無線網(wǎng)狀網(wǎng)、Zigbee、RFID三種技術(shù)分析

編者按：1999年由IBM創(chuàng)造的“普適計(jì)算”概念，讓人們第一次暢想網(wǎng)絡(luò)無處不在的前景；而今，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展讓這一預(yù)想有機(jī)會得以實(shí)現(xiàn)：無線網(wǎng)狀網(wǎng)（又稱為自組織網(wǎng)絡(luò)）可以構(gòu)建多點(diǎn)對多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、ZigBee技術(shù)完成定位感知系統(tǒng)、RFID技術(shù)則負(fù)責(zé)部署網(wǎng)絡(luò)的信息節(jié)點(diǎn)，這三者的融合將實(shí)現(xiàn)一個無所不在的信息網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)改變了人們的生活，很多人要問：讓網(wǎng)絡(luò)無處不在是一個夢想嗎？在不遠(yuǎn)的將來，我們能利用無線網(wǎng)狀網(wǎng)、ZigBee、RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)嗎？那時，它又會以怎樣的姿態(tài)呈現(xiàn)在我們面前呢？

場景一：在一個會議室環(huán)境下，如果投影設(shè)備的顯示效果不是很理想，主持人可以通過自己的移動終端設(shè)備向每個參會人員發(fā)送文件。當(dāng)發(fā)言人走近與會的討論組時，其移動終端設(shè)備可以動態(tài)加入該組，下載該組的討論材料。通過可重新配置的上、下文敏感中間件，無線網(wǎng)狀網(wǎng)將突出對環(huán)境的感知和動態(tài)自組網(wǎng)絡(luò)通信的支持。

基礎(chǔ)：多點(diǎn)對多點(diǎn)

自組織網(wǎng)絡(luò)（Adhoc）支持多點(diǎn)對多點(diǎn)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它在組網(wǎng)與選路等特征上與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)存在著明顯的區(qū)別。在自組織網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點(diǎn)只和其臨近節(jié)點(diǎn)通信，從一個節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包將根據(jù)相關(guān)協(xié)議的配置逐跳（hop）傳遞到目的節(jié)點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)點(diǎn)對多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比具有較多的優(yōu)勢。

可靠性提高：在相距較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間通信時，數(shù)據(jù)包將通過多個節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，逐步傳遞到目的節(jié)點(diǎn)。例如，如果一個終端距離接入點(diǎn)較遠(yuǎn)時，信號將通過距離較近的另外一個終端將信號轉(zhuǎn)發(fā)給接入點(diǎn)，這樣一來，無線鏈路長度將被縮短，對天線的傳輸距離和性能要求以及所需發(fā)射功率也將降低，從而減少了信號間干擾。另外，自組織網(wǎng)絡(luò)中的每臺設(shè)備都可直接通信，或者通過網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)而連接到其他設(shè)備。這種網(wǎng)絡(luò)免去了昂貴的蜂窩塔的需求，同時也免除了由于通信鏈路集中而造成的傳輸瓶頸，因此，網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率和頻率利用率都非常高。

沖突減輕：自組織網(wǎng)絡(luò)可以較大程度地減輕業(yè)務(wù)執(zhí)行時發(fā)生沖突。這是因?yàn)殒溌窞榫W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點(diǎn)可使用的鏈路數(shù)大大增加，且每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都具有選路功能，如果其中的某一條鏈路出現(xiàn)了故障，節(jié)點(diǎn)便可以自動轉(zhuǎn)向其他可選鏈路進(jìn)行接入，因而減輕了業(yè)務(wù)執(zhí)行時發(fā)生沖突的可能性，例如，雨天會給無線鏈路的功率造成一定的衰減，但是天氣的影響是局部的、有方向性的，通常同一方向的可選路由或可選鏈路處于這種天氣條件下的幾率要大于方向相差較大的可選路由或鏈路，因而呈鈍角關(guān)系的路由或鏈路受到這種天氣因素的影響便會大大降低。

簡化無線鏈路設(shè)計(jì)：相比星形網(wǎng)絡(luò)，自組織網(wǎng)絡(luò)在無線鏈路的設(shè)計(jì)上也有所簡化。

維護(hù)方便：自組織網(wǎng)絡(luò)簡化了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與升級，如前所述，每個節(jié)點(diǎn)有多條可選路由，其中某一鏈路或路由被切斷時并不會影響到業(yè)務(wù)的正常執(zhí)行，因而局部地區(qū)的升級與擴(kuò)容將不會影響到整個網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，方便了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)與操作。再有，自組織網(wǎng)絡(luò)可以自行建網(wǎng)，這意味著系統(tǒng)中任何一個通信設(shè)備在打開電源后，將自動搜尋、發(fā)現(xiàn)和加入現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，各通信設(shè)備間的路由和鏈接將隨之自動形成。并且，該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在任何地點(diǎn)，不依靠任何其他的移動和固定通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，迅速地被建立。例如可以在建筑物內(nèi)、隧道中，以及偏遠(yuǎn)地區(qū)建立該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

場景二：無所不在的網(wǎng)絡(luò)將可提供一種任何時間、任何地點(diǎn)的信息訪問服務(wù)。例如，一輛配備有無線定位系統(tǒng)的急救車，可準(zhǔn)確定位突發(fā)事故現(xiàn)場，利用無線網(wǎng)絡(luò)獲取實(shí)時的交通信息。在事故現(xiàn)場，通過便攜式和移動式設(shè)備監(jiān)測病人的脈搏、血壓、呼吸等數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)訪問分布式的醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)，下載有關(guān)病歷數(shù)據(jù)等必要信息。除了基于定位系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，該系統(tǒng)的功能還包括基于移動設(shè)備和無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷、遠(yuǎn)程病人監(jiān)護(hù)，以及遠(yuǎn)程訪問存有患者病歷信息的醫(yī)療數(shù)據(jù)庫。

無線定位感知

在無線網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的信息采集和獲取能力，融合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的定位感知技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，進(jìn)而成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它是由大量傳感器結(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集量化、處理融合和傳輸應(yīng)用是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的重要組成部分之一。在不考慮用戶個人隱私問題的前提下，如何動態(tài)獲取用戶的位置信息，而且得到的位置信息必須能夠達(dá)到一定的精確度，一般誤差控制在幾厘米以內(nèi)；如何為用戶積極主動地提供各種所需服務(wù)，這些都是定位感知系統(tǒng)必須能夠?qū)崿F(xiàn)的功能。

可以想象，定位感知系統(tǒng)必須是定位系統(tǒng)與位置系統(tǒng)兩者的緊密結(jié)合，用戶每移動到一個新的位置，系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r進(jìn)行精確定位，然后確定這一特定位置的對象集信息。利用這些信息，定位感知系統(tǒng)能夠積極主動地向用戶廣播所能提供的各種信息，從而使用戶能夠有效地選擇自己所需要的信息。

作為一項(xiàng)基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)的安全網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee有希望讓無線傳感器出現(xiàn)在各種應(yīng)用中：從工廠的自動化系統(tǒng)到家庭保安系統(tǒng)和消費(fèi)電子產(chǎn)品。在最近才得到批準(zhǔn)的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)配合下，ZigBee將普通小型電池的使用壽命延長到了幾年時間。人們預(yù)測，ZigBee設(shè)備還將十分便宜，一些人估計(jì)，它的銷售價(jià)格最終不到3美元。以如此之低的價(jià)格，它們將會非常適用于無線電燈開關(guān)、無線調(diào)溫器和煙感探測器，成為包圍辦公室、家庭和交通工具的無線設(shè)備的流行趨勢，而建立自動化傳輸房門、水表、攝像、自動售貨機(jī)和火警等系統(tǒng)信息的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將成為其最大的市場空間。

ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（PersonalAreaNetwork，PAN）工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。802.15.4的MAC層基于802.11無線LAN標(biāo)準(zhǔn)，但是它的物理層與流行的802.11b物理層相似。它可工作于三個不同的波段，每個波段都提供了一種不同的峰值數(shù)據(jù)速率。不過多數(shù)應(yīng)用僅使用峰值速率的一部分。例如，時鐘每周才查詢一次NTP（網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議）服務(wù)器，而安全措施良好的建筑物中防盜警報(bào)可能若干年都不傳輸一個數(shù)據(jù)。由于ZigBee的傳輸較少，因此它對已使用同一頻率的其他無線技術(shù)的干擾非常小。

場景三：面對超市里顧客排起的長隊(duì)，收銀員用手持設(shè)備不停地掃描著顧客購買的商品，時常遇到一件又一件“掃”不出來的貨物，這時就不得不手工輸入冗長的商品序列號，此時在長長的隊(duì)列中又不時發(fā)出顧客不耐煩的埋怨聲……然而有了RFID，你只需掏出手機(jī)，閱讀出商品的代碼，然后通過手機(jī)的移動電子商務(wù)付費(fèi)系統(tǒng)向商家付賬。同時，商家確認(rèn)所購買商品的記錄后，顧客不必經(jīng)歷上述排隊(duì)等購物環(huán)節(jié)就可以輕松自由地離開了。

部署信息節(jié)點(diǎn)

有了無線網(wǎng)狀網(wǎng)，同時構(gòu)建了無線定位感知系統(tǒng)，再加上RFID的小小標(biāo)簽，我們或許就可以享受無所不在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)了，然而RFID能否為普適計(jì)算找到大眾應(yīng)用的切入點(diǎn)呢？我們不妨試想一下，如果將手機(jī)做成RFID的閱讀器，那么它的用途將會有多大？另外，RFID的大規(guī)模商用時代到來，會給我們帶來什么。
RFID（無線射頻識別，RadioFrequencyIdentification）是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。最簡單的RFID系統(tǒng)由標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和天線（Antenna）三部分組成----在實(shí)際應(yīng)用中還需要其他硬件和軟件的支持。其工作原理并不復(fù)雜：標(biāo)簽進(jìn)入磁場后，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（PassiveTag，無源標(biāo)簽或被動標(biāo)簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（Active Tag，有源標(biāo)簽或主動標(biāo)簽），閱讀器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。
RFID技術(shù)無疑給構(gòu)建無所不在的網(wǎng)絡(luò)帶來一次革命機(jī)遇。RFID可以為每一件貨品提供單獨(dú)的識別身份，然后透過無線數(shù)據(jù)傳輸讓計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)隨時掌握各式各樣貨品的詳細(xì)信息。這樣在商品從生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)戒N售的過程中，供應(yīng)商、商家和用戶都可以從這些重要的數(shù)據(jù)中受益（例如，商家和供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的信息交換，從而使采購、倉儲、配送過程更加便捷，同時也方便了用戶）。另外，網(wǎng)絡(luò)用戶只需將手機(jī)等手持設(shè)備接近RFID標(biāo)簽，就可以快速讀取標(biāo)簽的代碼和內(nèi)容，手持移動終端可以隨時接入互聯(lián)網(wǎng)，并利用讀出的標(biāo)簽代碼在移動電子商務(wù)服務(wù)平臺中迅速查找相關(guān)的信息，并將結(jié)果顯示在移動終端屏幕上，以此為用戶帶來各種各樣的便利服務(wù)。例如，它可以為你提供商品信息服務(wù)，你還可以把讀取的商品代碼發(fā)送給移動電子商務(wù)服務(wù)平臺，然后會得到許多相關(guān)信息，如可以告知你附近的商店同類商品的價(jià)格以進(jìn)行比較判斷該商場的價(jià)格是否合理。

再設(shè)想一下，當(dāng)你漫步在街頭，看到一幅讓你心動的商品廣告，這時只需拿出手機(jī)，閱讀商品的RFID標(biāo)簽，由此獲得詳細(xì)的商品信息：功能特性、性能指標(biāo)、價(jià)格指數(shù)、定購辦法等一目了然。假如你喜歡的話，只需輸入銀行的賬戶密碼，幾次按鍵輕松完成網(wǎng)上訂購過程，等你回家之后，新款商品已經(jīng)等在家門口。另外，你也可以將喜歡的商品推薦給自己的朋友，輕按鍵盤，包含詳細(xì)商品信息的電子郵件就迅捷到達(dá)。

無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展迅猛，前景廣闊，但有些問題仍困擾著我們，比如各種嵌入式小器件的發(fā)明與應(yīng)用、各種定位技術(shù)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)、RFID標(biāo)簽自身成本較高、如何保證購買者的個人穩(wěn)私、標(biāo)準(zhǔn)能否統(tǒng)一等問題。

融合背后的思考

可以預(yù)測:無需維護(hù)、具有無限生命周期的無線傳感網(wǎng)絡(luò)與RFID、無線網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)合在一起，將實(shí)現(xiàn)高效及時的關(guān)鍵信息提交。但我們同時要了解的是，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)（如WLAN和蜂窩移動電話網(wǎng)絡(luò)），除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都無法時常更新電源，因此設(shè)計(jì)有效的策略延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題。

研究初期，人們一度認(rèn)為成熟的Internet技術(shù)加上Ad-hoc路由機(jī)制對傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是足夠充分的，但深入的研究表明：傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求，前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。為了適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)遵循著端到端的邊緣論思想，強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)。對于傳感器網(wǎng)絡(luò)，這未必是一種合理的選擇。一些為自組織的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法，未必適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用的要求。節(jié)點(diǎn)標(biāo)識（如地址等）的作用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中不十分重要，因?yàn)閼?yīng)用程序不怎么關(guān)心單節(jié)點(diǎn)上的信息；中間節(jié)點(diǎn)上與具體應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、融合和緩存卻顯得很有必要。在密集性的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離非常短，低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時增加了通信的隱蔽性，避免了長距離無線通信易受外噪聲干擾的影響。這些獨(dú)特的要求和制約因素為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問題。

更嚴(yán)峻的問題是時鐘同步，顯然，無所不在的信息網(wǎng)絡(luò)對時鐘同步的要求明顯高于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)。它與實(shí)際的物理環(huán)境聯(lián)系密切，所以必須采用物理時鐘同步，無法使用相對簡單的邏輯時鐘。而無線傳感器要求必須采用低能耗工作，時間同步的數(shù)據(jù)交換受到限制，同時無線媒介連接方式不可靠，Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)不易用傳統(tǒng)的時間同步方法。

盡管難題重重，但微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)在不斷發(fā)展，微處理芯片的網(wǎng)絡(luò)功能會得到進(jìn)一步加強(qiáng)，智能傳感器和無線通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合也會更加容易。應(yīng)用高性能的嵌入式處理器之后，信息網(wǎng)絡(luò)的功能也會越來越強(qiáng)，我們可以相信，在不久的將來，人類周圍將是無所不在的網(wǎng)絡(luò)。