无线网状网、Zigbee、RFID三种技术分析
2008-07-22
作者：韩旭东 韩卫东
网络技术的发展已经改变了人们的生活，很多人要问：让网络无处不在是一个梦想吗？在不远的将来，我们能利用无线网状网、ZigBee、RFID技术实现吗？那时，它又会以怎样的姿态呈现在我们面前呢？
场景一：在一个会议室环境下，如果投影设备的显示效果不是很理想，主持人可以通过自己的移动终端设备向每个参会人员发送文件。当发言人走近与会的讨论组时，其移动终端设备可以动态加入该组，下载该组的讨论材料。通过可重新配置的上、下文敏感中间件，无线网状网将突出对环境的感知和动态自组网络通信的支持。
基础：多点对多点
自组织网络（Adhoc）支持多点对多点的网状结构，它在组网与选路等特征上与传统无线网络存在着明显的区别。在自组织网络中，每个节点只和其临近节点通信，从一个节点发出的数据包将根据相关协议的配置逐跳（hop）传递到目的节点，这种结构与传统点对多点网络结构相比具有较多的优势。
可靠性提高：在相距较远的节点间通信时，数据包将通过多个节点的转发，逐步传递到目的节点。例如，如果一个终端距离接入点较远时，信号将通过距离较近的另外一个终端将信号转发给接入点，这样一来，无线链路" title="链路">链路长度将被缩短，对天线的传输距离和性能要求以及所需发射功率也将降低，从而减少了信号间干扰。另外，自组织网络中的每台设备都可直接通信，或者通过网络的转发而连接到其他设备。这种网络免去了昂贵的蜂窝塔的需求，同时也免除了由于通信链路集中而造成的传输瓶颈，因此，网络的传输速率和频率利用率都非常高。
冲突减轻：自组织网络可以较大程度地减轻业务执行时发生冲突。这是因为链路为网状结构，每个节点可使用的链路数大大增加，且每个网络节点都具有选路功能，如果其中的某一条链路出现了故障，节点便可以自动转向其他可选链路进行接入，因而减轻了业务执行时发生冲突的可能性，例如，雨天会给无线链路的功率造成一定的衰减，但是天气的影响是局部的、有方向性的，通常同一方向的可选路由或可选链路处于这种天气条件下的几率要大于方向相差较大的可选路由或链路，因而呈钝角关系的路由或链路受到这种天气因素的影响便会大大降低。
简化无线链路设计：相比星形网络，自组织网络在无线链路的设计上也有所简化。
维护方便：自组织网络简化了网络的维护与升级，如前所述，每个节点有多条可选路由，其中某一链路或路由被切断时并不会影响到业务的正常执行，因而局部地区的升级与扩容将不会影响到整个网络的运行，方便了网络的维护与操作。再有，自组织网络可以自行建网，这意味着系统中任何一个通信设备在打开电源后，将自动搜寻、发现和加入现有的网络，各通信设备间的路由和链接将随之自动形成。并且，该网络系统可以在任何地点，不依靠任何其他的移动和固定通信网络设备，迅速地被建立。例如可以在建筑物内、隧道中，以及偏远地区建立该网络系统。
场景二：无所不在的网络将可提供一种任何时间、任何地点的信息访问服务。例如，一辆配备有无线定位系统的急救车，可准确定位突发事故现场，利用无线网络获取实时的交通信息。在事故现场，通过便携式和移动式设备监测病人的脉搏、血压、呼吸等数据，通过无线网络访问分布式的医疗服务系统，下载有关病历数据等必要信息。除了基于定位系统的应急响应机制，该系统的功能还包括基于移动设备和无线网络的远程医疗诊断、远程病人监护，以及远程访问存有患者病历信息的医疗数据库。
无线定位感知
在无线网状网架构基础上，为了增强网络的信息采集和获取能力，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的定位感知技术应运而生，进而成为无线传感器网络。它是由大量传感器结点通过无线通信技术自组织构成的网络，可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用是网络环境中的重要组成部分之一。在不考虑用户个人隐私问题的前提下，如何动态获取用户的位置信息，而且得到的位置信息必须能够达到一定的精确度，一般误差控制在几厘米以内；如何为用户积极主动地提供各种所需服务，这些都是定位感知系统必须能够实现的功能。
可以想象，定位感知系统必须是定位系统与位置系统两者的紧密结合，用户每移动到一个新的位置，系统必须能够实时进行精确定位，然后确定这一特定位置的对象集信息。利用这些信息，定位感知系统能够积极主动地向用户广播所能提供的各种信息，从而使用户能够有效地选择自己所需要的信息。
作为一项基于IEEE802.15.4无线标准的安全网络技术，ZigBee有希望让无线传感器出现在各种应用中：从工厂的自动化系统到家庭保安系统和消费电子产品。在最近才得到批准的802.15.4标准配合下，ZigBee将普通小型电池的使用寿命延长到了几年时间。人们预测，ZigBee设备还将十分便宜，一些人估计，它的销售价格最终不到3美元。以如此之低的价格，它们将会非常适用于无线电灯开关、无线调温器和烟感探测器，成为包围办公室、家庭和交通工具的无线设备的流行趋势，而建立自动化传输房门、水表、摄像、自动售货机和火警等系统信息的数据网络将成为其最大的市场空间。
ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（PersonalAreaNetwork，PAN）工作组的一项标准。802.15.4的MAC层基于802.11无线LAN标准，但是它的物理层与流行的802.11b物理层相似。它可工作于三个不同的波段，每个波段都提供了一种不同的峰值数据速率。不过多数应用仅使用峰值速率的一部分。例如，时钟每周才查询一次NTP（网络时间协议）服务器，而安全措施良好的建筑物中防盗警报可能若干年都不传输一个数据。由于ZigBee的传输较少，因此它对已使用同一频率的其他无线技术的干扰非常小。
场景三：面对超市里顾客排起的长队，收银员用手持设备不停地扫描着顾客购买的商品，时常遇到一件又一件“扫”不出来的货物，这时就不得不手工输入冗长的商品序列号，此时在长长的队列中又不时发出顾客不耐烦的埋怨声……然而有了RFID，你只需掏出手机，阅读出商品的代码，然后通过手机的移动电子商务付费系统向商家付账。同时，商家确认所购买商品的记录后，顾客不必经历上述排队等购物环节就可以轻松自由地离开了。
部署信息节点
有了无线网状网，同时构建了无线定位感知系统，再加上RFID的小小标签，我们或许就可以享受无所不在的网络服务了，然而RFID能否为普适计算找到大众应用的切入点呢？我们不妨试想一下，如果将手机做成RFID的阅读器，那么它的用途将会有多大？另外，RFID的大规模商用时代到来，会给我们带来什么。
RFID（无线射频识别，RadioFrequencyIdentification）是一种非接触式的自动识别技术。最简单的RFID系统由标签（Tag）、阅读器（Reader）和天线（Antenna）三部分组成----在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持。其工作原理并不复杂：标签进入磁场后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息（PassiveTag，无源标签或被动标签），或者主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
RFID技术无疑给构建无所不在的网络带来一次革命机遇。RFID可以为每一件货品提供单独的识别身份，然后透过无线数据传输让计算机网络随时掌握各式各样货品的详细信息。这样在商品从生产、运输到销售的过程中，供应商、商家和用户都可以从这些重要的数据中受益（例如，商家和供应商实现点对点的信息交换，从而使采购、仓储、配送过程更加便捷，同时也方便了用户）。另外，网络用户只需将手机等手持设备接近RFID标签，就可以快速读取标签的代码和内容，手持移动终端可以随时接入互联网，并利用读出的标签代码在移动电子商务服务平台中迅速查找相关的信息，并将结果显示在移动终端屏幕上，以此为用户带来各种各样的便利服务。例如，它可以为你提供商品信息服务，你还可以把读取的商品代码发送给移动电子商务服务平台，然后会得到许多相关信息，如可以告知你附近的商店同类商品的价格以进行比较判断该商场的价格是否合理。
再设想一下，当你漫步在街头，看到一幅让你心动的商品广告，这时只需拿出手机，阅读商品的RFID标签，由此获得详细的商品信息：功能特性、性能指标、价格指数、定购办法等一目了然。假如你喜欢的话，只需输入银行的账户密码，几次按键轻松完成网上订购过程，等你回家之后，新款商品已经等在家门口。另外，你也可以将喜欢的商品推荐给自己的朋友，轻按键盘，包含详细商品信息的电子邮件就迅捷到达。
无线通信网络技术发展迅猛，前景广阔，但有些问题仍困扰着我们，比如各种嵌入式小器件的发明与应用、各种定位技术的设计与改进、RFID标签自身成本较高、如何保证购买者的个人稳私、标准能否统一等问题。
融合背后的思考
可以预测:无需维护、具有无限生命周期的无线传感网络与RFID、无线网状网结合在一起，将实现高效及时的关键信息提交。但我们同时要了解的是，无线传感器网络不同于传统的无线网络（如WLAN和蜂窝移动电话网络），除了少数节点以外，大部分节点都无法时常更新电源，因此设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题。
研究初期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足够充分的，但深入的研究表明：传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求，前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络的设计遵循着端到端的边缘论思想，强调将一切与功能相关的处理都放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发。对于传感器网络，这未必是一种合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法，未必适合传感器网络的特点和应用的要求。节点标识（如地址等）的作用在传感器网络中不十分重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数据处理、融合和缓存却显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，避免了长距离无线通信易受外噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为无线传感器网络的研究提出了新的技术问题。
更严峻的问题是时钟同步，显然，无所不在的信息网络对时钟同步的要求明显高于传统的无线网络。它与实际的物理环境联系密切，所以必须采用物理时钟同步，无法使用相对简单的逻辑时钟。而无线传感器要求必须采用低能耗工作，时间同步的数据交换受到限制，同时无线媒介连接方式不可靠，Ad-hoc网络不易用传统的时间同步方法。
尽管难题重重，但微电子技术、计算机技术在不断发展，微处理芯片的网络功能会得到进一步加强，智能传感器和无线通信网络的结合也会更加容易。应用高性能的嵌入式处理器之后，信息网络的功能也会越来越强，我们可以相信，在不久的将来，人类周围将是无所不在的网络。