分布式嵌入式系統通信機制的應用前景分析

黃秀亮

HUANG Xiu-liang

（湖南信息職業技術學院 信息工程系，長沙 410200）

1 分布式系統

分布式系統是建立在網絡之上的軟件系統。因為軟件的特性，因此分布式系統有著高度的內聚性以及透明性。網絡和分布式系統之間的區別更多的在于高層軟件，而不是硬件。內聚性是指每一個數據庫分布節點高度自治，有本地的數據庫管理系統。透明性是指每一個數據庫分布節點對用戶的應用來說都是透明的，看不出是本地還是遠程。主流標準化組織對于分布式無線通信技術越來越重視。分布式無線網絡根據其網絡拓撲結構特點，主要可以分為無基礎設施的分布式無線網絡和具有基礎設施的分布式無線網絡。

1.1 無基礎設施的分布式無線網絡

無基礎設施的分布式無線網絡主要以Adhoc和Mesh為代表。Ad hoc是一種全分布式的無線網絡，而Mesh則是Ad hoc的一種演進，它在網絡結構上與Adhoc有一定區別。Adhoc的全分布式是一種物理上和邏輯上的分布式，即網絡的通信和管理能力在物理上和邏輯上都是分布式的。這是通過節點間的對等關系來實現的，網絡中的所有節點在能力方面都是對等的，具有通信能力，更主要的是具有轉發能力。Adhoc方式一個主要特征就是節點需要通過競爭的方式共享信道。由于競爭的隨機性，決定了這種方式在QoS保障以及信道利用率方面的性能目前都還不能滿足寬帶無線接入的要求。Mesh技術則是在Adhoc技術基礎上由軍用、專用向民用轉換的一個產物。它與Adhoc的區別在于，節點間的對等性發生了改變，一類專用節點分離出來，專門承擔路由轉發以及外網連接等職責，其他作為客戶端的節點功能則相對弱化。這些專用節點實際上為客戶端提供了一個相對穩定的骨干網。與Adhoc相似的是專用節點之間、專用節點與客戶端之間甚至客戶端之間的通信仍然可以采用P2P的方式，仍然存在以競爭方式共享信道的問題。還有一種典型的無基礎實施的分布式無線網絡就是傳感器網絡。與前面兩類網絡不同的是，傳感器網絡的應用范圍比較特殊，主要用于數據采集，節點具有一次性使用、低數據速率以及大規模等特點。

圖1 無基礎設施的分布式無線網絡

1.2 具有基礎設施的分布式無線網絡

具有基礎設施的分布式無線網絡根據分布式節點間的連接方式，可以分為有線分布式和無線分布式兩種。有線分布式以采用RoF的分布式天線技術為代表，如清華的DWCS、北郵的Group Cell以及東南大學DRS都屬于這一類系統。這類系統的特點在于利用大量的分布式天線單元在整個系統內提供高質量的、無縫的無線電信號覆蓋。一方面通過合理地選擇天線單元為不同的用戶提供覆蓋，并獲得空間分集，提高用戶的通信質量。另一方面通過靈活的切換方式，為移動用戶提供可靠的高質量通信鏈路。小區不再完全以某個地理位置為中心，而是以用戶為中心，以業務為中心。這改變了傳統蜂窩網絡對于系統流量分布變化只能被動應對的狀況。無線分布式以目前的研究熱點Relay增強蜂窩系統為主要代表。與基于分布式天線技術的系統類似，Relay網絡同樣是利用造價相對較低的專用節點RS來改善覆蓋質量，避免增加基站而產生的費用。區別在于對于控制中心而言，RS是一個特殊的MS。BS可以與MS直接通信，也可以通過RS轉發的方式通信。在無線資源調度方面，RS需要服從BS或上一跳RS的控制，同時RS也可以具備二次調度的能力。

圖2 有基礎設施的分布式無線網絡

1.3 分布式無線通信技術的應用

目前分布式無線通信技術主要的應用集中在Mesh、Relay以及家庭小區等幾個方面：首先是Mesh技術。由于Mesh技術蘊涵巨大的潛力，新出現的很多無線網絡協議都開始支持mesh組網，包括代表城域網的802.16、代表局域網的802.11s以及代表個域網的802.15.5等，其中802.11s得到了廣泛的關注。其目標是通過Mesh機制的引入，打破傳統WLAN AP布設必須要有線Backhaul支撐的限制，同時實現終端之間真正意義上的Ad hoc通信。通過對802.11e EDCA接入控制機制的改進，實現對多業務類型的QoS保障。利用合理的擁塞控制機制，有效地實現負載均衡。該標準目前仍在討論中，還有部分技術難題有待解決。其次是Relay。Relay這一改善網絡覆蓋性能的有效手段，在802.16j中得到了充分的應用[7]。802.16j在保持對802.16e PMP模式兼容的基礎上加入了多跳中繼的功能，繼承了802.16e在QoS保障方面的優點，并針對多跳連接模式，進行了改進和增強，支持多種場景的終端切換以及RS切換。由于多跳機制的引入，增加了MAC的路徑管理及路由功能。針對中繼節點引入而產生的干擾管理的問題，增強了RS節點在干擾測量方面的功能。相關標準化工作于2005年啟動，目前還在制定中，主要的電信廠商以及大部分的運營商都參加了標準的制定工作。

2 嵌入式系統

隨著嵌入式系統的發展，人們對嵌入式系統的性能提出了越來越高的要求。許多嵌入式系統已經從單處理機體系結構轉向分布式多處理器的體系結構。在嵌入式領域中許多嵌入式應用設備，為了提高性能，在多處理器體系裝備有更多的具有自治能力的處理器節點，每個節點都有屬于自己的CPU、內存和輸入輸出設備，每個節點上都運行自已的嵌入式內核。這些節點上的應用設備緊密相聯，互相協調，由下層嵌入式操作系統提供分布式處理功能，形成具有分布式體系結構的嵌人式系統。

2.1 硬件體系結構

系統采用兩個CPU構成，一個主CPU，一個從CPU，可擴展為多個從CPU，如圖1所示。主CPu端沒有網絡接口，從CPU端包括兩個網絡接口卡，一個LAN口，一個WAN口，相應備有兩個MAC地址。主CPU是系統的控制核心，負責控制和配置功能，及部分復雜的數據報轉發；從CPU主要負責數據報轉發。在主CPU上運Montavista Linux內。核01，而從CPU運行一個基于自行開發的簡單任務構成的嵌入式實時微內核。CUP之間采用PCI總線相接。

2.2 軟件體系結構

由于各處理器節點之間不存在共享內存．因此分布式通信機制的設計使用消息傳遞的方法。采用分布式操作系統的模型，對運行在從CPU上的微內核和主CPU上的Montavista Linux內核進行擴展，提供分布式消息通信機制。

2.3 Ics模塊

分布式消息通信機制架構于各節點內核之上，用于實現分布式消息通信機制的模塊稱為Ics模塊。ICS模塊的設計目標是針對具有分布式體系結構的嵌入式多功能網關實現適合于網絡報文處理高效、透明的消息通信。多功能網關系統，具有分布式的體系結構，主要面向IP應用，需要處理各種網絡報文。由于在硬件設計上，只有從CPU上具有網絡接口，因此需要ICS通信模塊提供的主要功能包括：1）主CPU上的應用程序可以透明的正常使用網絡。2）主CPU上的應用程序可以通過ICS進行交互。3）主CPU上的應用程序可以和從CPU上的任務進行通信。4）從CPU上的應用程序可以通過ICS進行通信。

圖3 DRS系統的三總線結構

3 結束語

隨著計算機技術#微電子技術和網絡技術的不斷發展，人類社會正逐步進入后PC時代，分布式以及嵌入式系統也在向更深的方向發展，而且以其越來越先進的技術和越來越廣闊的應用領域，必將成為后PC時代的擎天柱，可以相信，未來的電子技術就是分布式嵌入式系統技術的天下。21世紀初，以信息家電為代表的嵌入式系統，其應用廣泛、領域特色突出、發展空間巨大，加之互聯網技術在世界范圍的擴展和中國通信事業的高速發展，相信嵌入式系統在我國將有美好的發展前景。

[1]WU JIE.高傳善.譯.分布式系統設計[M].北京：機械工業出版社.2009.

[2]李善平,劉文峰,王煥龍.Linux與嵌人式系統[M].北京：清華大學出版社,2003.

[3]ANDREW S TANENBAUM.陳向群,譯.現代操作系統EM3.北京：機械工業出版社,2009.