以太网属于广播形式的网络,当一个站点发送信息时,网络中的所有站点都能接收到,容易形成数据堵塞,导致网络速度变慢,甚至发生系统瘫痪。为了尽量减少数据的传输碰撞和重试发送,以太网中使用了CSMA/CD(载波监听多路访问/冲突检测)工作机制。以防止各站点无序地争用信道。ZigBee中采用了与CSMA/CD相类似的CSMA/CA(载波监听多路访问/冲突防止)协议,当其中一个站点要发送信息时。首先监听系统信道空闲是否大于某一帧的间隔。若是,立即发送,否则暂不发送,继续监听。CSMA/CA通信方式将时间域的划分与帧格式紧密联系起来,保证某一时刻只有一个站点发送,实现了网络系统的集中控制。
ZigBee网络依据网络的结构不同,使用两种信道接入机制。无信标网络使用无时隙的CSMA-CA信道接入机制。每当设备想要传输数据帧或MAC命令时,它将等待一段随机的时间。在这之后,如果信道被检测为空闲,设备将传输数据;如果信道被检测为忙,设备在再次尝试接入信道之前,要重新等待一段随机的时间,确认帧的发送不使用CSMA-CA机制。
设备在竞争接入时段要传输数据时,需要确定下一个退避时隙的界限,之后等待随机的几个退避时隙。在随机退避之后,如果信道被检测为忙,设备在再次尝试接入信道之前,要重新等待随机的几个退避时隙;如果信道被检测为空闲,设备将在下个退避时隙传输数据。确认帧和信标帧的发送将不需要CSMA-CA机制。
因为传输介质的不同,所以传统的CSMA/CD与无线局域网中的CSMA/CA在工作方式上存在着差异。CSMA/CD的检测方式是通过电缆中电压的变化来测得,当数据传输发生碰撞时,电缆中的电压会随之变化,而CSMA/CA使用空气作为传输介质,必须采用其他的碰撞检测机制。CSMA/CA采取了3种检测信道空闲的方式:能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混台检测。
ZigBee在网络设计中还采用了无线自组织网络概念。
长期以来,无线网络一直采用一种集中式模型,这种模型可能会造成瓶颈、时延和故障断点。无线自组织网状网络正在作为一种替代无线交换功能的技术而兴起,它通过采用格栅状的拓扑结构,将智能性由交换机分散到接入点中。使节点或接入点无须经过中央交换机即可相互通信,从而消除了集中的故障,并提供了自愈和自我组织的功能。尽管有关传输流的决策是在本地做出的,但系统却可以全局管理。
狭义上的网状网络是指一种网络拓扑结构,网络中的设备是通过网络节点之间的众多冗余链路互相连接起来的。每个节点都与网络中的另一个节点相连接,可直接连接,也可通过中间节点跳接。无线自组织网状网络(也称“多跳”网络)是以网状网络为拓扑结构,每个网络节点为路由路径,数据包根据路由协议在节点之间以无线的方式传送的交换式无线网络。
从网络拓扑结构上讲,无线网状网可以看作是无线版、缩微版的互联网。互联网呈现的是网状网的拓扑结构,而无线自组织网状网又把互联网的实现形式延伸到了无线领域,拓扑结构如同一张网。在传统的星状拓扑结构中,许多外围节点连接到中心节点。不过在无线自组织网状网络当中,节点彼此相连。如果无线自组织网状网络中的节点要传送信息,数据包就会从一个节点跳到另一个节点,直到最终到达目的地。无线自组织网状网中的笔记本计算机或掌上计算机等移动终端设备在装有无线自组织网状网芯片集后,还可以作为网上的路由器或中继器。
无线网状基础设施实际上就是去掉了节点之间布线的路由器网络,它仍具有此类网络所提供的内在容错重新路由功能。它是由对等射频设备构成的,每一台设备都不需要像传统WLAN接入点(AP)那样布线至一个有线端口。相反,每一台设备只是简单打开电源就可以自动地进行自我配置,并透过空气与其他节点进行通信,以确定最有效的多跳传输路径。而且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。
具体传输步骤:
(1)一个新节点利用简单的发现协议向网络广播自己的存在,加入无线网络。
(2)已有的节点认知这个新节点,并透明地重新配置和重新调整网络来容纳这个新节点。(www.xing528.com)
(3)在通信过程中,每个节点根据收到的信号强度、吞吐量、错误和时延,频繁重新计算最佳路径。
路由技术是移动节点通信的基础,也是移动自组织网络的关键技术之一。与一般的蜂窝无线网络不同,移动自组织网络各节点间通过多跳数据转发机制进行数据交换,需要专门的路由协议进行分组转发操作。无线信道变化的不规则性、节点的移动、加入、退出等都会引起网络拓扑结构的动态变化。
无线自组织网状网络与传统无线网络相比,其主要优势表现如下。
(1)稳定性好。单跳网络中,如果一个接入点瘫痪会导致整个网络无法运行。而无线自组织网络具有自我调节和自愈特性,不依赖于单一节点。如果某个接入点或节点发生故障,无线自组织网状网络系统可绕过这些故障,数据也将通过另外路径实现轻松传递,网络仍可继续运行。
(2)节能性强。与传统的点到点网络相比,无线自组织网状网络技术的主要优势之一是每个节点所需的功率大大降低。在无线自组织网状网络中,各个节点可以靠得很近,也正是多跳技术大大延长了无线自组织网状网络节点的电池寿命。
(3)高带宽。根据无线通信的物理特性,路程越长,可能导致数据丢失的干扰和其他因素出现的几率越高。在任何固定功率级别射频发射中,噪声导致的接收错误会随着发射器和接收器之间距离的增加而增加。因此多数联网协议使用若干可变纠错方案,牺牲带宽以便在较高的噪声级连续运行。而无线自组织网状网络通过多次“短跳”来传递数据,路程越短,带宽程度也就越高,从而获得更高带宽。
(4)空间再利用。空间再利用也是无线自组织网状网络相对于单跳网络的显著优势之一。单跳网络设备必须共享同一个接入点,几种设备同时接入网络,会发生严重的交通堵塞,系统速度也会随之降低。而在无线自组织网状网络中,许多设备可以通过不同节点同时接入网络,更短的传送路程在减少干扰的同时,也实现了空间上数据的同时传输。
(5)冲突减轻。自组织网络可以较大程度地减轻业务执行的冲突。这是因为链路为网状结构,使得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。
(6)维护方便。无线自组织网状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整个网络的运行,方便了网络的维护与操作。同时,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,以及在偏远地区建立该网络系统。
(7)具有可伸缩性。无线自组织网状网络系统比其他网络系统具有更好的可伸缩性。如果需要增加覆盖区域,或在已有区域增加覆盖密度,只需向已有网络添加接入点或节点,接通节点的电源,然后进行网络配置,无线自组织网状网即可开始运行。
(8)自我构建。在给某节点上电后,它就能收听邻近节点。如果它找到了一个或若干个邻近节点,就会要求加入网络,并获得准入,前提是要满足准入标准,如满足安全需求。一旦无线自组织网状网络里面有了为数不少的节点,一个新节点几乎总是能够找到邻近节点进行通信。
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