星形與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌何锫?lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的兩種基本架構(gòu)。

隨著B(niǎo)luetooth mesh 近獲得關(guān)注，mesh 網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)幾年可能會(huì)變得更加廣泛，特別是在數(shù)千個(gè)IoT 節(jié)點(diǎn)必須在廣闊的地理區(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咎卣鳌Ｈ缓笠缘湫偷?Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為例。在以后的文章中，我們將單獨(dú)研究藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)解決方案

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有多種不同的無(wú)線(xiàn)連接解決方案。考慮到廣泛的用例，選擇合適的無(wú)線(xiàn)連接解決方案來(lái)滿(mǎn)足給定物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求可能非常具有挑戰(zhàn)性。

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)洹?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/117/" target="_blank">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(xiàn)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)鋬?yōu)缺點(diǎn)

星型拓?fù)淙鐖D 1 所示。

圖 1. 起始地形的表示。圖片由德州儀器提供

星型網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)中心樞紐組成，所有其他節(jié)點(diǎn)都連接到該中心樞紐。節(jié)點(diǎn)通過(guò)中央集線(xiàn)器相互通信，在大多數(shù)情況下，中央集線(xiàn)器也是互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。

家庭 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)是一種熟悉的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，手機(jī)、平板電腦和打印機(jī)都連接到一個(gè)中央集線(xiàn)器（無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)）。這個(gè)中央集線(xiàn)器既充當(dāng)本地網(wǎng)絡(luò)中的路由器，又充當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。

由于集線(xiàn)器負(fù)責(zé)沿星形網(wǎng)絡(luò)分發(fā)數(shù)據(jù)包，消息可以通過(guò)單“跳”（節(jié)點(diǎn)和集線(xiàn)器之間的數(shù)據(jù)傳輸）或兩“跳”（兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)網(wǎng)絡(luò)）到達(dá)目的地中心）。此功能導(dǎo)致具有一致且可預(yù)測(cè)性能的快速網(wǎng)絡(luò)。

另一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(xiàn)器的獨(dú)立連接。

然而，由于數(shù)據(jù)包必須通過(guò)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)出現(xiàn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將不復(fù)存在。

無(wú)線(xiàn)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(xiàn)電覆蓋范圍內(nèi)。這限制了網(wǎng)絡(luò)的物理大小。

此外，星型網(wǎng)絡(luò)不具備繞過(guò)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，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通常在每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間包含多條路由路徑，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(guò) RF 障礙物。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：完全和部分網(wǎng)狀拓?fù)?/p>

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。

有兩種類(lèi)型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：全網(wǎng)狀和部分網(wǎng)狀。

在全網(wǎng)狀拓?fù)渲?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以直接與網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)其他節(jié)點(diǎn)通信。

在圖 2 所示的部分網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以直接連接到網(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)格的表示。圖片由德州儀器提供

IoT 應(yīng)用程序通常使用部分網(wǎng)狀拓?fù)鋪?lái)擴(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)轉(zhuǎn)發(fā)器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)。因此，每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間都有幾條不同的路徑。這種冗余提高了網(wǎng)絡(luò)彈性；如果一條路徑失敗，則可以使用另一條路徑通過(guò)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(xiàn)電范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)仍然可以通過(guò)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(hù)將網(wǎng)絡(luò)范圍擴(kuò)展到單個(gè)無(wú)線(xiàn)電之外。

缺點(diǎn)是通信的多跳特性會(huì)增加通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播數(shù)據(jù)包的延遲。

躍點(diǎn)數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)延遲是數(shù)據(jù)包通過(guò)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)單結(jié)構(gòu)（例如上面討論的星形拓?fù)洌└訌?fù)雜。

在這種情況下，可以使用服務(wù)質(zhì)量 （QoS） 指標(biāo)：在指定持續(xù)時(shí)間（例如 300 毫秒）內(nèi)到達(dá)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)施一些路由算法以有效地將數(shù)據(jù)包傳送到目的地。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。

用于星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 Zigbee 協(xié)議

Zigbee 是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，旨在滿(mǎn)足低成本、低功耗無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的需求。

Zigbee 基于 IEEE 802.15.4 鏈路層，在 2.4 GHz、900 MHz 和 868 MHz 等免許可頻段中運(yùn)行。ZigBee 支持星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

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。圖片由SM Song WJ Yao 提供

Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線(xiàn)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)始終監(jiān)聽(tīng)路由它們通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收的信息。這些節(jié)點(diǎn)通常由市電供電。

，終端設(shè)備是不路由信息的節(jié)點(diǎn)。這些設(shè)備保持睡眠模式以節(jié)省電量，并且只會(huì)短暫?jiǎn)拘岩暂喸?xún)其父母并接收已發(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(kāi)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。

在本系列的下一篇文章中，我們將研究近引起物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)大量關(guān)注的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的不同特性。