无线自组网技术研究综述

张 莎，李腾飞

（短距离无线电设备检测与评估工业和信息化部重点实验室，深圳 518000）

0 引言

随着无线通信技术的不断发展，通信模块的集成处理能力也得到很大提升，使通信节点的成本不断下降。因而在实际的应用中，如何通过仅部署低成本的通信节点就可以实现特定场景要求下的无线通信，并且能够满足信息采集、信息回传等需求，已成为我们首先考虑的问题。

对于电网信息传输而言，其具有以下几个特点[1]：一是节点位置相对固定；二是通信信道基本为单径信道，多普勒效应不明显；三是节点数量庞大且密度较高；四是数据量小，数量庞大，存在多用户并发的状况。除上述特点以外，很多的电力网络中存在多用户并发的情形，其并发量可能达到几百甚至上千，因而就要求通信系统必须具备在短时间内处理多用户并发情况的能力。同时，考虑到电网的部署要求和其自身情况的特殊性，与移动通信网络相类似的网络规划的方法难以在网络拓扑的提前部署中采用，因此，在实际应用中，就需要另外设计相应的无线自组网通信协议。

在现有的无线自组网技术标准中，802.15.4g 是一种较为流行的通信协议，我们首先对802.15.4g 进行介绍，然后对无线自组网的物理层设计与路由技术进行总体描述，最后给出当前具有实用化特征的自组网结构并对比其特点。

1 政策法规及监管

为适应无线电技术发展趋势，深入贯彻“放管服”精神，落实《中华人民共和国无线电管理条例》，切实减轻企业负担，2019年11月19日，工业和信息化部发布了2019年第52号公告，对微功率短距离无线电发射设备（以下简称微功率设备）生产、进口、销售和使用进行了规范。该公告充分考虑频率使用现状、系统间干扰共存要求、应用发展需要等因素，在广泛征求了各行业、各部门的意见，并公开向社会征求意见后发布。公告对原有微功率设备目录进行了调整，并对微功率设备的频率、台站和设备管理要求，干扰处理原则，使用要求和技术指标等方面内容进行了规定。802.15.4g 技术的应用应符合国家无线电管理的相关规定。

2 802.15.4g 概述

802.15.4g[3]-[9]标准定义了物理层的用于数据传输的无线物理信道以及MAC 层间的接口，它提供了PHY 层数据服务和PHY 层管理服务[2]两种功能服务。该标准给出了两种物理层标准：2.4 GHz 物理层和868/915 MHz物理层。

（1）915 MHz 与868 MHz 频段：915 MHz 为美国频段，868 MHz 为欧洲频段，通信距离远，一定程度上减小了通信衰减，增强了信号的绕射和穿透能力。因此，这两个频段上的多路径传播负面效应小，信号干扰小。其中，868 MHz 频段和915 MHz 频段上分别定义了1个信道和10个信道，其信道的中心频率如下（k 为信道编号）：

（2）2.4 GHz 频段：全球统一频段，采用该频段可提高通信速度，从而提高吞吐量、缩短运行周期以及通信时延；频段上定义了16个信道，中心频率为：

IEEE802.15.4共定义了三个载波频段，总计提供27个信道。这三个频段分配的信道个数各不相同，且信道所占的宽度也各不相同。

为了适应室外无线低速的智能计量系统的需求，802.15.4g 新增了如下三种可选物理层方案：多速率多区域频移键控（MR-FSK）；多速率多区域正交频分复用（MR-OFDM）；多速率多区域偏置正交相移键控（MR-OQPSK）[1]。其中， MR-FSK 提供了更高的功率传输效率；MR-OFDM 可提高数据传输的速率；MR-O-QPSK 则可以与IEEE802.15.4 标准的物理层相兼容。目前使用的802.15.4g 的物理层标准的工作频段主要在470–510 MHz以及779–787 MHz。

3 物理层设计概述

3.1 物理层结构模型

物理层数据服务是在物理信道上通过RF-SAP 实现接收/发送物理层服务数据单元（PSDU）的。PLME 为PHY 层管理实体，通过调用层管理功能为PHY 层管理服务提供接口，且同时承担维护PHY 层个域网信息库的工作。而PD-SAP 为数据服务接入点，是PHY 层给MAC 子层提供所需要的常规数据服务；PLME-SAP 为管理服务接入点，是PHY 层给MAC 子层提供所需的管理数据以及访问内部配置与参数。其物理层的结构模型如图1所示。

图1 物理层结构模型

3.2 帧结构

物理层数据帧（PPDU），其结构如表1所示。

表1 物理层数据帧结构

（1）同步头：前导码与帧定界符组成。前导码占4个字节，用于完成码片同步和符号同步；帧定界符占1个字节，用于标志结束同步域和开始物理帧。

（2）PHY 帧头：长1 字节，其中帧长度域占7 bit、保留位占1 bit，用于指示PHY 帧负载域的长度。

（3）PHY 帧负载（PSDU）：长度可变，通常用来承载MAC 帧、携带PHY 层数据帧的数据。

4 路由技术

通常的无线路由协议包括路由发现、路由选择、路由维护、数据转发以及路由表示与度量这五个部分。下面介绍当前主流的几种路由协议：

（1）AODV 路由协议。无线自组网按需平面距离向量路由协议（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing， AODV），这是一种借鉴了DSR 协议中“逐跳路由”的思想以及DSDV 协议中序列号方法的按需路由协议。该协议通过引进了正反向的路径指针和源节点的序列号从而避免了路由环路的产生[10]。

（2）Flood 路由协议。泛洪路由协议是一种简单的无线路由协议，它以广播的形式通过源节点将消息发给其邻近的各个节点，接收到的节点再转发给它们的邻近节点，周而复始，最终实现网络中所有的节点均能收到[11]。其优点在于实现简单，减少额外的路由开销，鲁棒性强等。但是它耗费资源大，在网络规模较大时，会产生“重叠”和“内爆”现象，最终导致网络资源耗尽和整个网络瘫痪。

（3）DSR 路由协议。动态源路由协议（Dynamic Source Routing，DSR）也是一种按需路由协议，区别在于该协议的任何一个节点均包含一个路由缓存区，但仅仅用于存储到特定目标节点的路由信息[12]，而不会存储到达全部其他节点的路由信息。

（4）DSDV 协议。目的序列距离矢量路由协议（DSDV， Destination-Sequenced Distance-Vector Routing）是基于距离矢量路由协议的一种改进协议。该协议的路由表中的每一个节点均维护一张其对应的路由表，该表中包含其可到达的所有节点的路由信息：目标节点、下一跳节点、路由度量以及路由序列号等。路由序列号用于区分路由的新旧，并且可以防止路由环路的产生。由于该路由协议中各节点更新频繁，不适宜应用在快速变化的网络中。

（5）HWMP 路由协议。混合无线网状网协议（Hybrid Wireless Mesh Protocol，HWMP），该协议采用了空时链路度量（Airtime Link Metric，ALM）[14]作为路径选择的判据。它是一种混合式的路由协议，包含了路径请求（PREQ）、路径回复（PREP）、路径错误（PERR）以及根节点通告（RANN）这四种类型的控制消息。HWMP按照路由选择模式可分为按需模式和表驱动模式[15]。

5 现有无线自组网架构

无线自组网是指无线网络具有自配置、自优化、自愈合的能力。该组网技术已被广泛地应用于各种无线通信的标准及协议中，不仅涵盖了适合低功耗、短距离、小带宽的物联网标准，还包含适用于大功率、远距离、高带宽的宽带业务的通信标准。

5.1 Mesh 网络

Mesh 是一种各节点以网状结构建立网络连接的网络结构。根据节点间的连接方式，将其分为全连接、部分连接的两种Mesh 网络。全连接的Mesh 网络如图2所示：任意两个终端节点之间均可直接通信，节点之间为固定路由且几乎没有“多跳”的产生。

图2 全连接Mesh网络

全连接的网络往往在网络的规模非常小的情况下才能得以实现。全连接的网络境况会随着节点数目的增加而变得愈来愈复杂。因此，对于有线方式的Mesh 网络来说，由于其节点之间连接的电缆的数目非常多且繁杂，全连接的Mesh 网路几乎不存在实际应用的场景。而部分连接的Mesh 网络中只有部分节点具有路由的功能，其他的节点只作为终端并不具备路由的能力，因此，在实际工程中常用的是部分连接的Mesh 网络。

5.2 ZigBee 组网结构

ZigBee[13][17]网络是一种分簇树型的路由结构，由协调器、路由器以及终端组成，但是其中协调器只有一个，路由器及其对应的终端有多个，如图3所示。

图3 分簇树Mesh网络

每一簇的簇头节点（路由器）主要来实现路由的发现和维护工作。终端节点之间的通信必须通过路由器中转来完成，并不能直接通信。终端节点间不可以直接通信能够减小网络的路由维护开销，但是导致网络对路由器的大量需求。在路由器之间建立路由，采用AODV 算法的路由协议。

（1）协调器（ZC）：用于初始化整个网络。当网络的初始化完毕之后，协调器就会转变成一个路由器。

（2）路由器（ZR）：是网络的可选组件。路由器主要负责路由维护工作以及数据报文的转发工作。

（3）终端（ZED）：终端不参与路由，也不负责报文的转发，因此并不承担任何的组网责任。

在ZigBee 组网结构中，一方面由于终端节点不承担任何的组网责任，导致ZigBee 网络产生的功耗可以很低；另一方面，分簇树型的网络结构的很大程度上减少了节点间路由的数量，因此提高了路由的效率。在ZigBee 2007标准中允许按照一定的规则进行跳频，即在需要的时候可以从有干扰的信道切换到其他信道上。除此以外，由于ZigBee 支持报文的分片，因此能够传输很长长度的数据报文。同时由于支持分布式的密匙，网络具有很好的安全性能。最后，分簇树形的路由结构可以支持大规模的网络应用。

除了上述优点，ZigBee 网络还有以下不足：一是网络中的路由器和协调器不能休眠，因此每当发现和维护新路由时，网络几乎瘫痪；二是节点间的路由链路的利用率不高，造成网络的吞吐量不高，因此在大数据量时，报文的碰撞十分明显，会有潜在的数据丢失的情况产生；三是对协调器的依赖性大，由于依靠协调器启动和管理整个网络，当协调器不能正常工作时，网络中就无法增加新的节点甚至会造成网络瘫痪。

5.3 LoRaWAN 网络

LoRaWAN 采用星型拓扑的网络架构[16]，主要应用于低功耗、多节点通信。结构组成包括终端节点、网关和服务器三部分，其结构如图4所示。

图4 LoRaWAN网络架构

（1）终端节点：用于数据采集。根据不同的应用场景需求，装配不同种类的传感器进行数据采集。上行链路中，终端节点通过LoRa 射频信号将采集到的数据传输至各网关。下行链路中，终端节点可接收各网关传输的下行消息。有三种工作模式可供终端节点选择：Class A、Class B 和Class C。工作模式的选择要基于不同的应用场景和需求。

（2）网关（基站）：负责调制解调LoRa 信号。上行链路中，将接收到的数据包进行封装后，通过标准IP 与服务器连接。下行链路中，网关接收来自服务器的数据包，根据数据包，选择发送功率、频点、数据速率及具体的发送时间。

（3）服务器：负责控制和处理消息。网络服务器包含多项功能：一是根据LoRaWAN 协议，提取、存储和分析终端数据包中的有效载荷；二是管理终端节点的注册；三是调节网络中终端节点的物理层参数设置，例如发射功率、发射速率以及编码率等。

6 结束语

本文分析了现有的无线自组网技术协议，其中802.15.4g 技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的特性。从路由方法上看，多种路由算法都有其应用的价值；从组网结构上看，Mesh 结构和主-从结构都有实际的应用。