星形網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡的兩種基本架構(gòu)。

隨著Bluetooth mesh 近獲得關注，mesh 網(wǎng)絡在未來幾年可能會變得更加廣泛，特別是在數(shù)千個IoT 節(jié)點必須在廣闊的地理區(qū)域進行通信的應用中。網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以促進樓宇自動化、能源管理、工業(yè)自動化和資產(chǎn)管理等應用。

為了突出網(wǎng)狀網(wǎng)絡的優(yōu)點和局限性，本文深入討論了星形和網(wǎng)狀拓撲的基本特征。然后以典型的 Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡為例。在以后的文章中，我們將單獨研究藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡。

選擇合適的物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡解決方案

物聯(lián)網(wǎng)應用有多種不同的無線連接解決方案?？紤]到廣泛的用例，選擇合適的無線連接解決方案來滿足給定物聯(lián)網(wǎng)應用的要求可能非常具有挑戰(zhàn)性。

選擇連接解決方案時，應考慮范圍、數(shù)據(jù)速率、安全性、功耗和可擴展性等各種因素。

網(wǎng)絡拓撲——傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)關節(jié)點如何排列或相互連接——是影響網(wǎng)絡性能的另一個重要因素。

物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡的兩種基本架構(gòu)是星形連接和網(wǎng)狀連接。

星型拓撲優(yōu)缺點

星型拓撲如圖 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)絡由一個中心樞紐組成，所有其他節(jié)點都連接到該中心樞紐。節(jié)點通過中央集線器相互通信，在大多數(shù)情況下，中央集線器也是互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關。

家庭 Wi-Fi 網(wǎng)絡是一種熟悉的星形拓撲結(jié)構(gòu)，手機、平板電腦和打印機都連接到一個中央集線器（無線接入點）。這個中央集線器既充當本地網(wǎng)絡中的路由器，又充當互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關。

由于集線器負責沿星形網(wǎng)絡分發(fā)數(shù)據(jù)包，消息可以通過單“跳”（節(jié)點和集線器之間的數(shù)據(jù)傳輸）或兩“跳”（兩個節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸通過網(wǎng)絡）到達目的地中心）。此功能導致具有一致且可預測性能的快速網(wǎng)絡。

另一個優(yōu)勢是基于星型拓撲的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡可以輕松識別和隔離故障節(jié)點，因為每個節(jié)點都有自己與集線器的獨立連接。

然而，由于數(shù)據(jù)包必須通過中央節(jié)點，網(wǎng)絡存在單點故障。如果中心節(jié)點出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡將不復存在。

無線星形連接的另一個主要限制是所有節(jié)點都應該在中央節(jié)點的直接無線電覆蓋范圍內(nèi)。這限制了網(wǎng)絡的物理大小。

此外，星型網(wǎng)絡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)絡并非如此，網(wǎng)狀網(wǎng)絡通常在每兩個節(jié)點之間包含多條路由路徑，我們將在稍后討論。網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有更靈活的布局，更有可能繞過 RF 障礙物。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡：完全和部分網(wǎng)狀拓撲

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，一個節(jié)點可以直接與多個其他節(jié)點通信。

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

在全網(wǎng)狀拓撲中，每個節(jié)點都可以直接與網(wǎng)絡中的每個其他節(jié)點通信。

在圖 2 所示的部分網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，每個節(jié)點都可以直接連接到網(wǎng)絡中的一個或多個其他節(jié)點，但不一定連接到網(wǎng)絡中的每個其他節(jié)點。

圖 2. 部分網(wǎng)絡網(wǎng)格的表示。圖片由德州儀器提供

IoT 應用程序通常使用部分網(wǎng)狀拓撲來擴展網(wǎng)絡范圍，我們將在下面討論。

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，節(jié)點可以充當轉(zhuǎn)發(fā)器，通過網(wǎng)絡路由數(shù)據(jù)。因此，每兩個節(jié)點之間都有幾條不同的路徑。這種冗余提高了網(wǎng)絡彈性；如果一條路徑失敗，則可以使用另一條路徑通過網(wǎng)絡傳播數(shù)據(jù)。

由于節(jié)點能夠充當中繼器，因此不在彼此直接無線電范圍內(nèi)的節(jié)點仍然可以通過路由器節(jié)點進行通信。這是物聯(lián)網(wǎng)應用中網(wǎng)狀網(wǎng)絡的主要優(yōu)勢，因為它允許用戶將網(wǎng)絡范圍擴展到單個無線電之外。

缺點是通信的多跳特性會增加通過網(wǎng)絡傳播數(shù)據(jù)包的延遲。

躍點數(shù)以及網(wǎng)絡延遲是數(shù)據(jù)包通過的路由器數(shù)量的函數(shù)。這使得評估網(wǎng)絡性能比簡單結(jié)構(gòu)（例如上面討論的星形拓撲）更加復雜。

在這種情況下，可以使用服務質(zhì)量 （QoS） 指標：在指定持續(xù)時間（例如 300 毫秒）內(nèi)到達終目的地的傳輸數(shù)據(jù)包的比率。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡的路由節(jié)點應該實施一些路由算法以有效地將數(shù)據(jù)包傳送到目的地。為了實現(xiàn)這些路由功能，路由節(jié)點應該有更多的處理能力和內(nèi)存，這增加了這些節(jié)點的復雜性和成本。

用于星形、樹形和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的 Zigbee 協(xié)議

Zigbee 是一個開放的標準，旨在滿足低成本、低功耗無線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的需求。

Zigbee 基于 IEEE 802.15.4 鏈路層，在 2.4 GHz、900 MHz 和 868 MHz 等免許可頻段中運行。ZigBee 支持星形、樹形和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。

典型的 Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡如圖 3 所示。

圖 3。Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡的示例。圖片由SM Song WJ Yao 提供

Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的無線電扮演著不同的角色。節(jié)點可以是協(xié)調(diào)器、路由器或終端設備。協(xié)調(diào)器設置網(wǎng)絡并允許路由器和終端設備加入網(wǎng)絡。除了創(chuàng)建網(wǎng)絡之外，協(xié)調(diào)器還負責管理網(wǎng)絡的安全性。

路由器節(jié)點始終監(jiān)聽路由它們通過網(wǎng)絡接收的信息。這些節(jié)點通常由市電供電。

，終端設備是不路由信息的節(jié)點。這些設備保持睡眠模式以節(jié)省電量，并且只會短暫喚醒以輪詢其父母并接收已發(fā)送給他們的消息。

終端設備通常是電池供電的節(jié)點。

Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡可以自動配置自身（自形成）。

此外，當節(jié)點離開網(wǎng)絡或發(fā)生故障時，網(wǎng)絡可以根據(jù)節(jié)點的新組合重新配置路由路徑。這種自我修復功能提高了網(wǎng)絡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)大量關注的藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡的不同特性。