无线自组织网络路由与低功耗节点关键技术探讨

无线自组织网络路由与低功耗节点关键技术探讨

王萧1索宝仲2

1.2.天津航天中为数据系统科技有限公司天津300450；

1.2.航天恒星科技有限公司北京100089

摘要：作为目前普适计算（ubicomp）的新型实现技术之一，AdHoc网络又被称之为多跳性网络。它是由一套无线信息接收设施蜂窝移动型终端节点组合而成的一种多跳临时的无中心网络架构，于任何的时间、地点、空间皆能快速可靠的建立移动性质的信息网络平台，且无需任何的信息网络设备的维持，网络结构中的任何一个终端节点皆能自行移动运转，作用地位相同。

关键词：无线自组织网络路由；低功耗节点；关键技术

引言：

在无线自组织网络的运行中，依据低功耗节点唤醒AdHoc网络协调器技术，产生的信号唤醒控制微单元（MCU），从而唤醒通信模块接收信息数据，保证信息的时效性以及低能耗，因此低功耗节点应用于AdHoc网络中的关键便是技术的创新及变革。基于此，在接下来的文章中，将针对无线自组织网络路由与低功耗节点关键技术方面进行详细分析，希望能给相关人士提供重要的参考价值。

1.无限自组织网络的定义叙述

AdHoc网络的路由协议的三大核心功为：路径的产生、抉择、维护。在其中，路径产生的定义为依据集中化或者分散化的蜂窝移动网络通信技术以及用户需求形成的网络路径，此项进程的首要内容为蜂窝网络下的信息技术以及用户的信息需求；在形成的网络结构中，路径的产生、抉择往往可合在一起形成新的网络路由协议即路径发现；对网络结构中的所有路径进行维护便是路径维护的主要功能。因此为保证满足AdHoc网络需求，需重新设计于AdHoc网络相切合的路由协议。无线传感器网络进行概述，分析无线传感器网络的特点以及技术难点，指出无线传感器网络实际上是由大量传感器节点组成的、面向应用的能量受限网络，而低功耗和实时性正是无线传感器网络应用中需要解决的重要问题。为了减少能量浪费，通常在无线传感器网络中采用周期性的睡眠/唤醒机制，但这种机制并没有很好地解决在邻居节点无数据传输的时候本节点唤醒MCU和通信模块所带来的功耗浪费问题，而且还带来了实时性问题。因此，论文在对波束供电技术分析的基础上，提出一种无线传感器网络节点的低功耗射频唤醒机制，并讨论误唤醒与无效唤醒的抑制措施，分析基于这种射频唤醒机制的无线传感器网络节点的硬件总体结构和节点设计。最后对基于低功耗射频唤醒机制的无线传感器网络节点与传统采用睡眠/唤醒机制的节点在实时性能和功耗方面进行对比分析。

2.关于AdHoc网络特点介绍

依据相关文献中，无线自组织网络工作小组提出的RFC2501号文件中总结出以下几点影响AdHoc网络的因素：第一、拓扑结构的动态变化：无线自组织网络的终端节点能以任何的形态速率进行万向自由的，因此，AdHoc网络需能适用于拓扑结构的动态变化，尤其出现多跳临时的网络拓扑结构动态变化。第二、宽带的限制：AdHoc网络在运行中会受到带宽的限制，例如在工作环境以及公共网络环境中，用户的多路径访问、衰落的信道以及有限的频谱聚能引发信道问题，从而影响AdHoc网络的运行。第三、受限于终端节点能量：在应用AdHoc网络的环境受限于终端节点的能量限制性问题。因而在开始，设计AdHoc网络路由协议时需首先考虑如何设计低能耗的节点，否则会致使路由协议变得尤为复杂多变。第四、运行中风险的安全性问题：运行AdHoc网络中，本身就存有一定风险性，极易遭受外部攻击[1]，因此经数据链接层、网络层引入部分安全机制，以此减小风险性。另外AdHoc网络的架构从实际意义上讲也在一定程度上提升了网络的健壮性。

3.设计低功耗节点唤醒AdHoc网络协调器的运行

第一，AdHoc网络协调器的总体构成。运行无线传感器网络中，大多数的路由协议的节点并无需全部以电池进行供电，比如IEEE802.15.4/Zigbee路由协议。从功能的角度分类，路由协议将网络设施划分为两大类即全功能设施（FFD）以及简化功能设施（RFD）。低功耗节点唤醒AdHoc网络协调器的总体架构，从能耗角度进行分类，节点可分为两大类即受电量限制的设备（PLD）以及不受电量限制的设备（PUD），PLD指的是受电池电量限制，对于功耗有严格的要求的设备；PUD指的是可持续性供电的，并无电量限制以及严格的功耗要求的设备。

举例说明：一款有6种睡眠功效的低能耗芯片的设计即Atmega128L，它的设计模块包含传感器，微处理器，唤醒机制，射频通信以及电源等。相比常规的无线传感器设计添加了唤醒机制。唤醒机制的构成主要有内电路板以及天线。天线主要的作用为从电磁场中接收能量信号以此提供给内电路板。第二、低耗能节点的设计。从上述的例子中，Atmega128L在设计之初增加了唤醒机制，并选择低能耗的芯片用于无线传感器网络的终端节点，在睡眠模式下唤醒机制的工作时长为6个时钟周期，并于8MHz工作频率之下，唤醒时长约有0.73μs。CC1000射频接收芯片，以433MHz的频率接收时平均电量功耗约有7.5毫安，发射时的平均电量功耗约有15.1毫安，唤醒的工作时长为5ms。通过对比可表明低能耗唤醒机制在AdHoc网络协调器运行中具有较高的时效性以及较低的能耗，大大满足AdHoc网络的需求[2]。

从另一个角度来看，计算模式的发展过程也是物理世界与信息空间融合的过程。在主机计算时代，人们只能通过数量有限的大型主机获取和处理有限的信息，并且大型主机之间并不存在信息互联的网络，这时的信息空间实际由只是相对孤立的计算机的存储空间构成，它能提供的信息服务是相当有限的。在桌面计算时代，网络技术的发展，特别是互联网的出现极大地促进了信息空间的拓展。实际上，互联网构成了一个几乎是无处不在的庞大信息空间。同时，我们也要看到虽然信息空间在不断发展扩大，但信息空间的入口仍然有限，人们只能通过有限的手段（即桌面计算设备）来获取和处理信息。两者之间的不对称发展严重限制了人们获取信息和处理信息的能力，这就需要一种与信息空间发展相容的计算模式来满足人们的信息需求，这种计算模式就是普适计算模式。普适计算实现了物理世界与信息空间的融合，让人们可以自由地穿行于物理世界和信息空间。MarkWeiser在他的第一篇专门论述普适计算的论文中就写道：“影响最为深远的技术是那些从人们注意力中消失的技术，这些技术已经融入到日常生活中，与之成为一体。”通过将计算融入日常生活之中，让计算机从人们的眼前“消失”，使人们可以随时随地得到信息服务[3]。

结论：

简而言之，作为无线自组织网络（AdHoc网络）的基础，快速可靠的路由（fastandreliableprotocol，简称：FAP）在应用中具有鲜明的特点即高度抗毁性、高度可靠性以及高度移动性，是目前AdHoc网络研究应用过程中的关键技术点。ADHOC网络在应用中以较窄的宽带为无线信道，并且因低功耗节点的变相移动致使出现拓扑变化较为频繁的现象，如若在AdHoc网络中应用传统的路由协议，周期性质的控制信息需占有大量的无线网络资源，大大降低整个网络系统的效率。与此同时，因AdHoc网络的节点在应用中一般以电池进行供电，并且因技术层次的制约，电池容电量问题短时间内难以得到很好地解决。由此表明，AdHoc网络路由与低功耗节点关键技术的研究具有显著的划时代意义。

参考文献：

[1]刘半藤，周莹，陈友荣等.基于移动—能量代价函数的无线自组织网络路由策略研究[J].传感技术学报，2017，30（02）：302-305.

[2]姚俊杰，张新晨.基于超长距低功耗数据传输技术与无线通信技术的智能水表系统[J].计算机测量与控制，2018，v.26；No.236（05）：288-291.

[3]李鹏飞，雷迎科.动态Adhoc网络关键节点识别[J].计算机应用研究，2017，34（05）：1473-1475.