張 莎，李騰飛

（短距離無(wú)線電設(shè)備檢測(cè)與評(píng)估工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518000）

0 引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信模塊的集成處理能力也得到很大提升，使通信節(jié)點(diǎn)的成本不斷下降。因而在實(shí)際的應(yīng)用中，如何通過(guò)僅部署低成本的通信節(jié)點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)特定場(chǎng)景要求下的無(wú)線通信，并且能夠滿(mǎn)足信息采集、信息回傳等需求，已成為我們首先考慮的問(wèn)題。

對(duì)于電網(wǎng)信息傳輸而言，其具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[1]：一是節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定；二是通信信道基本為單徑信道，多普勒效應(yīng)不明顯；三是節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大且密度較高；四是數(shù)據(jù)量小，數(shù)量龐大，存在多用戶(hù)并發(fā)的狀況。除上述特點(diǎn)以外，很多的電力網(wǎng)絡(luò)中存在多用戶(hù)并發(fā)的情形，其并發(fā)量可能達(dá)到幾百甚至上千，因而就要求通信系統(tǒng)必須具備在短時(shí)間內(nèi)處理多用戶(hù)并發(fā)情況的能力。同時(shí)，考慮到電網(wǎng)的部署要求和其自身情況的特殊性，與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相類(lèi)似的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的方法難以在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞奶崆安渴鹬胁捎茫虼?，在?shí)際應(yīng)用中，就需要另外設(shè)計(jì)相應(yīng)的無(wú)線自組網(wǎng)通信協(xié)議。

在現(xiàn)有的無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，802.15.4g 是一種較為流行的通信協(xié)議，我們首先對(duì)802.15.4g 進(jìn)行介紹，然后對(duì)無(wú)線自組網(wǎng)的物理層設(shè)計(jì)與路由技術(shù)進(jìn)行總體描述，最后給出當(dāng)前具有實(shí)用化特征的自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)并對(duì)比其特點(diǎn)。

1 政策法規(guī)及監(jiān)管

為適應(yīng)無(wú)線電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，深入貫徹“放管服”精神，落實(shí)《中華人民共和國(guó)無(wú)線電管理?xiàng)l例》，切實(shí)減輕企業(yè)負(fù)擔(dān)，2019年11月19日，工業(yè)和信息化部發(fā)布了2019年第52號(hào)公告，對(duì)微功率短距離無(wú)線電發(fā)射設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱(chēng)微功率設(shè)備）生產(chǎn)、進(jìn)口、銷(xiāo)售和使用進(jìn)行了規(guī)范。該公告充分考慮頻率使用現(xiàn)狀、系統(tǒng)間干擾共存要求、應(yīng)用發(fā)展需要等因素，在廣泛征求了各行業(yè)、各部門(mén)的意見(jiàn)，并公開(kāi)向社會(huì)征求意見(jiàn)后發(fā)布。公告對(duì)原有微功率設(shè)備目錄進(jìn)行了調(diào)整，并對(duì)微功率設(shè)備的頻率、臺(tái)站和設(shè)備管理要求，干擾處理原則，使用要求和技術(shù)指標(biāo)等方面內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。802.15.4g 技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)符合國(guó)家無(wú)線電管理的相關(guān)規(guī)定。

2 802.15.4g 概述

802.15.4g[3]-[9]標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線物理信道以及MAC 層間的接口，它提供了PHY 層數(shù)據(jù)服務(wù)和PHY 層管理服務(wù)[2]兩種功能服務(wù)。該標(biāo)準(zhǔn)給出了兩種物理層標(biāo)準(zhǔn)：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(guó)頻段，868 MHz 為歐洲頻段，通信距離遠(yuǎn)，一定程度上減小了通信衰減，增強(qiáng)了信號(hào)的繞射和穿透能力。因此，這兩個(gè)頻段上的多路徑傳播負(fù)面效應(yīng)小，信號(hào)干擾小。其中，868 MHz 頻段和915 MHz 頻段上分別定義了1個(gè)信道和10個(gè)信道，其信道的中心頻率如下（k 為信道編號(hào)）：

（2）2.4 GHz 頻段：全球統(tǒng)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(yùn)行周期以及通信時(shí)延；頻段上定義了16個(gè)信道，中心頻率為：

IEEE802.15.4共定義了三個(gè)載波頻段，總計(jì)提供27個(gè)信道。這三個(gè)頻段分配的信道個(gè)數(shù)各不相同，且信道所占的寬度也各不相同。

為了適應(yīng)室外無(wú)線低速的智能計(jì)量系統(tǒng)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(qū)域頻移鍵控（MR-FSK）；多速率多區(qū)域正交頻分復(fù)用（MR-OFDM）；多速率多區(qū)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(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?；MR-O-QPSK 則可以與IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的物理層相兼容。目前使用的802.15.4g 的物理層標(biāo)準(zhǔn)的工作頻段主要在470–510 MHz以及779–787 MHz。

3 物理層設(shè)計(jì)概述

3.1 物理層結(jié)構(gòu)模型

物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是在物理信道上通過(guò)RF-SAP 實(shí)現(xiàn)接收/發(fā)送物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）的。PLME 為PHY 層管理實(shí)體，通過(guò)調(diào)用層管理功能為PHY 層管理服務(wù)提供接口，且同時(shí)承擔(dān)維護(hù)PHY 層個(gè)域網(wǎng)信息庫(kù)的工作。而PD-SAP 為數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)，是PHY 層給MAC 子層提供所需要的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)；PLME-SAP 為管理服務(wù)接入點(diǎn)，是PHY 層給MAC 子層提供所需的管理數(shù)據(jù)以及訪問(wèn)內(nèi)部配置與參數(shù)。其物理層的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 物理層結(jié)構(gòu)模型

3.2 幀結(jié)構(gòu)

物理層數(shù)據(jù)幀（PPDU），其結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 物理層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

（1）同步頭：前導(dǎo)碼與幀定界符組成。前導(dǎo)碼占4個(gè)字節(jié)，用于完成碼片同步和符號(hào)同步；幀定界符占1個(gè)字節(jié)，用于標(biāo)志結(jié)束同步域和開(kāi)始物理幀。

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

（3）PHY 幀負(fù)載（PSDU）：長(zhǎng)度可變，通常用來(lái)承載MAC 幀、攜帶PHY 層數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)。

4 路由技術(shù)

通常的無(wú)線路由協(xié)議包括路由發(fā)現(xiàn)、路由選擇、路由維護(hù)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及路由表示與度量這五個(gè)部分。下面介紹當(dāng)前主流的幾種路由協(xié)議：

（1）AODV 路由協(xié)議。無(wú)線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing， AODV），這是一種借鑒了DSR 協(xié)議中“逐跳路由”的思想以及DSDV 協(xié)議中序列號(hào)方法的按需路由協(xié)議。該協(xié)議通過(guò)引進(jìn)了正反向的路徑指針和源節(jié)點(diǎn)的序列號(hào)從而避免了路由環(huán)路的產(chǎn)生[10]。

（2）Flood 路由協(xié)議。泛洪路由協(xié)議是一種簡(jiǎn)單的無(wú)線路由協(xié)議，它以廣播的形式通過(guò)源節(jié)點(diǎn)將消息發(fā)給其鄰近的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，接收到的節(jié)點(diǎn)再轉(zhuǎn)發(fā)給它們的鄰近節(jié)點(diǎn)，周而復(fù)始，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)均能收到[11]。其優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，減少額外的路由開(kāi)銷(xiāo)，魯棒性強(qiáng)等。但是它耗費(fèi)資源大，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“重疊”和“內(nèi)爆”現(xiàn)象，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源耗盡和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

（3）DSR 路由協(xié)議。動(dòng)態(tài)源路由協(xié)議（Dynamic Source Routing，DSR）也是一種按需路由協(xié)議，區(qū)別在于該協(xié)議的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)均包含一個(gè)路由緩存區(qū)，但僅僅用于存儲(chǔ)到特定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由信息[12]，而不會(huì)存儲(chǔ)到達(dá)全部其他節(jié)點(diǎn)的路由信息。

（4）DSDV 協(xié)議。目的序列距離矢量路由協(xié)議（DSDV， Destination-Sequenced Distance-Vector Routing）是基于距離矢量路由協(xié)議的一種改進(jìn)協(xié)議。該協(xié)議的路由表中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均維護(hù)一張其對(duì)應(yīng)的路由表，該表中包含其可到達(dá)的所有節(jié)點(diǎn)的路由信息：目標(biāo)節(jié)點(diǎn)、下一跳節(jié)點(diǎn)、路由度量以及路由序列號(hào)等。路由序列號(hào)用于區(qū)分路由的新舊，并且可以防止路由環(huán)路的產(chǎn)生。由于該路由協(xié)議中各節(jié)點(diǎn)更新頻繁，不適宜應(yīng)用在快速變化的網(wǎng)絡(luò)中。

（5）HWMP 路由協(xié)議。混合無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)協(xié)議（Hybrid Wireless Mesh Protocol，HWMP），該協(xié)議采用了空時(shí)鏈路度量（Airtime Link Metric，ALM）[14]作為路徑選擇的判據(jù)。它是一種混合式的路由協(xié)議，包含了路徑請(qǐng)求（PREQ）、路徑回復(fù)（PREP）、路徑錯(cuò)誤（PERR）以及根節(jié)點(diǎn)通告（RANN）這四種類(lèi)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(qū)動(dòng)模式[15]。

5 現(xiàn)有無(wú)線自組網(wǎng)架構(gòu)

無(wú)線自組網(wǎng)是指無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有自配置、自?xún)?yōu)化、自愈合的能力。該組網(wǎng)技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各種無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議中，不僅涵蓋了適合低功耗、短距離、小帶寬的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，還包含適用于大功率、遠(yuǎn)距離、高帶寬的寬帶業(yè)務(wù)的通信標(biāo)準(zhǔn)。

5.1 Mesh 網(wǎng)絡(luò)

Mesh 是一種各節(jié)點(diǎn)以網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)建立網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的連接方式，將其分為全連接、部分連接的兩種Mesh 網(wǎng)絡(luò)。全連接的Mesh 網(wǎng)絡(luò)如圖2所示：任意兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間均可直接通信，節(jié)點(diǎn)之間為固定路由且?guī)缀鯖](méi)有“多跳”的產(chǎn)生。

圖2 全連接Mesh網(wǎng)絡(luò)

全連接的網(wǎng)絡(luò)往往在網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模非常小的情況下才能得以實(shí)現(xiàn)。全連接的網(wǎng)絡(luò)境況會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加而變得愈來(lái)愈復(fù)雜。因此，對(duì)于有線方式的Mesh 網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，由于其節(jié)點(diǎn)之間連接的電纜的數(shù)目非常多且繁雜，全連接的Mesh 網(wǎng)路幾乎不存在實(shí)際應(yīng)用的場(chǎng)景。而部分連接的Mesh 網(wǎng)絡(luò)中只有部分節(jié)點(diǎn)具有路由的功能，其他的節(jié)點(diǎn)只作為終端并不具備路由的能力，因此，在實(shí)際工程中常用的是部分連接的Mesh 網(wǎng)絡(luò)。

5.2 ZigBee 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

ZigBee[13][17]網(wǎng)絡(luò)是一種分簇樹(shù)型的路由結(jié)構(gòu)，由協(xié)調(diào)器、路由器以及終端組成，但是其中協(xié)調(diào)器只有一個(gè)，路由器及其對(duì)應(yīng)的終端有多個(gè)，如圖3所示。

圖3 分簇樹(shù)Mesh網(wǎng)絡(luò)

每一簇的簇頭節(jié)點(diǎn)（路由器）主要來(lái)實(shí)現(xiàn)路由的發(fā)現(xiàn)和維護(hù)工作。終端節(jié)點(diǎn)之間的通信必須通過(guò)路由器中轉(zhuǎn)來(lái)完成，并不能直接通信。終端節(jié)點(diǎn)間不可以直接通信能夠減小網(wǎng)絡(luò)的路由維護(hù)開(kāi)銷(xiāo)，但是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(xié)議。

（1）協(xié)調(diào)器（ZC）：用于初始化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的初始化完畢之后，協(xié)調(diào)器就會(huì)轉(zhuǎn)變成一個(gè)路由器。

（2）路由器（ZR）：是網(wǎng)絡(luò)的可選組件。路由器主要負(fù)責(zé)路由維護(hù)工作以及數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)工作。

（3）終端（ZED）：終端不參與路由，也不負(fù)責(zé)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，因此并不承擔(dān)任何的組網(wǎng)責(zé)任。

在ZigBee 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，一方面由于終端節(jié)點(diǎn)不承擔(dān)任何的組網(wǎng)責(zé)任，導(dǎo)致ZigBee 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的功耗可以很低；另一方面，分簇樹(shù)型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的很大程度上減少了節(jié)點(diǎn)間路由的數(shù)量，因此提高了路由的效率。在ZigBee 2007標(biāo)準(zhǔn)中允許按照一定的規(guī)則進(jìn)行跳頻，即在需要的時(shí)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(bào)文的分片，因此能夠傳輸很長(zhǎng)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)報(bào)文。同時(shí)由于支持分布式的密匙，網(wǎng)絡(luò)具有很好的安全性能。最后，分簇樹(shù)形的路由結(jié)構(gòu)可以支持大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

除了上述優(yōu)點(diǎn)，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)還有以下不足：一是網(wǎng)絡(luò)中的路由器和協(xié)調(diào)器不能休眠，因此每當(dāng)發(fā)現(xiàn)和維護(hù)新路由時(shí)，網(wǎng)絡(luò)幾乎癱瘓；二是節(jié)點(diǎn)間的路由鏈路的利用率不高，造成網(wǎng)絡(luò)的吞吐量不高，因此在大數(shù)據(jù)量時(shí)，報(bào)文的碰撞十分明顯，會(huì)有潛在的數(shù)據(jù)丟失的情況產(chǎn)生；三是對(duì)協(xié)調(diào)器的依賴(lài)性大，由于依靠協(xié)調(diào)器啟動(dòng)和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)協(xié)調(diào)器不能正常工作時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中就無(wú)法增加新的節(jié)點(diǎn)甚至?xí)斐删W(wǎng)絡(luò)癱瘓。

5.3 LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)

LoRaWAN 采用星型拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[16]，主要應(yīng)用于低功耗、多節(jié)點(diǎn)通信。結(jié)構(gòu)組成包括終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器三部分，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）終端節(jié)點(diǎn)：用于數(shù)據(jù)采集。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求，裝配不同種類(lèi)的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。上行鏈路中，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)LoRa 射頻信號(hào)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至各網(wǎng)關(guān)。下行鏈路中，終端節(jié)點(diǎn)可接收各網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)南滦邢?。有三種工作模式可供終端節(jié)點(diǎn)選擇：Class A、Class B 和Class C。工作模式的選擇要基于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和需求。

（2）網(wǎng)關(guān)（基站）：負(fù)責(zé)調(diào)制解調(diào)LoRa 信號(hào)。上行鏈路中，將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行封裝后，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)IP 與服務(wù)器連接。下行鏈路中，網(wǎng)關(guān)接收來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)包，根據(jù)數(shù)據(jù)包，選擇發(fā)送功率、頻點(diǎn)、數(shù)據(jù)速率及具體的發(fā)送時(shí)間。

（3）服務(wù)器：負(fù)責(zé)控制和處理消息。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器包含多項(xiàng)功能：一是根據(jù)LoRaWAN 協(xié)議，提取、存儲(chǔ)和分析終端數(shù)據(jù)包中的有效載荷；二是管理終端節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)；三是調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)的物理層參數(shù)設(shè)置，例如發(fā)射功率、發(fā)射速率以及編碼率等。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了現(xiàn)有的無(wú)線自組網(wǎng)技術(shù)協(xié)議，其中802.15.4g 技術(shù)具有近距離、低復(fù)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(yīng)用的價(jià)值；從組網(wǎng)結(jié)構(gòu)上看，Mesh 結(jié)構(gòu)和主-從結(jié)構(gòu)都有實(shí)際的應(yīng)用。