无线Mesh网拓宽了联网应用范围

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今天大多数计算机都联在某个网络上,下一步将是消费电子/电气设备和通信产品的联网。工业传感器与控制设备、工作母机、其它过程控制和制造设备的联网工作正在进行之中。此外,不要忘记“机器到机器”(M2M)联网,这可以让任何一台机器通过数个网络层与任一其它机器对话。
总有一天,所有的设备将会实现网络化。感谢无线Mesh联网技术,它将使这一天的到来可能比我们想象的还要更快。借助无线Mesh联网技术,设计师们可以用一个廉价的短距离无线芯片将任一设备与任何其它设备互相连接。这从真正意义上为各种类型的新应用打开了大门,而这在以前是完全没有可能的。
Mesh概念在Mesh网中,所有节点之间互相连接。这被称为全网状结构(Full Mesh)(如图1)。每个节点到其他各节点都有一个直接链接,形成了一个非常有用的排列。然而随着节点数量的增加,链接的数量变得与实际不相符。链接(L)的数量由节点(N)的数量决定。用公式表示如下:L = N(N - 1)/2

连接20台个人电脑就需要190个链接,简直就是硬件和配线工作的噩梦。所以,实际应用的网络采用总线拓扑、环形拓扑、星形拓扑,或其它网络拓扑,和一些接入方式来减少相互连接的数量。唯一被广泛运用的有线Mesh网络就是互联网。
无线化使Mesh网变得既可用又便宜。此外,如图2所示的部分网状结构(Partial Mesh)具备了全网状结构的基本优点。在部分网状里,不是所有的节点都和每个别的节点相连。只要有足够的链接,设计者们就可实现一些令人意想不到的好处。


Mesh网起初是用于监控操作。所以,Mesh通常运载传感器信号或控制信号。声音和视频一般不会包含在Mesh网中,虽然有些先进的Mesh网实现了声音和视频。这是因为监控操作包含的是相对简短的数据包,数据率会非常低。每秒几Kbits的速度通常算够快的,但如果需要更快的速度也可实现。典型的数据率范围是20~250Kbit/秒。
部分网状结构的主要好处可能是每个节点的范围被成倍地扩大了。大部分短距无线技术都有一个典型的最大范围:10米或更短。但是部分网状结构没有最大通信距离的限制,因为其它所有的节点都被用作中继器或路由器。
信号可以从一个节点传送到另一个节点,无限地扩大范围。在图2中,节点A通过以下路径传送信号到节点L:A-B-E-M-I-L。另一替代路径为:A-C-D-F-L。也还有其它几种冗余的路径。要传输的数据被放在一个数据包里,数据包从一个节点“跳跃”到另一个节点,直到到达目的地。
在大多数的应用里,节点努力把数据放到一个集中点或者叫接入点,像图2的M。然后,数据会被汇总并发送到局域网(LAN)、城域网(MAN)或广域网(WAN)进一步传送(比如生产企业内部的局域网或互联网)。
网状拓扑的常见变异体是由好几个点到多点(PMP)星形网络组成的混合体。在混合体里,多个节点直接和一个中心对等节点或接入点(AP)对话。然后多个AP被连接在一个Mesh架构里。
不至一条路径穿行在网状中,这一事实也引出Mesh网带来的另一主要好处:可靠性。如果由于信号通道阻塞、坏节点或多重路径衰减,一条路径失败了,信号还可找到一条或多条替代路径。如果一个节点的电池没电了,它会从网络中退出来,其他节点却能经由可供选择的跳跃来转接数据。
人、车辆或设备的移动有时也会阻碍先前很好的无线路径。此外,来自另一终端的暂时干扰或意外的噪声脉冲也会阻止传输。同样的,Mesh网又可自动地找到另一路径。
节点的总数是Mesh网一个重要的考虑点。为从多重跳跃路径中受益,要求有很多节点。绝对最小的Mesh网架构是3个节点。然而增加更多的节点会大大提高Mesh网的可靠性和强健性。
Mesh网的延展性也很好。起初,它们可能由只有一打左右的节点组成,然而它们却能毫不困难地延展到数百个或者甚至成千上万个节点。
另外,Mesh网是自配置的。节点自动相互找寻,如果他们在范围内,还会自动建立一个链接。这被称为移动临时网状网(ad hoc network)。如果节点是移动的,网络会持续并自动地重组到参与活动的节点上。
新的节点可随时被增加。如果被加的节点和现有的节点链接太远了,可在中间加个额外的转发器来建立链接。有了小小的,低价的节点,这一方法仍比大多数应用里的配线要便宜。
节能突出Mesh网用电也很少。因为节点间的距离很短,用来建立可靠通信的传送功率就会很低。而且事实上,一些节点可以用电池运行。
由于节点以脉冲的方式传送数据包,这些节点可能会睡着了,引起的电流仅有微安培。只有当要转接信号或要发送信息时才醒过来。工作负载循环可能仅为0.1%~1.0%,大大地减少了功率消耗。电池寿命可长达数月到数年,不需要经常维护。
虽然自配置、自修复的Mesh网有众多好处,但它们也有一个软肋,就是安全性问题。如果没有受到保护,Mesh网络会被黑客入侵和盗取。然而用加密的方法就可实现保护,如高级加密系统(AES)。
对一些应用来说,Mesh网的另一个缺点就是延时。节点要花一定的时间苏醒过来传递数据。而且,每一次跳跃也需要一定的时间。节点间的延时总数可达5~30毫秒。对于一些有决定性意义的工业控制应用来说,这样的速度可能不够快。但是,在很多情况下,这种延时不是什么问题。
无线电干扰如果现在有很多可供选择的单片无线收发器,哪一个是最适合Mesh网的呢?答案在于应用。例如,设计者们不能用便宜的ISM-band(工业科学医疗频段)IC在315MHz,433MHz和915MHz频段下运行是没有为什么的。蓝牙是另一种可能的选择。
当明年出现更多便宜的超宽带(UWB)收发器时,这扇大门会向高速短距的Mesh网打开。对于消费类电子产品,就可用它把房子四处的各种影音设备全连在一起。UWB的最大数据率,在无线USB或直接序列UWB下分别是480Mbits/秒和1Gbit/秒。
一个Mesh网加上多个中继器可以把数据率保持在一个更大的范围内。Artimi和其他公司正开始提供软件到外部嵌入式控制器里,以期创造一个Mesh网解决方案。Mesh无线电界面的一个很好的可能性就是“无所不在(Ubiquitous)"802.11Wi-Fi收发器。成本低,数据率高:11~54Mbits/秒。可另一方面,功率消耗高,而且这一规格执行的是点对点桥接(P2P)和点对多点桥接(PMP)的星形拓扑。
如果需要高数据率,拥有合适软件和足够功率的Wi-Fi无线局域网是个好选择。有几家公司在做把Wi-Fi无线电转成Mesh网字节的软件。IEEE正在做802.11s Mesh网标准,尽管并不期望一个完整的标准能在未来几年就出来。与此同时,几个拥有专利的网状系统也出现了。
或许最好的选择是更新的无线标准:IEEE 802.15.4。也就是众所周知的ZigBee, 这一标准是在Mesh架构里由草稿创造成作品的。它既定义了物理层和数据链路层(MAC),也定义了基本拓扑和节点间的相互协调(如图3)。ZigBee联盟已创建了网络和安全的上层,它可能将会开发应用的外层。


Mesh网的实现如果你是DIY一族,就会有很多802.15.4的芯片。ZigBee用不需许可的ISM频段中美国的915MHz和2.4GHz和欧洲的868MHz。所有的芯片都采用直序列扩展频谱(DSSS)来实现多路径的强健性和最简化。
典型的ZigBee RF芯片一个很好的例子就是Freescale公司的MC1319x系列。MSC13191是一个使用DSSS和offset-QPSK(偏置四相相移键控)调制的2.4GHz收发器。它已建立,所以设计者们可以用他们自己的或另外的私有协议。MSC13192与之相似,但它有一个内置的MAC层:802.15.4-compliant协定。设计者们可以把他们自己的Mesh网络层加在这一层上面。这一系列的第三位成员是MSC13193,它完全符合ZigBee标准。
Freescale芯片的更新系列,MC1320x家族,把发射/接收器的天线开关安在芯片上。它完全结合Freescale的HCS08处理器芯片之一来创造单片的ZigBee解决方案。
Freescale也和提供Mesh网软件和解决方案的Millennial Net公司合作。Millennia Net的 Mesh-Scape无线传感器网络系统可以在Freescale的RF收发器芯片上运行,创造一个专利的Mesh网解决方案。
MeshScape包括全套的Mesh网软件和一排节点模块。它的916MHz与2.4GHz节点和这些软件兼容。一个MeshGate模块从网络上收集并发送数据。一个End节点模块从混合的星形-网状网络捕获数据,同时一个Mesh节点模块和传感器与触动器一起使用。

 
由Ember开发的Mesh系统是实现完全标准的ZigBee的一个好选择。它由Ember的EM250单片收发机/控制器(一个完整的ZigBee系统芯片)和混杂的Mesh网所需的所有软件组成。EM250有802.15.4-compliant协定、2.4GHz收发器和16位RISC处理器来操作ZigBee和更高的网络分层。Ember的EM260 RF收发器和EM250的特征一样。它和Atmel的AVR,德州仪器(TI)的MSP430和其它嵌入式控制器兼容。
Ember系统,EmberZNet 2.0的软件成分,是一个完全ZigBee-compliant的网络堆叠,它可操作一个大范围内的终端应用设备。Ember的开发组相当于把你的设计放到一个大浅盘(如图4)上交给你。除了一块开发者的板以外,开发组还提供了12块完整的节点板,让设计者有机会自己去测试Mesh概念。另外还有以太网供电设备(PoE)加强器。在软件方面,开发组的全套软件包括Ember Studio Network-Management Software,Ember Studio Debug Tools,EmberNet Stack and API和图书馆与全部文档文件。
很多别的公司也生产芯片、模块、用于ZigBee的软件和相似的专利方案。例如,Chipcon AS 正在用一个整体处理器CS2430完成它的单片解决方案CS2420 RF ZigBee收发器。
Helicomm的IP-Link 1200模块即将用在ZigBee网上。这家公司也有用于较长距离的900MHz模块,还有软件和开发组。Cirronet, 另一个RF调制解调器公司,供应宽范围ZigBee模块、软件和开发板。
WI-FI MESH当ZigBee引领短距离Mesh网这一行业时,简单初始的802.11或Wi-Fi配上合适的软件就可以用在Mesh架构中。正如先前提到的,Wi-Fi 的IEEE802.11s Mesh标准已有几年之久了。其间,很多专利系统都在用802.11或类似技术。Wi-Fi对Mesh空中界面意义重大,这个界面需要更高的速度和更长的距离,而且那里的功率消耗不成问题。
Wi-Fi Mesh提供低成本的宽带,连接到没有有线TV或DSL接入线服务的农村和郊区。通过把每个用户终端建立成一个中继器/路由器节点,可以在一个广阔的区域提供低价的互联网服务。许多城镇都是用这样的系统。但是这一行业现在正着眼于更大的鱼,有一主系统已被提议供应整个费城的网络连通。
802.11Mesh,是来自Accton Technology的无线智能传输网络(WITnet)系统,也是混合星形Mesh拓扑的变异体。它提供了一个使现有或更新星形/P2P 802.11网络上的AP Mesh化的方法。
目前,每个AP都需要一个连接回到下部组织,通过T1线或其它链接。Accton系统省去了来自Mesh网大多数AP的昂贵链接。通过Mesh技术, 多个AP转接来自和送往一单个有线AP的数据。
WIT网可以自配置和自修复,具有Mesh网的一切特征。设计者们可以简单而迅速地增加新的节点(AP)。它有内置的AES(高级加密标准)加密和安全鉴定。但可能还没有一种更快更易的方法用最少的成本去扩展一个现有的热点网络。
另外一个运用就是为有线局域网提供桥接。另外,这一系统将和即将面世的802.11s Mesh标准兼容。
由摩托罗拉公司提供的MEA和Motomesh系统代表了一个快速的高端Mesh网络。几年前摩托罗拉公司收购了Mesh Networks公司,自此它进入了Mesh的竞争之列。MEA是基础Mesh架构,它可以让类似802.11的节点和AP在2.4GHz不需许可频段上实现Mesh化。它具有Mesh和802.11b系统的一切要素,而且还可用在一些用不了802.11b的移动应用上。
MEA使用正交分割多址接入(QDMA)方法。QDMA最初是由美国国防部国防先进研究计划署(DARPA)的一份军事Mesh网合同发展而来的,它是CDMA的一个版本,但不像CDMA手机网络还需要一个基站。与之代替的是,每个节点都可用作一个转发器/路由器,节点移动的速度可达250mph。最大的脉冲数据率为6 Mbits/秒。典型的持续速率范围是:1~2 Mbits/秒。
Motomesh产品系列已与MEA技术结合,走在前端为公共安全机构提供强健的Mesh网。这种网络非常适用于消防、EMS、公安、救灾、国家安全等机构。它提供数据服务和流式视频、图片、地理信息系统资料及数据库的访问或者公安、建筑工等领域需要的其它信息。
Motomesh中心有一个接入点, 该接入点混合了两种标准2.4GHz、类似802.11的无线电和两种MEA 4.9GHz公共服务频带的无线电。一套在标准2.4GHz频带上运行,另一套在4.9GHz频带上运行。
这些Mesh化的接入点可以和膝上型电脑、轿车和其他速度达到200mph的车辆的其它节点进行通信(如图5)。它的定位系统让任何车辆都能在10米范围内查出自己或任何其他用户的位置----不用GPS(全球定位系统)。即使节点运行在大楼里、市区高楼大厦的“峡谷”间,或者正处于高速移动中,也可在大约1秒钟的时间内定位。

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