一種雙頻混合無線自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：通過雙頻設(shè)計(jì)分別負(fù)責(zé)發(fā)送和接收使數(shù)據(jù)，使自組網(wǎng)的傳輸效率得以較大提高，通過自組網(wǎng)和有中心網(wǎng)絡(luò)的混合組網(wǎng)，使得網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)規(guī)模和系統(tǒng)抗毀性均有較大提高。

關(guān)鍵詞：自組網(wǎng)；無線通信；雙頻

中圖分類號(hào)：TN929.5

1 無線自組網(wǎng)與有中心網(wǎng)絡(luò)

無線自組網(wǎng)是一種新型的無線通信模式，由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的一個(gè)多跳頻的臨時(shí)性自治系統(tǒng)，在這種環(huán)境中，由于終端的無線通信覆蓋范圍的有限性，兩個(gè)無法直接通信的用戶終端可以借助其他終端的分組轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這種網(wǎng)絡(luò)中不存在固定的基礎(chǔ)設(shè)施，如路由器、無線基站等，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都兼有路由器和終端兩種功能。作為終端，節(jié)點(diǎn)可以運(yùn)行各種面向用戶的應(yīng)用程序；作為路由器，節(jié)點(diǎn)需要為其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。自組織網(wǎng)絡(luò)不需要任何中心控制，網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)檢測(cè)和無縫集成新節(jié)點(diǎn)；反過來，當(dāng)任何節(jié)點(diǎn)移出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，剩余節(jié)點(diǎn)也能自動(dòng)重配置來適應(yīng)新的場(chǎng)景。這種無設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)能夠在沒有或者是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施失效的情況下，提供終端之間的相互通信，它可以在沒有或不便利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下提供一種通信支撐環(huán)境，從而拓寬了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境。

蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)都屬于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施范疇，它們需要類似基站或訪問服務(wù)點(diǎn)這樣的中心控制設(shè)備，每臺(tái)終端均需要通過中心節(jié)點(diǎn)來交換信息，一旦中心節(jié)點(diǎn)因故障不能工作，所有終端無法聯(lián)通。

1.1 與其他有中心的通信網(wǎng)絡(luò)相比，自組網(wǎng)具有以下優(yōu)點(diǎn)

（1）網(wǎng)絡(luò)的自組性——自組網(wǎng)相對(duì)常規(guī)通信網(wǎng)絡(luò)而言，最大的區(qū)別就是可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，快速構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)；

（2）靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——自組網(wǎng)中，移動(dòng)通信用戶終端可以以任意速度和任意方式在網(wǎng)中移動(dòng)，移動(dòng)終端之間通過無線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)可能發(fā)生變化；

（3）分布式控制網(wǎng)絡(luò)——自組網(wǎng)中的用戶終端都兼?zhèn)洫?dú)立路由和主機(jī)功能，不存在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中心控制點(diǎn)，用戶終端之間的地位是平等的，網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議通常采用分布式控制方式，因而具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性。

1.2 自組網(wǎng)的缺點(diǎn)也同樣突出

（1）有限的無線傳輸帶寬——受無線頻譜帶寬的限制，加上通信沖突、信號(hào)衰減、噪聲和信道間干擾等因素的影響，加上維持自組網(wǎng)的鏈路開銷較大，自組網(wǎng)的有效傳輸帶寬很有限；

（2）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模局限性—自組網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不宜過大，一旦用戶終端數(shù)量超過限值，通信效率急劇下降。

為同時(shí)兼顧自組網(wǎng)的靈活組網(wǎng)和中心網(wǎng)絡(luò)通信效率高的特性，我們?cè)O(shè)計(jì)研制了一種雙頻混合自組網(wǎng)，取得了較好的效果。

2 雙頻混合自組網(wǎng)的設(shè)計(jì)研發(fā)

雙頻混合自組網(wǎng)頻率工作在433MHz和其他頻率下。

2.1 混合自組網(wǎng)組網(wǎng)模式

（1）單頻自組網(wǎng)。當(dāng)系統(tǒng)工作在433MHz時(shí)，系統(tǒng)采用單頻自組網(wǎng)方案，所有終端的接入和回傳均工作于同一頻段，此時(shí)相鄰節(jié)點(diǎn)之間存在干擾，所有節(jié)點(diǎn)不能同時(shí)接收或發(fā)送，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了時(shí)分工作模式，在多跳范圍內(nèi)用CSMA/CA的MAC機(jī)制進(jìn)行協(xié)商，確保系統(tǒng)在工作間隙進(jìn)行發(fā)送或接收；

（2）雙頻自組網(wǎng)。當(dāng)系統(tǒng)同時(shí)工作在433MHz和其他工作頻率時(shí)，系統(tǒng)組成雙頻自組網(wǎng)，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的回傳和接入均使用兩個(gè)不同的頻段，如接入服務(wù)用2.4 GHz信道，回傳網(wǎng)絡(luò)使用433MH信道，互不存在干擾。這樣每個(gè)終端就可以在服務(wù)本地接入用戶的同時(shí)，執(zhí)行回傳轉(zhuǎn)發(fā)功能。雙頻組網(wǎng)相比單頻組網(wǎng)，解決了回傳和接入的信道干擾問題，大大提高了網(wǎng)絡(luò)性能；

（3）混合自組網(wǎng)。系統(tǒng)參照MESH網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了一套混合自組網(wǎng)模式，系統(tǒng)按三層節(jié)點(diǎn)兩層架構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多層MESH網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款中繼作為主站，各終端為接入節(jié)點(diǎn)，每臺(tái)終端之間可以組成自組網(wǎng)進(jìn)行通信，同時(shí)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)趨于穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)通過預(yù)設(shè)或臨時(shí)推選的模式設(shè)定一臺(tái)終端作為中心主站，負(fù)責(zé)管理和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)還提供了更大的冗余機(jī)制和通信負(fù)載平衡功能，每臺(tái)設(shè)備都有多個(gè)傳輸路徑可用，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)載情況動(dòng)態(tài)地分配通信路由，從而避免了節(jié)點(diǎn)的通信擁塞，有效地解決單跳網(wǎng)絡(luò)不能動(dòng)態(tài)地處理通信干擾和接入點(diǎn)的超載問題。

系統(tǒng)從開機(jī)到進(jìn)入有序狀態(tài)一般要經(jīng)歷以下幾個(gè)過程：1）無中心自組網(wǎng)階段。系統(tǒng)開機(jī)后，進(jìn)入無中心自組網(wǎng)階段，各終端按自組網(wǎng)協(xié)議交換路由信息，組成自組網(wǎng)；2）有中心網(wǎng)絡(luò)階段。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后，由指定的頂級(jí)主站或推選一個(gè)最高等級(jí)的中繼基站擔(dān)任控制基站，系統(tǒng)進(jìn)入有中心階段，由控制主站維護(hù)全系統(tǒng)的路由信息，管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。但各終端的信息傳遞不一定要經(jīng)過控制基站進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而是選擇最優(yōu)路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；3）如果因某種原因控制基站無法工作后，系統(tǒng)又進(jìn)入無中心自組網(wǎng)階段。經(jīng)過一段時(shí)間后系統(tǒng)進(jìn)入有中心網(wǎng)絡(luò)階段。

2.2 混合自組網(wǎng)特點(diǎn)

自組網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，無需設(shè)置任何的中心控制節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不僅具有普通移動(dòng)終端所需的功能，而且具有路由和報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力?；旌辖M網(wǎng)方案同時(shí)吸收了自組網(wǎng)與有中心網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的抗毀性和自適應(yīng)特性，并保證了較高的傳輸效率。

（1）抗毀性強(qiáng)。系統(tǒng)在沒有中心主控基站的情況下自動(dòng)進(jìn)入自組網(wǎng)絡(luò)模式，沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，即是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入和離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性；

（2）自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)或展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為，兩臺(tái)以上終端開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)；

（3）多跳路由。當(dāng)節(jié)點(diǎn)要與其覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，需要中間節(jié)點(diǎn)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)，與固定網(wǎng)絡(luò)的多跳不同，自組網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即終端或車載主站完成的，而不是由專用的路由設(shè)備（如路由器）完成的，也就是說，各終端在不需要主控基站的情況下，即可完成多跳接力通信；

（4）動(dòng)態(tài)拓?fù)?。自組網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)，也可以隨時(shí)開機(jī)和關(guān)機(jī)，這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，這些特點(diǎn)使得結(jié)點(diǎn)在體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)組織、協(xié)議設(shè)計(jì)等方面都與普通的蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和固定通信網(wǎng)絡(luò)有著顯著的區(qū)別?；旌辖M網(wǎng)同時(shí)吸收了有中心網(wǎng)絡(luò)和自組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，每臺(tái)終端都具備路由功能，維持著一個(gè)動(dòng)態(tài)的路由，確保網(wǎng)絡(luò)處于最優(yōu)狀態(tài)。

（5）組網(wǎng)規(guī)模大。自組網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)是不能組成較大的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過大時(shí)，系統(tǒng)為了維持網(wǎng)絡(luò)生存所耗費(fèi)的通信資源將使得網(wǎng)絡(luò)趨于崩潰?；旌献越M網(wǎng)為了保證組網(wǎng)規(guī)模，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定的情況下系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為有中心的網(wǎng)絡(luò)；

（6）傳輸效率較高。自組網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)超過一定規(guī)模后，維持網(wǎng)絡(luò)生存所耗費(fèi)的通信資源十分巨大，這使得網(wǎng)絡(luò)有效傳輸效率急劇下降?；旌献越M網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模超過一定數(shù)量時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為有中心的網(wǎng)絡(luò)，由中心主控基站控制和維護(hù)路由信息，來保證足夠的帶寬用于傳遞有效信息。

3 結(jié)束語

我們按照上述設(shè)計(jì)方法研制了相應(yīng)的產(chǎn)品，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了較大規(guī)模組網(wǎng)（超過200臺(tái)終端）和較高的傳輸速率（大于256K有效傳輸值），同時(shí)系統(tǒng)的抗毀性和靈活性大增加，具有較高的推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：劉海生（1968.01-），男，山東莒縣人，軍事學(xué)碩士，技術(shù)總監(jiān)，高級(jí)工程師，研究方向：智能移動(dòng)終端的支撐軟件、電子政務(wù)。

作者單位：華戎信息產(chǎn)業(yè)有限公司，濟(jì)南 250001