無線自組網技術研究綜述

張 莎，李騰飛

（短距離無線電設備檢測與評估工業和信息化部重點實驗室，深圳 518000）

0 引言

隨著無線通信技術的不斷發展，通信模塊的集成處理能力也得到很大提升，使通信節點的成本不斷下降。因而在實際的應用中，如何通過僅部署低成本的通信節點就可以實現特定場景要求下的無線通信，并且能夠滿足信息采集、信息回傳等需求，已成為我們首先考慮的問題。

對于電網信息傳輸而言，其具有以下幾個特點[1]：一是節點位置相對固定；二是通信信道基本為單徑信道，多普勒效應不明顯；三是節點數量龐大且密度較高；四是數據量小，數量龐大，存在多用戶并發的狀況。除上述特點以外，很多的電力網絡中存在多用戶并發的情形，其并發量可能達到幾百甚至上千，因而就要求通信系統必須具備在短時間內處理多用戶并發情況的能力。同時，考慮到電網的部署要求和其自身情況的特殊性，與移動通信網絡相類似的網絡規劃的方法難以在網絡拓撲的提前部署中采用，因此，在實際應用中，就需要另外設計相應的無線自組網通信協議。

在現有的無線自組網技術標準中，802.15.4g 是一種較為流行的通信協議，我們首先對802.15.4g 進行介紹，然后對無線自組網的物理層設計與路由技術進行總體描述，最后給出當前具有實用化特征的自組網結構并對比其特點。

1 政策法規及監管

為適應無線電技術發展趨勢，深入貫徹“放管服”精神，落實《中華人民共和國無線電管理條例》，切實減輕企業負擔，2019年11月19日，工業和信息化部發布了2019年第52號公告，對微功率短距離無線電發射設備（以下簡稱微功率設備）生產、進口、銷售和使用進行了規范。該公告充分考慮頻率使用現狀、系統間干擾共存要求、應用發展需要等因素，在廣泛征求了各行業、各部門的意見，并公開向社會征求意見后發布。公告對原有微功率設備目錄進行了調整，并對微功率設備的頻率、臺站和設備管理要求，干擾處理原則，使用要求和技術指標等方面內容進行了規定。802.15.4g 技術的應用應符合國家無線電管理的相關規定。

2 802.15.4g 概述

802.15.4g[3]-[9]標準定義了物理層的用于數據傳輸的無線物理信道以及MAC 層間的接口，它提供了PHY 層數據服務和PHY 層管理服務[2]兩種功能服務。該標準給出了兩種物理層標準：2.4 GHz 物理層和868/915 MHz物理層。

（1）915 MHz 與868 MHz 頻段：915 MHz 為美國頻段，868 MHz 為歐洲頻段，通信距離遠，一定程度上減小了通信衰減，增強了信號的繞射和穿透能力。因此，這兩個頻段上的多路徑傳播負面效應小，信號干擾小。其中，868 MHz 頻段和915 MHz 頻段上分別定義了1個信道和10個信道，其信道的中心頻率如下（k 為信道編號）：

（2）2.4 GHz 頻段：全球統一頻段，采用該頻段可提高通信速度，從而提高吞吐量、縮短運行周期以及通信時延；頻段上定義了16個信道，中心頻率為：

IEEE802.15.4共定義了三個載波頻段，總計提供27個信道。這三個頻段分配的信道個數各不相同，且信道所占的寬度也各不相同。

為了適應室外無線低速的智能計量系統的需求，802.15.4g 新增了如下三種可選物理層方案：多速率多區域頻移鍵控（MR-FSK）；多速率多區域正交頻分復用（MR-OFDM）；多速率多區域偏置正交相移鍵控（MR-OQPSK）[1]。其中， MR-FSK 提供了更高的功率傳輸效率；MR-OFDM 可提高數據傳輸的速率；MR-O-QPSK 則可以與IEEE802.15.4 標準的物理層相兼容。目前使用的802.15.4g 的物理層標準的工作頻段主要在470–510 MHz以及779–787 MHz。

3 物理層設計概述

3.1 物理層結構模型

物理層數據服務是在物理信道上通過RF-SAP 實現接收/發送物理層服務數據單元（PSDU）的。PLME 為PHY 層管理實體，通過調用層管理功能為PHY 層管理服務提供接口，且同時承擔維護PHY 層個域網信息庫的工作。而PD-SAP 為數據服務接入點，是PHY 層給MAC 子層提供所需要的常規數據服務；PLME-SAP 為管理服務接入點，是PHY 層給MAC 子層提供所需的管理數據以及訪問內部配置與參數。其物理層的結構模型如圖1所示。

圖1 物理層結構模型

3.2 幀結構

物理層數據幀（PPDU），其結構如表1所示。

表1 物理層數據幀結構

（1）同步頭：前導碼與幀定界符組成。前導碼占4個字節，用于完成碼片同步和符號同步；幀定界符占1個字節，用于標志結束同步域和開始物理幀。

（2）PHY 幀頭：長1 字節，其中幀長度域占7 bit、保留位占1 bit，用于指示PHY 幀負載域的長度。

（3）PHY 幀負載（PSDU）：長度可變，通常用來承載MAC 幀、攜帶PHY 層數據幀的數據。

4 路由技術

通常的無線路由協議包括路由發現、路由選擇、路由維護、數據轉發以及路由表示與度量這五個部分。下面介紹當前主流的幾種路由協議：

（1）AODV 路由協議。無線自組網按需平面距離向量路由協議（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing， AODV），這是一種借鑒了DSR 協議中“逐跳路由”的思想以及DSDV 協議中序列號方法的按需路由協議。該協議通過引進了正反向的路徑指針和源節點的序列號從而避免了路由環路的產生[10]。

（2）Flood 路由協議。泛洪路由協議是一種簡單的無線路由協議，它以廣播的形式通過源節點將消息發給其鄰近的各個節點，接收到的節點再轉發給它們的鄰近節點，周而復始，最終實現網絡中所有的節點均能收到[11]。其優點在于實現簡單，減少額外的路由開銷，魯棒性強等。但是它耗費資源大，在網絡規模較大時，會產生“重疊”和“內爆”現象，最終導致網絡資源耗盡和整個網絡癱瘓。

（3）DSR 路由協議。動態源路由協議（Dynamic Source Routing，DSR）也是一種按需路由協議，區別在于該協議的任何一個節點均包含一個路由緩存區，但僅僅用于存儲到特定目標節點的路由信息[12]，而不會存儲到達全部其他節點的路由信息。

（4）DSDV 協議。目的序列距離矢量路由協議（DSDV， Destination-Sequenced Distance-Vector Routing）是基于距離矢量路由協議的一種改進協議。該協議的路由表中的每一個節點均維護一張其對應的路由表，該表中包含其可到達的所有節點的路由信息：目標節點、下一跳節點、路由度量以及路由序列號等。路由序列號用于區分路由的新舊，并且可以防止路由環路的產生。由于該路由協議中各節點更新頻繁，不適宜應用在快速變化的網絡中。

（5）HWMP 路由協議?；旌蠠o線網狀網協議（Hybrid Wireless Mesh Protocol，HWMP），該協議采用了空時鏈路度量（Airtime Link Metric，ALM）[14]作為路徑選擇的判據。它是一種混合式的路由協議，包含了路徑請求（PREQ）、路徑回復（PREP）、路徑錯誤（PERR）以及根節點通告（RANN）這四種類型的控制消息。HWMP按照路由選擇模式可分為按需模式和表驅動模式[15]。

5 現有無線自組網架構

無線自組網是指無線網絡具有自配置、自優化、自愈合的能力。該組網技術已被廣泛地應用于各種無線通信的標準及協議中，不僅涵蓋了適合低功耗、短距離、小帶寬的物聯網標準，還包含適用于大功率、遠距離、高帶寬的寬帶業務的通信標準。

5.1 Mesh 網絡

Mesh 是一種各節點以網狀結構建立網絡連接的網絡結構。根據節點間的連接方式，將其分為全連接、部分連接的兩種Mesh 網絡。全連接的Mesh 網絡如圖2所示：任意兩個終端節點之間均可直接通信，節點之間為固定路由且幾乎沒有“多跳”的產生。

圖2 全連接Mesh網絡

全連接的網絡往往在網絡的規模非常小的情況下才能得以實現。全連接的網絡境況會隨著節點數目的增加而變得愈來愈復雜。因此，對于有線方式的Mesh 網絡來說，由于其節點之間連接的電纜的數目非常多且繁雜，全連接的Mesh 網路幾乎不存在實際應用的場景。而部分連接的Mesh 網絡中只有部分節點具有路由的功能，其他的節點只作為終端并不具備路由的能力，因此，在實際工程中常用的是部分連接的Mesh 網絡。

5.2 ZigBee 組網結構

ZigBee[13][17]網絡是一種分簇樹型的路由結構，由協調器、路由器以及終端組成，但是其中協調器只有一個，路由器及其對應的終端有多個，如圖3所示。

圖3 分簇樹Mesh網絡

每一簇的簇頭節點（路由器）主要來實現路由的發現和維護工作。終端節點之間的通信必須通過路由器中轉來完成，并不能直接通信。終端節點間不可以直接通信能夠減小網絡的路由維護開銷，但是導致網絡對路由器的大量需求。在路由器之間建立路由，采用AODV 算法的路由協議。

（1）協調器（ZC）：用于初始化整個網絡。當網絡的初始化完畢之后，協調器就會轉變成一個路由器。

（2）路由器（ZR）：是網絡的可選組件。路由器主要負責路由維護工作以及數據報文的轉發工作。

（3）終端（ZED）：終端不參與路由，也不負責報文的轉發，因此并不承擔任何的組網責任。

在ZigBee 組網結構中，一方面由于終端節點不承擔任何的組網責任，導致ZigBee 網絡產生的功耗可以很低；另一方面，分簇樹型的網絡結構的很大程度上減少了節點間路由的數量，因此提高了路由的效率。在ZigBee 2007標準中允許按照一定的規則進行跳頻，即在需要的時候可以從有干擾的信道切換到其他信道上。除此以外，由于ZigBee 支持報文的分片，因此能夠傳輸很長長度的數據報文。同時由于支持分布式的密匙，網絡具有很好的安全性能。最后，分簇樹形的路由結構可以支持大規模的網絡應用。

除了上述優點，ZigBee 網絡還有以下不足：一是網絡中的路由器和協調器不能休眠，因此每當發現和維護新路由時，網絡幾乎癱瘓；二是節點間的路由鏈路的利用率不高，造成網絡的吞吐量不高，因此在大數據量時，報文的碰撞十分明顯，會有潛在的數據丟失的情況產生；三是對協調器的依賴性大，由于依靠協調器啟動和管理整個網絡，當協調器不能正常工作時，網絡中就無法增加新的節點甚至會造成網絡癱瘓。

5.3 LoRaWAN 網絡

LoRaWAN 采用星型拓撲的網絡架構[16]，主要應用于低功耗、多節點通信。結構組成包括終端節點、網關和服務器三部分，其結構如圖4所示。

圖4 LoRaWAN網絡架構

（1）終端節點：用于數據采集。根據不同的應用場景需求，裝配不同種類的傳感器進行數據采集。上行鏈路中，終端節點通過LoRa 射頻信號將采集到的數據傳輸至各網關。下行鏈路中，終端節點可接收各網關傳輸的下行消息。有三種工作模式可供終端節點選擇：Class A、Class B 和Class C。工作模式的選擇要基于不同的應用場景和需求。

（2）網關（基站）：負責調制解調LoRa 信號。上行鏈路中，將接收到的數據包進行封裝后，通過標準IP 與服務器連接。下行鏈路中，網關接收來自服務器的數據包，根據數據包，選擇發送功率、頻點、數據速率及具體的發送時間。

（3）服務器：負責控制和處理消息。網絡服務器包含多項功能：一是根據LoRaWAN 協議，提取、存儲和分析終端數據包中的有效載荷；二是管理終端節點的注冊；三是調節網絡中終端節點的物理層參數設置，例如發射功率、發射速率以及編碼率等。

6 結束語

本文分析了現有的無線自組網技術協議，其中802.15.4g 技術具有近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的特性。從路由方法上看，多種路由算法都有其應用的價值；從組網結構上看，Mesh 結構和主-從結構都有實際的應用。