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星型與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌何锫?lián)網(wǎng)無(wú)線連接基礎(chǔ)
星型與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌何锫?lián)網(wǎng)無(wú)線連接基礎(chǔ)
星形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的兩種基本架構(gòu)。
隨著藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)最近獲得關(guān)注，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在未來幾年可能會(huì)變得更加普遍，尤其是在數(shù)千個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)必須跨地理大區(qū)域進(jìn)行通信的應(yīng)用中。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以促進(jìn)樓宇自動(dòng)化、能源管理、工業(yè)自動(dòng)化和資產(chǎn)管理等應(yīng)用。
為了突出網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)和局限性，本文深入討論了星形和網(wǎng)狀拓?fù)涞幕咎卣?。然后以典型?span> Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為例。
選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有幾種不同的無(wú)線連接解決方案?？紤]到廣泛的用例，選擇正確的無(wú)線連接解決方案來滿足給定物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求可能非常具有挑戰(zhàn)性。
在選擇連接解決方案時(shí)，應(yīng)考慮范圍、數(shù)據(jù)速率、安全性、功耗和可擴(kuò)展性等各種因素。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?span>——傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)如何排列或相互連接——是影響網(wǎng)絡(luò)性能的另一個(gè)重要因素。
物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的兩種基本架構(gòu)是星形連接和網(wǎng)狀連接。
星型拓?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)
星型拓?fù)淙鐖D 1 所示。
圖 1. 起始地形的高級(jí)表示。
星形網(wǎng)絡(luò)由所有其他節(jié)點(diǎn)連接到的中央集線器組成。節(jié)點(diǎn)通過中心集線器相互通信，在大多數(shù)情況下，中心集線器也是通往互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。
家庭 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)是一種熟悉的星型拓?fù)洌渲惺謾C(jī)、平板電腦和打印機(jī)都連接到中央集線器（無(wú)線接入點(diǎn)）。這個(gè)中央集線器既可以作為本地網(wǎng)絡(luò)中的路由器，也可以作為互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。
由于集線器負(fù)責(zé)沿星形網(wǎng)絡(luò)分發(fā)數(shù)據(jù)包，因此消息可以通過單個(gè)“跳”（節(jié)點(diǎn)與集線器之間的數(shù)據(jù)傳輸）或兩個(gè)“跳”（兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸）到達(dá)目的地。中心）。此功能導(dǎo)致具有一致且可預(yù)測(cè)的性能的快速網(wǎng)絡(luò)。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是基于星型拓?fù)涞奈锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以輕松識(shí)別和隔離故障節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己與集線器的單獨(dú)連接。
然而，由于數(shù)據(jù)包必須通過中央節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)存在單點(diǎn)故障。如果中心節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將不復(fù)存在。
無(wú)線星形連接的另一個(gè)主要限制是所有節(jié)點(diǎn)都應(yīng)該在中央節(jié)點(diǎn)的直接無(wú)線電范圍內(nèi)。這限制了網(wǎng)絡(luò)的物理大小。
此外，星形網(wǎng)絡(luò)不具備繞過射頻障礙物或射頻干擾高的環(huán)境的靈活性。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)并非如此，它通常在每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間包含多個(gè)路由路徑，我們將在稍后討論。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有更靈活的布局，更有可能繞過射頻障礙物。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：全網(wǎng)狀和部分網(wǎng)狀拓?fù)?span>
在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以直接與多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)通信。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)有兩種類型：全網(wǎng)狀和部分網(wǎng)狀。
在全網(wǎng)狀拓?fù)渲校總€(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)其他節(jié)點(diǎn)直接通信。
在部分網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，如圖 2 所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以直接連接到網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)或多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)，但不一定連接到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)其他節(jié)點(diǎn)。
圖 2. 部分網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格的高級(jí)表示。
物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序通常使用部分網(wǎng)狀拓?fù)鋪頂U(kuò)展網(wǎng)絡(luò)范圍，我們將在下面討論。
在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)中繼器，通過網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)。結(jié)果，每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間有幾條不同的路徑。這種冗余提高了網(wǎng)絡(luò)彈性；如果一條路徑發(fā)生故障，則可以使用替代路徑通過網(wǎng)絡(luò)傳播數(shù)據(jù)。
由于節(jié)點(diǎn)能夠充當(dāng)中繼器，因此不在彼此直接無(wú)線電范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)仍然可以通過路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。這是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗试S用戶將網(wǎng)絡(luò)范圍擴(kuò)展到單個(gè)無(wú)線電之外。
缺點(diǎn)是通信的多跳特性會(huì)增加通過網(wǎng)絡(luò)傳播數(shù)據(jù)包的延遲。
跳數(shù)，因此，網(wǎng)絡(luò)延遲是數(shù)據(jù)包通過的路由器數(shù)量的函數(shù)。這使得評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能比簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)（如上面討論的星形拓?fù)洌└鼜?fù)雜。
在這種情況下，可以使用服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 指標(biāo)：在指定時(shí)間段（例如 300 毫秒）內(nèi)到達(dá)最終目的地的傳輸數(shù)據(jù)包的比率。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)一些路由算法以有效地將數(shù)據(jù)包傳遞到目的地。為了實(shí)現(xiàn)這些路由功能，路由節(jié)點(diǎn)應(yīng)該有更多的處理能力和內(nèi)存，這增加了這些節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性和成本。
星型、樹型和網(wǎng)狀拓?fù)涞?span> Zigbee 協(xié)議
Zigbee 是一種開放的全球標(biāo)準(zhǔn)，旨在滿足低成本、低功耗無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的需求。
Zigbee 基于 IEEE 802.15.4 鏈路層，可在 2.4 GHz、900 MHz 和 868 MHz 等非授權(quán)頻段運(yùn)行。ZigBee 支持星形、樹形和網(wǎng)狀拓?fù)洹?span>
典型的 Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)如圖 3 所示。
圖 3。Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的示例。
Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線電扮演著不同的角色。節(jié)點(diǎn)可以是協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器設(shè)置網(wǎng)絡(luò)并允許路由器和終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。除了創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)之外，協(xié)調(diào)器還負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)的安全性。
路由器節(jié)點(diǎn)總是在監(jiān)聽路由它們通過網(wǎng)絡(luò)接收到的信息。這些節(jié)點(diǎn)通常由電源供電。
最后，終端設(shè)備是不路由信息的節(jié)點(diǎn)。這些設(shè)備保持在睡眠模式以節(jié)省電量，并且僅短暫?jiǎn)拘岩暂喸兤涓改覆⒔邮找寻l(fā)送給他們的消息。
終端設(shè)備通常是電池供電的節(jié)點(diǎn)。
Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)配置自身（自形成）。
此外，當(dāng)節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)或發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的新組合重新配置路由路徑。這種自我修復(fù)功能提高了網(wǎng)絡(luò)在不斷變化的條件下的穩(wěn)定性。