分布式嵌入式系统通信机制的应用前景分析

黄秀亮

HUANG Xiu-liang

（湖南信息职业技术学院 信息工程系，长沙 410200）

1 分布式系统

分布式系统是建立在网络之上的软件系统。因为软件的特性，因此分布式系统有着高度的内聚性以及透明性。网络和分布式系统之间的区别更多的在于高层软件，而不是硬件。内聚性是指每一个数据库分布节点高度自治，有本地的数据库管理系统。透明性是指每一个数据库分布节点对用户的应用来说都是透明的，看不出是本地还是远程。主流标准化组织对于分布式无线通信技术越来越重视。分布式无线网络根据其网络拓扑结构特点，主要可以分为无基础设施的分布式无线网络和具有基础设施的分布式无线网络。

1.1 无基础设施的分布式无线网络

无基础设施的分布式无线网络主要以Adhoc和Mesh为代表。Ad hoc是一种全分布式的无线网络，而Mesh则是Ad hoc的一种演进，它在网络结构上与Adhoc有一定区别。Adhoc的全分布式是一种物理上和逻辑上的分布式，即网络的通信和管理能力在物理上和逻辑上都是分布式的。这是通过节点间的对等关系来实现的，网络中的所有节点在能力方面都是对等的，具有通信能力，更主要的是具有转发能力。Adhoc方式一个主要特征就是节点需要通过竞争的方式共享信道。由于竞争的随机性，决定了这种方式在QoS保障以及信道利用率方面的性能目前都还不能满足宽带无线接入的要求。Mesh技术则是在Adhoc技术基础上由军用、专用向民用转换的一个产物。它与Adhoc的区别在于，节点间的对等性发生了改变，一类专用节点分离出来，专门承担路由转发以及外网连接等职责，其他作为客户端的节点功能则相对弱化。这些专用节点实际上为客户端提供了一个相对稳定的骨干网。与Adhoc相似的是专用节点之间、专用节点与客户端之间甚至客户端之间的通信仍然可以采用P2P的方式，仍然存在以竞争方式共享信道的问题。还有一种典型的无基础实施的分布式无线网络就是传感器网络。与前面两类网络不同的是，传感器网络的应用范围比较特殊，主要用于数据采集，节点具有一次性使用、低数据速率以及大规模等特点。

图1 无基础设施的分布式无线网络

1.2 具有基础设施的分布式无线网络

具有基础设施的分布式无线网络根据分布式节点间的连接方式，可以分为有线分布式和无线分布式两种。有线分布式以采用RoF的分布式天线技术为代表，如清华的DWCS、北邮的Group Cell以及东南大学DRS都属于这一类系统。这类系统的特点在于利用大量的分布式天线单元在整个系统内提供高质量的、无缝的无线电信号覆盖。一方面通过合理地选择天线单元为不同的用户提供覆盖，并获得空间分集，提高用户的通信质量。另一方面通过灵活的切换方式，为移动用户提供可靠的高质量通信链路。小区不再完全以某个地理位置为中心，而是以用户为中心，以业务为中心。这改变了传统蜂窝网络对于系统流量分布变化只能被动应对的状况。无线分布式以目前的研究热点Relay增强蜂窝系统为主要代表。与基于分布式天线技术的系统类似，Relay网络同样是利用造价相对较低的专用节点RS来改善覆盖质量，避免增加基站而产生的费用。区别在于对于控制中心而言，RS是一个特殊的MS。BS可以与MS直接通信，也可以通过RS转发的方式通信。在无线资源调度方面，RS需要服从BS或上一跳RS的控制，同时RS也可以具备二次调度的能力。

图2 有基础设施的分布式无线网络

1.3 分布式无线通信技术的应用

目前分布式无线通信技术主要的应用集中在Mesh、Relay以及家庭小区等几个方面：首先是Mesh技术。由于Mesh技术蕴涵巨大的潜力，新出现的很多无线网络协议都开始支持mesh组网，包括代表城域网的802.16、代表局域网的802.11s以及代表个域网的802.15.5等，其中802.11s得到了广泛的关注。其目标是通过Mesh机制的引入，打破传统WLAN AP布设必须要有线Backhaul支撑的限制，同时实现终端之间真正意义上的Ad hoc通信。通过对802.11e EDCA接入控制机制的改进，实现对多业务类型的QoS保障。利用合理的拥塞控制机制，有效地实现负载均衡。该标准目前仍在讨论中，还有部分技术难题有待解决。其次是Relay。Relay这一改善网络覆盖性能的有效手段，在802.16j中得到了充分的应用[7]。802.16j在保持对802.16e PMP模式兼容的基础上加入了多跳中继的功能，继承了802.16e在QoS保障方面的优点，并针对多跳连接模式，进行了改进和增强，支持多种场景的终端切换以及RS切换。由于多跳机制的引入，增加了MAC的路径管理及路由功能。针对中继节点引入而产生的干扰管理的问题，增强了RS节点在干扰测量方面的功能。相关标准化工作于2005年启动，目前还在制定中，主要的电信厂商以及大部分的运营商都参加了标准的制定工作。

2 嵌入式系统

随着嵌入式系统的发展，人们对嵌入式系统的性能提出了越来越高的要求。许多嵌入式系统已经从单处理机体系结构转向分布式多处理器的体系结构。在嵌入式领域中许多嵌入式应用设备，为了提高性能，在多处理器体系装备有更多的具有自治能力的处理器节点，每个节点都有属于自己的CPU、内存和输入输出设备，每个节点上都运行自已的嵌入式内核。这些节点上的应用设备紧密相联，互相协调，由下层嵌入式操作系统提供分布式处理功能，形成具有分布式体系结构的嵌人式系统。

2.1 硬件体系结构

系统采用两个CPU构成，一个主CPU，一个从CPU，可扩展为多个从CPU，如图1所示。主CPu端没有网络接口，从CPU端包括两个网络接口卡，一个LAN口，一个WAN口，相应备有两个MAC地址。主CPU是系统的控制核心，负责控制和配置功能，及部分复杂的数据报转发；从CPU主要负责数据报转发。在主CPU上运Montavista Linux内。核01，而从CPU运行一个基于自行开发的简单任务构成的嵌入式实时微内核。CUP之间采用PCI总线相接。

2.2 软件体系结构

由于各处理器节点之间不存在共享内存．因此分布式通信机制的设计使用消息传递的方法。采用分布式操作系统的模型，对运行在从CPU上的微内核和主CPU上的Montavista Linux内核进行扩展，提供分布式消息通信机制。

2.3 Ics模块

分布式消息通信机制架构于各节点内核之上，用于实现分布式消息通信机制的模块称为Ics模块。ICS模块的设计目标是针对具有分布式体系结构的嵌入式多功能网关实现适合于网络报文处理高效、透明的消息通信。多功能网关系统，具有分布式的体系结构，主要面向IP应用，需要处理各种网络报文。由于在硬件设计上，只有从CPU上具有网络接口，因此需要ICS通信模块提供的主要功能包括：1）主CPU上的应用程序可以透明的正常使用网络。2）主CPU上的应用程序可以通过ICS进行交互。3）主CPU上的应用程序可以和从CPU上的任务进行通信。4）从CPU上的应用程序可以通过ICS进行通信。

图3 DRS系统的三总线结构

3 结束语

随着计算机技术#微电子技术和网络技术的不断发展，人类社会正逐步进入后PC时代，分布式以及嵌入式系统也在向更深的方向发展，而且以其越来越先进的技术和越来越广阔的应用领域，必将成为后PC时代的擎天柱，可以相信，未来的电子技术就是分布式嵌入式系统技术的天下。21世纪初，以信息家电为代表的嵌入式系统，其应用广泛、领域特色突出、发展空间巨大，加之互联网技术在世界范围的扩展和中国通信事业的高速发展，相信嵌入式系统在我国将有美好的发展前景。

[1]WU JIE.高传善.译.分布式系统设计[M].北京：机械工业出版社.2009.

[2]李善平,刘文峰,王焕龙.Linux与嵌人式系统[M].北京：清华大学出版社,2003.

[3]ANDREW S TANENBAUM.陈向群,译.现代操作系统EM3.北京：机械工业出版社,2009.