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浅谈无线自组网的发展史和应用
浏览次数:(538)次 / 责任编辑:腾远智拓 / 更新时间:2023-10-20 08:54:36
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一、无线自组网的定义

无线自组网(Wireless Mesh Network)是一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个无中心、多跳、自组织的网络,是一种移动计算机通信网络。相比传统的基础设施模式,无线自组网具有较强的扩展性、灵活性和自组织性。它可以在没有中心控制节点的情况下,通过节点之间的协作和路由选择,实现覆盖范围更广、容量更大、鲁棒性更强的无线通信网络。

通信网络包有多种拓扑形式,比如链状拓扑、星状拓扑、网状拓扑以及混合状拓扑结构组网,如下图所示。


a)链状拓扑

b)星

c) 网状拓扑 

    

 d)混状拓扑

 

▲网络拓扑结构


二、无线自组网的发展过程

自组网的发展过程分为移动自组网和无线传感器网络这两个重要分支。移动自组网起源于二十世纪六十年代末期,无线传感器网络起源于二十世纪九十年代末期,具体发展过程如下: 

1、移动自组网 

移动自组网(Mobile Ad hoc Network)分为两个阶段:

◆二十世纪六十年代末到八十年代末期,是基于军事通信应用的初期发展阶段。

◆二十世纪九十年代至今,是基于军事通信和民用通信应用的快速发展阶段。

 

(1)军事通信的初期发展阶段

移动自组网的出现,最早来自军事通信的需求。首先作战部队的快速移动,要求相互间通信只能采用无线方式。其次军事通信网要求具有抗毁性,不能因为个别节点的摧毁造成整个网系的瘫痪,为此要求通信系统最好采用无中心、分布式协调方式组网;在某些战场环境下,无法预先布设通信基础设施,参战单位多元化,需要一种能快速展开的移动自组网。此外,战场无线频谱资源越来越紧张,100MHz以上的频段只能进行视距传输,限制了无线通信的范围,为实现远距离用户的信息交互,必须采用多跳中继转发方式。

Ad hoc网络技术的起源可追溯到1968年的ALOHA项目和1972年的PRNET网络。1968年,美国夏威夷大学为了将分布在四个岛屿的七处校园内的计算机之间互连,构建了第一个无线自组网――ALOHA系统。在该网络中,计算机不能移动,相互之间一跳可达。该项目首先研究了共享无线媒介的多站点接入信道问题,提出了著名的ALOHA协议。

1972年,夏威夷大学在美国国防部预先研究计划局的支持下,开发了支持节点移动的分组无线电网络 PRNET(Packet Radio Networks)。与 ALOHA 不同,PRNET允许在一个更广地理范围内,采用分组多跳存储转发方式进行通讯。PRNET设计时希望网络的形成无需人工干预,系统能自动初始化和自动运行。这意味着网络节点能够发现邻居节点,并根据这些邻居节点形成路由。

1983年,DARPA资助进行了具有抗毁性和自适应的无线网络SURAN项目。该项目重点解决以下三个关键技术问题:当时的无线通信装置体积大,功率大,成本高。组网算法虽然在小规模网络上得到验证,但是无法支持大规模网络。网络抗电子干扰能力差。该项目研制出低成本的分组无线电电台-LPR。电台带有集成微处理器-Intel8086,采用直接序列扩频技术和自适应前向纠错技术提高抗干扰性。基于LPR平台,研究人员提出一种基于分层链路状态路由协议,以支持大规模网络。 

美国海军研究实验室于20世纪70年代末研制完成了短波自组织网络 HF-ITF 系统,该系统能够保障海军特遣舰队在500公里范围的舰只、飞机、潜艇相互之间进行联网。系统工作在短波频段,是采用跳频方式组网的低速自组织网络。 

(2) 军民并重的快速发展阶段 

二十世纪九十年代初期,随着移动通信和移动终端技术的高速发展,移动自组网技术不但在军事通信领域得到充分发展,而且在民用通信领域得到应用。 

此前的PRNET、SURAN、HF-ITF系统等项目在自组网内部采用自定义子网协议,未采用标准IP协议。因特网成功推动了将全球信息基础设施扩展到移动无线环境的进程。1993 年,美国国防部启动近期数字无线电台计划,目标是研制支持IP数据业务的战术无线电台。基于该电台可自组织成两层的 Ad Hoc 网络。网络分为若干簇,每个簇由一个簇首和若干簇成员组成,各簇首构成一个骨干网。NTDR配置到美军旅或旅以下部队战术作战中心,是目前少数的“实际”使用的 Ad Hoc 网络之一。1994 年,美国DARPA启动全球移动信息系统(GloMo)计划,目标是为移动用户提供信息服务,使移动无线环境成为国防信息基础设施的重要组成。

WINGs(Wireless Internet Gateways)是GloMo 计划中的一个项目,主要目标是在IP层完成路由功能,实现无线移动自组网与多媒体因特网的无缝结合。 

各种基于无线和红外技术通信设备的广泛出现和便携计算机的流行,产生了移动终端互连的要求,为移动自组网的应用提供了广阔空间。1994 年,C.E.Perkins和D.B.Johnson分别在ACM SIGCOMM和ACM Mobicom会议发表论文,提出了对个人便携设备进行无需基础设施支持的组网思想,并对相应的路由算法进行了探索。这标志着移动自组网技术开始从军事通信领域转向民用通信领域。 1997年,IEEE802.11标准发布,该标准支持一跳的Ad hoc工作模式,进一步推动了无线自组网的发展。同年,IETF 成立了 MANET(Mobile Ad hoc Network)工作组,负责研究支持数百个节点规模的移动自组网路由协议,制定相应标准。 目前该工作组已经形成了三个路由协议的RFC,分别为AODV(RFC3561)、OLSR(RFC3626)、TBRPF(RFC3684)。 

2、无线传感器网络

进入二十一世纪后,无线自组网的一个重要发展方向是无线传感器网络。


 


无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖范围内感知对象的信息,并传送给信息获取者。由于大量微小传感器节点随机分布,每个节点传输功率非常有限,因此只能采用无线自组网技术进行组网通信。

2000年,美国陆军提出“无人值守地面传感器群”项目,该项目包括远程战场传感器系统和战术远程传感器系统。目标在于使基层部队指挥员能够根据需要将传感器部署到任何区域,并且详尽收集战场各种精确信息,比如丛林地带的地面坚硬度和干湿度,为更准确地指定战斗行动方案提供情报依据。

2001年,美国国防部预先研究计划局启动SensIT计划,该计划研究的关键技术包括:如何以战场为背景,让传感器节点通过自组织方式完成网络的快速部署;如何从部署的传感器网络收集有用的、可靠的、实时战场态势信息。该计划要求SensIT网络具有交互和编程能力,适应动态任务部署和查询;具有多任务能力,允许多用户同时使用;具有精确的感知和跟踪能力。同年,美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划。目标是在战场上部署大量传感器以收集信息,对相关原始数据初步融合后,再把重要信息传送到各数据融合中心,将大量信息集成战场全景图,提高美军战场态势的感知能力。

2002年,美国 Sandia 国家试验室与美国能源部合作,共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击,并及时采取防范对策的系统。同年,INTEL公司发布“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”,宣称将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监测、森林灭火,乃至海底板块调查、行星探测等领域的应用。 

2003年美国国家科学基金会第一次设立传感器网络研究主题,公开征求计划书。2004年,美国国家科学基金会再次设立传感器网络的研究主题。 

3、无线mesh自组网技术



无线 Mesh 网络是无线局域网和移动自组织网络相结合的产物,是一种全新的网络架构。2001年,Inter联合其他厂商首次提出Mesh无线网络架构,在试验初期,主要被用来作为美国军方内部网络使用。2003年,北电网络推出点到点的WiFi+Mesh自组网架构,并计划在今后和传统电信网络相结合,形成互补的无缝漫游网络。2004年以来,Mesh无线自组网被用于宽带城域网的建设中,尤其近年来新起的“无线宽带城市”及多网融合建设。

Mesh自组网络是一种无线局域网类型,也就是网状结构网络,也称为“多跳(multi-hop)”网络。在Mesh网络中,所有的节点都互相连接,每个节点拥有多条连接通道,所有的节点之间形成一个整体的网络,动态地创建新链接和其他节点相连的一项技术,它具有组网简单、方便和可拓展等优点,大幅降低用户对网络部署的成本和复杂程度。

三、无线自组网的应用

相比传统的基础设施模式,无线自组网具有较强的扩展性、灵活性和自组织性。它可以在没有中心控制节点的情况下,通过节点之间的协作和路由选择,实现覆盖范围更广、容量更大、鲁棒性更强的无线通信网络,其应用范围可以覆盖工业、商业、医疗、家庭、办公环境、军事等各种场合和行业。腾远智拓凭借多年的技术研发和创新,积累了多种技术方案和应用案例,已经广泛应有于部队、应急、消防、海事、人防、公安、电力、水利、航天等行业领域,并发挥重要的作用。部分应用场景如下:

▲海上通信无线自组网解决方案

移动自组网技术为解决编队船舶之间的通信问题,支持各种信息的快速交互和共享,实现协同感知、协同处理、协同决策和协同攻击,提高海事信息化管理和整体指挥效率。

▲无人系统无线自组网解决方案

以Ad hoc为技术基础的分布式无中心IP MESH网络是无人系统协同作战的通信基础,可以支持各种信息的快速交互 和共享,实现协同感知、协同处理、协同决策和协同攻击,从而提高无人系统的生存能力和整体作战效率。

▲电力无线自组网解决方案

电力巡检时通过自组网进行组网,检修人员通过穿戴智能设备与自组网无缝对连,在提升管理水平的同时,也在人员安全方面进行了有效保护,把整个巡检作业的工作效率通过无线通信技术提高和完善。

▲应急无线自组网解决方案

当自然灾害发生时,公网信号消失或减弱,指挥救援队伍需要马上组建一套无线传输通信网络,将现场的情况传到指挥中心,中心通过调度指挥系统进行远程调控;前场可由应急通信指挥车、单兵自组网设备、机器人机载自组网设备、便携式指挥箱等终端进行组网。


文案 | 小腾/网络

图片 | 小腾/网络

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