
Abstract: In this paper, the author supplies an overview of WLAN, and then, introduces current application of WLAN technology in Campus Network,analies the difference between WLAN and wired networks,for the advantages and defects of WLAN, advances the present practicalapplication prospect of WLAN technology in Campus Network.
Key words: WLAN; gampus network; transportation bandwidth
目前校园网用户有多种新的需求,如网络信息点流动的需求、难以布线区域网络接入需求、降低成本和保护投资的需求等等。这些迫切的需求问题目前都难以通过有线介质网络技术加以解决,所以在原有网络基础下使用无线局域网技术建立无线校园网,方便或是完善校园网的功能,已成为现代化校园网的一个重要标志。根据相关报道,2008年6月,中国已有600所高校建设无线校园网。
1 校园对无线局域网的需求
21世纪是数字化、网络化、信息化的世纪。随着信息技术的飞速发展和教育信息化程度的提高, 在校园网内全面实现全面信息电子化交换和信息资源共享成为必要。从而在原有的网络基础上提出了新的一些问题:
1)网络扩展问题:随着校园的发展,有一定物理分隔的老校区与新校区之间可能需要实现网络互联,比如新老校区间需跨越城市主干道;或是建筑物之间的不易架设网线的网络互联,比如建筑物之间有河流、湖泊等自然阻隔,这些情况下使用有线网络介质实现网络互联都比较困难;
2)移动获取网络服务问题:随着笔记本电脑、掌上电脑等移动智能设备的普及,这类移动性强设备对网络接入服务提出了很高的移动性要求,而当前有线网络环境却无法满足此项要求;
3)网络接入要求密集问题:当大量用户在一个相对空间狭小的地点同时要求网络接入时,比如学校电子阅览室,如果用电缆连网,恐怕连铺设电缆的位置都很难找到的情况;
要解决上述问题,就促使我们必须打破有线网络通信介质的束缚,寻求使用无线局域网通信介质扩充网络的解决方案。
2 无线局域网的性能和特点
无线局域网(WLAN)是指利用无线电波作为传输介质,使用无线射频(RF)技术实现与设备位置无关的网络数据传输体统,是一种数据传输系统,是从有线网络系统发展而来的一种新技术,使用无线射频技术通过空中收发数据,从而减少使用有线连接。一般来说,凡是采用无线传输数据或媒体计算机网络都称为无线网络,它是计算机网络与无线通信技术相互结合共同发展的产物。
当前,在诸多计算机连网技术中,无线局域网技术以其无需布线、在一定区域漫游、安装运行费用低廉等特点,在许多场合发挥着其他连网技术不可替代的作用。
3 无线局域网在校园网应用优势
如前所述,根据无线局域网技术的特点,其在校园网应用中的具有一些优势,这些优势主要表现在三种典型的应用:
3.1 无线局域网实现校园网扩展中的优势
无线局域网的安装维护简单,无需布线或开挖沟槽可实现快速安装,对在已建建筑群区域使用,及对具有一定物理分隔或是其他无法进行有线传输介质铺设的网络连接需要时,无线局域网能提供更简单的网络接入保障。另外,当网络发生故障时,网络管理员不必巡线寻找损坏的线路,只要检查信号发送与接收端的信号是否正常即可判断网络故障所在。因此使用无线局域网技术相比使用有线网络技术而言,在很大程度上简化施工维护难度的同时还能有效地削减施工成本。
3.2 无线局域网实现校园网移动接入的优势
无线局域网技术具有无缝覆盖, 不受布线接点位置的限制的优点,使传统的有线网络传输距离得到了无线的延伸,克服了布线困难的问题。有线网络难以延伸的区域,可由无线局域网覆盖,在无线局域网的信号覆盖范围内的任何一个位置都可以接入网络,使得网络的接入和扩容非常的灵活。具有有线网络不具有可移动性,为学生和教师提供移动网络服务。传统校园网为学生和教师提供了像互联网接入、图书馆和数据中心等服务,但是用户为了使用这类服务不得不整天在它们之间奔波。如果学生与教师使用了配有无线网卡的便携式计算机,他们就可以在学校的任何时间、任何地点来使用这些校园网提供的服务,可以很方便地建立虚拟教室和调研项目,为学生提供方便即时的无线上网服务。
另外,无线局域网还可以对临时教学活动提供灵活方便的服务。一间教室有可能有不同用途,而该教室中的计算机也可能需要被拿到另外的教室中用于其它用途。无线局域网产品可以很容易地实现这些频繁移动的计算机之间的网络互连,从而很快地将一个本来是用于其他目的的教室变成你需要的功能教室,省去了布线的费用以及所耗精力。
3.3 无线局域网技术实现校园网密集接入的优势
无线局域网技术具有大容量接入,且不受布线束缚接入方便的特点,一个信道可以支持多用户共享,大大的提高了设备逻辑端口密度,更适合在用户密集的热点地区部署。就目前使用的无线局域网接入设备而言,理论上一台AP(无线访问节点)可以提供250台以上安装了无线网卡的电脑或其他移动智能设备接入网络,由于没有线缆,根本上解决了有线网络在密集接入中需要考虑的布线问题和多交换机级联、多交换机设置等问题。同时也节省了购置线缆和其他网络连接设备的费用。对于校园网中电子阅览室、礼堂等这类室内空间且需要提供密集连接场所的网络接入要求,相比使用有线网络技术而言,使用无线局域网技术的确可以起到事半功倍的效果。
并且,无线局域网采用CSMA/CA介质访问协议,与有线以太网IEEE802.3的MAC物理链路层标准CSMA/CD兼容,所以能与标准以太网及目前的几种主流的网络操作系统完全兼容。因此,在网络连接由有线以太网方式改为无线局域网方式时,用户已有的网络软件可不做任何的设置修改,就能在新的网络环境中正常运行。所以在原有有线网络环境下实现无线网络的改造比较方便。
4 无线局域网在校园网应用中的缺点
目前无线局域网技术在校园网络中仍然无法完全取代有线网络的,其原因主要在于一下三方面:
4.1 信号抗干扰性、穿透性弱
我们目前的校园环境中的无线信号本就种类繁多。比如校园内的广播站信号,移动通信信号甚至是办公室里的微波炉产生的微波,而这些都能对同样利用无线电波作为传输介质的无线局域网产生影响。这和通常使用抗辐射屏蔽技术的无线局域网传输介质相比的能力有较大的差异。而且无线电波的较差,当AP与安装无线网卡的接入设备之间有建筑或其他各种障碍物或干扰体遮挡时,信号的衰减相当明显,这也是无法和有线网络相比的。
4.2 传输距离有限
由表1可知无线局域网的理论最大传输距离比较有线网络的没有优势。且由于上文所述无线局域网信号抗干扰性、穿透性弱的原因,在实际应用中其有效传输距离往往很大程度上低于理论最大值。故而在进行长距离网络传输时,还是使用有线网络技术。
4.3 数据传输带宽有限
从表2和表3中我们可以看出,就理论数值分析,无线局域网的速度较有线网络有一定的差距。而且,一般状态下无线局域网的用户实际使用中上并未达到理论速度的最大值。业界公认,无线局域网的实际传输速度是最大传输速度的一半以下。而这样的速度仅仅接近100M有线网络的传输带宽。更何况由于前文提到的原因,无线信号易受干扰,在传输距离较长时,信号衰变较快,因而上述的实际传输带宽也仅仅时短距离,无信号干扰的理想环境中的测试值。因此在对传输带宽要求比较高的的网络部分,比如校园网主干网建议使用有线网络技术架设。
5 结束语
从前文可以看出,校园网中引入无线局域网技术能很好的扩展和补充单一有线局域网的缺点,这样的综合方案能有效的涉及校园网络的实际建设要求,在现阶段无线局域网虽然无法完全取代有线局域网的传输主干的作用,但可以明显的增强原有有线校园网的实用性,补充原有有线校园网的功能性。随着无线通信技术的成熟和提高,无线局域网技术必将得到广泛的应用,使校园网中无线局域网与有线网络的结合使用成为当前校园网络发展趋势。
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论文关键词：ZigBee，通信模块，无线技术，电能管理系统
0 引言
随着全球范围内智能电网建设正逐步展开，用户端是智能电网重要组成部分，用户端的核心内容包括智能配电与能量管理、智能电器、用电安全、电力计量等多个方面。目前能量管理系统都会考虑采用多种通信技术混合组网的方式，以克服现有技术固有的一些不足，从而达到满足系统性能和投资回报的要求。目前工业以太网、电力线载波及无线短距离通信被认为是AMR自动抄表系统可用的解决方案。其中无线短距离通信是一个很好的本地通信网络的解决方案，工业以太网、GPRS及CDMA等远距离通信可以作为远程通信网络，以这样方式的混合组网被公认为一种很好的解决方案。随着一种新兴的短距离、低速率无线网络技术ZigBee技术的兴起，基于ZigBee技术的本地无线自动抄表系统成为了一个热点。本文主要介绍了一款基于ZigBee技术无线模块的设计及其在ZigBee无线自动抄表系统中的应用。
1 ZigBee技术的特点
ZigBee无线技术的特点是低耗电、低成本、低数据速率、短距离、通信可靠性高。它的网络拓扑主要支持3种自组织无线网络类型，即星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和树型结构(Cluster Tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。这使ZigBee技术在低耗电、低成本、低数据速率、可靠性强的无线抄表系统中发挥巨大的作用。
2 ZigBee无线模块的设计
本文设计的ZigBee无线模块采用导轨式安装的安装方式，可以方便地安装在35mm的标准导轨上，这使模块能灵活的安装在各类配电箱、配电柜中。其外观侧视图如图1所示。ZigBee无线模块的技术指标如表1所示。
表1 ZigBee无线模块的技术指标
ZIGBEE采集器
ZIGBEE网络终端
无线
频率范围
2.41GHz~2.48GHz
RF信道
16
接收灵敏度
-94dbm
发射功率
-27dbm~25dbm
天 线
外置SMA天线
网络拓扑
网状
寻址方式
IEEE802.15.4/ZIGBEE标准地址
网络容量
最大255个节点
通信接口
通信接口
RS485
工业以太网
波特率
9600bps（默认）、4800bps、2400bps、1200bps可选；
随着“云技术”的日益发展，诸如云储存、云计算、云平台等云应用服务得到了各界的广泛关注。近年来，世界各大公司竞相构建大型数据中心来为云服务提供硬件支持。数据中心网络(dcn)是构建数据中心的一个重要部分，它需要能联结百万台服务器，同时亦能为云技术提供合适的带宽。
数据中心网络通常基于3层拓扑结构：核心层、聚集层、边缘层。常见数据中心内部网络拓扑图如图1所示。在图1中，位于机架内的服务器通过架顶式交换机互联，同时，它们与汇聚层和核心层的交换机组成了一个多根树。由于核心层的根节点数量有限，当数据中心负载较大时，这些节点容易成为整个数据中心网络的“瓶颈”。故而在网络实际通信中，服务器之间数据传输所能达到的吞吐量可能比实际可用带宽低许多。
为了解决网络中部分节点过热问题，人们开始研究数据中心网络的拓扑结构和路由协议等优化问题，这些研究大多采用添加新路http://径的方法(尤其是互不相交的路径)以便增加端到端吞吐量。这些方法取得了一定成效，然而在以太网中，人们仍然难以应对大量的高突发流量，这是因为以太网中的静态链路和有限网络接口会引起部分服务器堵塞，从而对其他服务器产生副作用。另外，数据中心网络通常需要大量服务器合作完成一项任务，此时，高负载的服务器可能会进一步降低数据中心网络性能。
通常人们尝试借助有线链接以外的其他媒介来解决数据中心网络中节点过热、服务器拥塞等问题，无线数据中心网络(wdcn)就是其中之一。本文将综述近年来无线通信技术在数据中心领域的发展现状与关键问题，并从设计构造与性能优化两个方面具体展示当前学术界对无线数据中心网络的研究成果。
1 无线数据中心发展现状
与存在的问题
由于无线通信在数据中心网络应用中的特殊性，无线数据中心网络和基于有线的传统数据中心网络存在很大区别。随着极高频(ehf)技术(特别是60 ghz无线通信技术)的引入，用高速率的无线通信传输数据成为了现实(吞吐量可达4g bit/s)，从而使在数据中心中应用无线通信技术成为可能。于是，2008年出现了首篇讨论在数据中心网络中应用60 ghz无线通信技术的论文[1]，文章提出用无线链接替换部分有线链接，可以降低布线复杂度，降低冷却开销，减少大量的成本，从而大幅提高数据中心网络的性能。此外，60 ghz无线通信技术在数据中心网络中的应用还有其他几大优势：
(1)7 ghz的可用频谱(57～64 ghz)使得采用60 ghz无线通信技术能够提供达到吉比特每秒量级速度的多条链接。
(2)60 ghz频段在减少无线信号干扰的同时也减少了被监听的机会。
(3)无线网络更益于数据中心网络的扩容和提升。
(4)无线网络可以按需建立，它能动态改变数据中心网络的拓扑结构，使其更适合当前网络环境。
2009年，美国微软研究院的kandula等人[2]指出可以增加新的“飞路”(flyways)来缓解部分“热节点”(hot node)的拥塞状况。之后，另有数十篇学术论文从设计构建和性能优化两个方面讨论无线通信技术在数据中心网络的应用。
在设计构建的方面，当前研究主要借助波束成形技术和特殊物理环境[3]使60 ghz无线通信技术能够有效部署在数据中心中。该方向的研究目标是证实无线通信技术应用在数据中心网络中的可行性和优越性。人们提出各种新颖的机架摆放形式并尝试利用天花板反射[4]等方法来更好地把无线通信技术应用到数据中心网络中。
在性能优化方面，除了前文提到的“飞路”策略以外，目前研究方向主要集中于无线通信在数据中心网络中的调度问题，即无线网络中的信道分配问题。目前的研究[5-7]多尝试应用启发式算法通过分流解决部分节点过热问题，从而使得数据中心网络整体吞吐量最大化，以及整体利用率最大化。
图2展示了当前将无线通信技术应用于数据中心网络的相关研究方向、分支结构、及最新发展现状。其中左分支为设计构建，包含了波束成形、空间排布、以及完全无线等构建技术，而右分支主要介绍了无线数据中心网络中的优化问题，如无线链接调度问题。其中对应的年份表示该技术的发表年份。
尽管上述研究提出了一些解决方案，但离构建性能优越的数据中心网络仍存在一定差距，要将60 ghz无线通信技术很好地应用在数据中心网络中，至少还需要面对以下挑战：
(1)如何克服传输范围限制。尽管60 ghz无线通信技术可以达到很高的数据传输速率，也具有很宽的频谱，但是传输范围极其有限；另一个问题就是因为氧原子吸收这个频段，信号衰减非常迅速。因此60 ghz无线通信技术的有效传输范围大约只有10 m。
(2)如何摆放物理设备。机柜的摆放结构需要经过细致考虑，无论是星型结构抑或方阵结构，都要设计好配套的路由和中继机制。
(3)如何设计精确的无线调度机制。为了缓解热节点的拥塞，建立无线链接后，需要使用正确的信道分配算法保证各信道互不干扰。现有的研究成果针对信道问题建模，利用遗传算法等启发式算法来解决干扰问题，但无法保证算法优劣性，也无法准确求出算法近似比，在性能表现上存在较大不确定性。
(4)如何保证全局性能最优。保证全局性能最优即指无线传输的性能(通常由吞吐量衡量)应该考虑全局工作完成时间。
接下来的内容将针对无线网络设计构建与无线通信优化问题两个方面进行论述。我们将从技术发展历程入手分析无线网络设计与构建技术，而根据不同优化方案的讨论着眼于无线通信优化问题。
2 无线数据中心网络的
设计与构建
为了在数据中心网络中使用无线通信，我们首先从物理层面上考虑在数据中心网络中使用60 ghz无线通信技术的可行性以及实用性，并通过合理的机柜摆放及无线节点空间排布，形成有效整体系统结构，使得数据中心网络性能得到大幅提高。
2.1 60 ghz无线通信技术
在之前提到的对“飞路”系统[8]的研究中，kandula等人使用了hxi公司制造的设备，它能提供双工60 ghz的链接。研究结果显示，无线信号强度随着距离的增加而迅速减小，即无线覆盖范围有限。另外，多路效应有可能使得在距离较远时，信号变化会较大。但是通过有向天线可以让信号浮动大幅减小，在25 m处的浮动也不超过5 db，并保证超过1 m距离的高吞吐量(4 m内吞吐量可达2 gbit/s)。图3(左上)是有向天线示例，图3(左中)是该天线的号角(horn)局部示意。有向天线同时可以隔离链接并实现空间重用。在一个典型的数据中心中，在机架上直线排列的60 ghz链接能够保证无线链接的稳定性。除了“飞路”系统外，几乎所有的数据中心无线通信设计方案中都使用了有向天线技术[3, 9]。
另一方面，除了有向天线技术，数据中心中的无线通信还使用了波束成形技术和波束转向技术。这些技术的使用可以提高链接传输速率并借频谱复用技术来增大数据传输带宽。
2.2 空间排布技术
空间排布问题中首先考虑的是广播半径问题。前面提到过60 ghz无线通信技术的天线覆盖范围极其有限，广播半径只有10 m左右。
图3(左下)示意了有向天线在数据中心的广播范围。其中每一个小格表示1个24×48英寸的机柜，10个机柜排成一排，排与排之间横向距离10英尺，纵向距离6英尺。图中的圆形代表在某个机柜顶端60 ghz无线通信设备的10 m广播范围。由图中可以看出，即使10 m的广播半径也足以覆盖17排服务器，对于大多数据中心来说可满足其传输要求。
假设一个数据中心中有n个机柜。当采用传统有线排布方法时，我们可以采用集中式交换机架结构，这样做的好处是线的数量与n同一个数量级，而后果就是布线会很长；也可以采用分布式交换机结构，这样做的好处是布线长度大幅缩短，但是布线长度会随n的增大急剧上升，与n 2同数量级。如果我们采用有线与无线相结合的方式，就可以减少机柜排之间的布线成本。图3(右上)展示了用无线代替有线链接时可大幅降低布线需求，图3(右下)从三维角度更好地展现了结合型数据中心网络的布局。
2.3 全无线构架技术
无线技术的日益成熟使得完全使用无线传输技术来构建数据中心网络成为可能[10]。美国康奈尔大学和微软亚洲研究院的研究者们应用60 ghz射频技术设计了一个非常新颖的数据中心。图4(左)为这种圆形数据中心的结构示意图。
研究者设计了新型机柜和服务器，采用如图4(右上、右下)所示的结构，这些设备会让延时更短，总带宽更大；他们设计了全新的拓扑结构，为端到端的链接提供了多条冗余通路；他们也设计了全新的路由协议，可以让服务器用少量内存短时间内计算路由，并保证路由的有效性和较少跳数。实验结果显示，全无线技术会让数据中心网络的平均网络延迟更短，容错能力更强，资金投入大幅减少。在理想化的情况下，全无线构架会带来更低的造价，更低的能源消耗，以及更低的维护费用。
总体来说，应用60 ghz无线通信技术在数据中心网络中建立新的链路是可行且高效的。通过多维空间利用，数据中心网络的整体性能可大幅提高，甚至理论上有可能搭建出全无线数据中心。然而上述研究多侧重于无线通信技术的可行性与如何提高无线传输速率，对于无线链接调度问题以及新的链接和原有数据中心网络的拓扑结构影响方面的研究较少。
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3 无线数据中心网络的
通信优化
3.1 “飞路”设计
“飞路”是利用无线通信技术解决数据中网络中部分过热点的著名设计方案。此种方案用于解决前文提及的数据中心部分节点过热的问题。图5是数据中心网络节点过热的一个示例。它表现了基于1 500台服务器间的架顶式交换机产生的应用需求矩阵，其中横坐标为源架顶式交换机(即发送端)，纵坐标为汇架顶式交换机(即接收端)，坐标点的颜色深浅表示其需求大小。不难发现，仅有部分交换机对出现较高的需求量，且这些需求量的分布都相对稀疏，但正是这些较热甚至是过热的交换机对严重影响了整个数据中心网络的性能。
“飞路”策略的主要思想在于，通过在原有数据中心网络拓扑结构中添加一些新的链接(即“飞路”)分流上述过热的交换机对的数据流，从而突破传输“瓶颈”，提高数据中心的整体表现。60 ghz无线链接的带宽及动态拓扑结构特性，使得采用无线链接作为“飞路”成为了可行方案。
针对降低过热交换机的通信量这一问题，文章中将优化目标定位为最小化“最大通信时间”，同时需要满足每条链接的传输速率不能高于该链接的容量，并使用贪婪算法每次在最热节点对间添加“飞路”，但这种算法并不能保证结果的最优性，仅对无线通信技术在数据中心网络中的使用提出了一个基本构想和一个简单直接的解决方案。
3.2 “飞路”的实现与评估
2011年，halperin等人提出了一个更加有效可行的“飞路”系统，不仅从硬件上提出可行方案，同时通过模拟仿真验证了该方案很大程度提高了无线数据中心网络的流量，缓解了部分节点过热的问题。在文中作者用需求完成时间(ctd)，即最后一条信息流的完成时间来衡量数据中心网络的性能，尽可能降低ctd。这需要算法能够衡量当前网络流量大小，准确地放置“飞路”，并改变路由机制使得“飞路”得以利用。考虑到除了直接在热交换机对间添加“飞路”，还可以采取间接方式，即经由别的服务器转发这一想法，该文提出了不同的贪心算法，使得每次添加的“飞路”能够尽可能减小ctd。halperin等人在提出“飞路”后，又利用相关物理模型如信号与干扰噪声比(sinr)模型对链接的干扰与实际效果做一定的分析，以验证“飞路”的可行性，并通过调整无线设备天线的位置来增强系统稳定性。总的来说，“飞路”系统多数情况下可使数据中心网络流量提速45%。但是，由于数据中心网络中某些流量的不可预计性或不可跟踪性，“飞路”算法有可能失效。该算法也并未优先考虑链路可行性，忽视了无线网络信道分配问题，系统还有一定的提升空间。
3.3 无线通信的信道分配
鉴于之前研究忽视的信道分配问题，崔勇等人在建立的模型时对无线传输中互相干扰的情况进行了讨论。文献中，作者将一个无线传输的效用定义为一段时间内传输的流量与传输跳数的乘积。无线传输流量越大，传输距离越远，无线链接效用就越大，建立它的收益也相应越高。因此，作者设定的目标函数是将所有无线链接效用之和最大化，并且满足以下约束：对于一个起始节点至多分配一个信道且所有分配信道的总和不得超过天线数量。第一个约束条件保证了信道分配方法不会引入干扰，第二个约束条件保证了一个节点所拥有的活动传输数量应小于该节点的所拥有的天线数量。
所有信道分配状态只有两种，且约束条件也是线性的，所以这个问题实际上可以规约为非多项式(np)完全问题，作者随后基于匈牙利算法设计了一种启发式算法来解决该问题。仿真结果显示，运用此算法后热节点的负载大幅减小，但由于没有与其他调度算法进行比较，无法获知此算法是否有较出色的表现。
3.4 调度算法的改进
2011年，崔勇等人又提出了一种改进调度算法。该算法的目标是最小化最大剩余节点的效用(即一段时间内传输的流量与传输跳数的乘积)，实现按需分配无线链接的效果。该算法仍需满足前面提到的约束。作者设计了贪心算法并分析了算法复杂度。根据仿真效果，此种算法同样可大幅减少热点负荷。
3.5 数据中心网络全局优化
崔勇等人后来的工作所建模型更为全面：不仅考虑了无线传输互相干扰的情况，同时也考虑了自适应传输速率。与之前的研究不同，文献[7]将数据中心网络看作一个整体，不仅尝试最大化无线链接的吞吐量，更着眼于全局工作完成时间。如前文所述，数据中心网络的“瓶颈”通常在于最后完成任务的节点，因而，我们可将将全局工作完成时间作为网络性能衡量指标。文章优化目标为最大化网络总加权吞吐量，从而保证新建立的无线链接确实有效缓解部分过热节点的热度。这里总加权吞吐量是所有传输的网络时延与传输速率的乘积之和。目标函数需要满足3个约束条件，一是节点所拥有的活动传输数量应小于该节点所拥有的天线数量；二是被分配的信道必须在可用信道集合中；三是对于每一个活动的传输，它的信噪比必须大于某一阈值以保证正常通信需求。
作者采用遗传算法(ga)来解决该问题，并定义了dna、代、个体、选择、杂交、变异等重要概念。根据作者的仿真数据，ga算法在解此问题时十分高效；采用继承搜索时提速更为明显(即将上一轮ga的输出作为本时段ga的输入)。
通过对上述方案的分析讨论，我们发现对于无线数据中心网络信道优化问题的研究方法彼此相似：首先根据实际问题进行数学建模，并通过设计合适的算法对目标函数进行求解，最后进行性能分析。具体过程如图6的所示。
总体来看，通过有效的无线链接调度算法能够准确添加无线链接并降低新增无线链接间的干扰，从而极大改善数据中心网络的整体性能。然而，上述研究未能很好地将无线调度算法与实际无线空间排布综合考虑，同时也未能保证无线链接添加的及时性，以上这些问题尚有待于进一步研究。
4 结束语
60 ghz无线通信技术的快速发展使得无线通信在数据中心网络中的应用成为了可能。本文综述了无线通信技术在数据中心网络中http://的可行性、优越性、研究现状以及尚未解决的问题。无线技术存在许多优势：它可以有效动态地改变数据中心网络的拓扑结构，能缓解数据中心网络部分节点过热问题，能减少布线复杂度。上述介绍的工作与构建皆展示了无线技术应用于数据中心网络的优越性与高效性。当然，由于在数据中心中使用无线通信技术的研究时间并不长，它仍然存在着诸如如何调度无线通信信道，如何合理应用空间进行排布，如何弥补60 ghz无线信号范围小穿越障碍物能力差等问题，值得我们继续深入研究。
[关键词] 无线mesh网络；智能配电网；多跳网络；点对点模式；用电信息采集；数据传输单元
[abstract ] Using wireless mesh network technology, the establishment of a smart distribution grid wireless communication system, the realization of smart distribution grids in a new data communication management model to enhance the distribution network terminal information transmission efficiency, reliability and security. This paper introduces the principle of the wireless mesh network architecture, as well as the feasibility of practical application.
[keywords]WMN；Smart distribution grid；Multi-hop networks；Ad-Hoc mode；Electricity Information collection；DTU
中图分类号：TM421 文献标识码：A
一、引言
智能配电网作为智能电网的重要组成部分，对线损管理、供电质量、可靠性和安全性提出了新的需求，覆盖整个电网的信息通信系统是实现智能配电网数据传输和使用的基础。智能电网的监测、保护和控制需要一套坚强的信息通信系统作为支撑。
在大多城市配网建设中，由于城区地势风貌等原因，给布网带来不便，有些居民区内箱式变电站不具备铺设光纤的条件。在现阶段采用的各类无线通信技术中，由于高大建筑物和较多的城市障碍物对于无线信号容易产生阻挡和干扰，无线网络性能受到很大影响，同时基站天线的覆盖范围有限，在较大区域提供无线覆盖需要配置多个基站,无形中增加了建设成本。本文提出的蜂窝状网状（Mesh）拓扑结构就是针对这些问题做的进一步实用性分析。
二、无线Mesh网络简介及原理
无线Mesh网络也称为“多跳（multi-hop）”网络，它是一种与传统无线网络完全不同的新型无线网络技术。在传统的无线局域网(WLAN)中，每个客户端均通过一条与接入点(AP)相连的无线链路来访问网络，用户如果要进行相互通信的话，必须首先访问一个固定的AP，这种网络结构被称为单跳网络。而在无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这样，安装在箱式变电站或是小区变电所内的无线Mesh节点就可以自动组成网状网络。在Mesh网络中，每个终端变电站既是网上的用户，也作为网络基站为其他设备提供接入服务。当站点增多时，这种组网方式可以提供更多的容量和更大的覆盖范围。
图1：Mesh组网结构示意图
作为一种特殊的Ad-hoc（点对点）网络，无线Mesh网络（以下简称WMN）具有分层的网络结构，其传输骨干网具有多跳、拓扑稳定、无供电约束、业务流量相对汇聚等特性。提高WMN频谱空间复用度是增加网络容量有效的方法，而其设计的关键是有效控制无线链路间的干扰范围。基于多信道的组网技术是WMN关键技术之一，其核心是信道的分配，通过合理的信道分配以获得最大信道利用率。WMN中路由度量的选取需要考虑多跳无线链路间的相互干扰，而通过采用负载均衡路由技术可以均衡网络资源的使用，从而提高网络容量和节点的吞吐率。
其典型结构是一种分级网络结构：Mesh路由器互联构成多跳无线骨干网，负责数据的中继；骨干网一般通过网关节点与其他网络互联，而Mesh客户节点通过Mesh路由器接入到WMN。
三、无线Mesh网络特点
WMN是一种多跳的，具有自形成、自愈和自组织能力的无线网络。虽然WMN具有上述无线Ad-hoc网络的特性，但是WMN与无线Ad-hoc网络之间仍然存在许多重大差别。首先，Ad-hoc网络中节点是移动的，所以其网络拓扑结构具有动态变化特性；而在WMN中，负责中继的Mesh路由器一般是静止的，所以骨干网的拓扑结构保持相对稳定。由于节点的移动性使得设备供电受限，在Ad-hoc网络的组网协议设计中必须考虑功耗因素，而WMN的中继节点保持静止，便于实现外部供电，所以功耗的限制相对减弱。另外，Ad-Hoc网络的设计目标是为了实现移动节点间的对等网络通信，而WMN 着眼于为各种业务需求的客户节点提供无线宽带接入功能。这些都恰好满足智能配电网终端数据采集的诸多外部条件。
四、实际中的系统搭建
配电网与用电的民众关系更为紧密，需不间断的高效运转。在实际应用中，无线通信的速率和带宽是首要解决的问题，通过架设无线Mesh网络解决配电线路的短路故障、接地故障、温度、开关状态等实时在线监测信息的传输，实现配网终端数据传输单元（DTU）与调控中心之间的点对点联系。
图3：基于无线mesh网络的配电自动化通信系统
Mesh设备自组网功能提供了自动组网、自动配置、自动修复和自动性能调整功能，提升了系统整体性能和可用性。替代了造价高昂的光纤网络、传统的低带宽电台技术，降低了部署成本和运营成本，同时设备的智能频点扫描和多频点规划能力，避免无线Mesh网络系统内的干扰问题；配合扇区和定向天线，减少Mesh中继链路和无线回传点处受到外界干扰的机会，每基站均根据信号强度、链路质量、跳数、性能、时延等多种参数的加权平均值建立具有多个Mesh链路的路径表，根据网络可达性和链路指标进行自愈和自动链路性能调整，网络自愈或者Mesh链路切换不会造成数据传输中断。
通过架设Mesh无线网络，利用其所提供的冗余机制和重新路由功能，当网络中某一点设备出现故障，不会影响到整个网络，该功能充分保证了对配电网终端设备各项状态信息监测，帮助运行维护人员进行故障诊断和定位，减少 “三误”事故，使智能配电网系统的可靠性得到充分保障。
五、结论
Mesh技术在智能电网中的应用，不仅仅提高了电网企业内部的工作效率，而且提高了整个电网企业的经济效益和社会效益。利用Mesh组网的多样性和灵活性结合配电网终端智能装置，实现配网自动化系统、调度自动化系统、用电信息采集系统之间的各类实时数据、静态数据、图形数据的交互，进而实现配电网规划、生产、调度、营销等各业务系统信息的无缝传输和共享。同时，对于电网公司来说，也可以实时了解用户的用电状态，对电能进行最优配置与利用，提高电网运营的可靠性和能源利用效率。
参考文献
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