用無(wú)線傳感器組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　摘要：物聯(lián)網(wǎng)的愿景之一是能夠測(cè)量以前從未測(cè)量過(guò)的變量。無(wú)論應(yīng)用是監(jiān)視基礎(chǔ)設(shè)施老化 (例如橋梁、隧道或電力傳輸線的老化)，還是實(shí)時(shí)提供停車(chē)及交通信息，都需要無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 提供與有線網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似的性能，而且適合實(shí)際部署。傳感器網(wǎng)絡(luò)要能夠擴(kuò)展至包含大量無(wú)線節(jié)點(diǎn)，而且在很多情況下，需要跨越很長(zhǎng)的距離。

　　促進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛采用的關(guān)鍵因素

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要想得到廣泛采用，必須適合實(shí)際部署，并能夠可靠地運(yùn)行很多年(通常超過(guò)10年)。為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須滿足一些關(guān)鍵要求：

　　● 在任何地方都能夠放置傳感器 ─測(cè)量點(diǎn)必須置于最適合檢測(cè)的地方，但這種地方未必最適合通信。因此，放置傳感器節(jié)點(diǎn)的地方常常未必便于通信連接或便于連接電力基礎(chǔ)設(shè)施，而是常常處于富挑戰(zhàn)性的RF環(huán)境中(例如，靠近大地、在隧道中、在汽車(chē)底下或深入機(jī)器內(nèi)部)。

　　● 很少需要維護(hù)─無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠在絕大部分情況下進(jìn)行自我維護(hù)，而且任何物理維護(hù)(例如更換電池)都必須在無(wú)需“上門(mén)服務(wù)” 或沒(méi)有技術(shù)人員到場(chǎng)的情況下完成。例如，在智能停車(chē)應(yīng)用中，嵌入到街道下面的電池供電傳感器僅在滿足如下條件時(shí)才允許使用：其更換周期與道路定期維修周期相同，而道路定期維修通常為5至7年才進(jìn)行一次。在其他應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要能夠連續(xù)使用10年以上。

　　● 通信可靠性─必須能夠可靠地與所有傳感器通信，盡管這些傳感器可能位于非常嚴(yán)苛的RF環(huán)境中。

　　● 可擴(kuò)展性─無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須滿足各種類(lèi)似但又不完全相同的部署要求，例如適合各種網(wǎng)絡(luò)規(guī)模(無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量及覆蓋的地域范圍)、深度(即節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)出口點(diǎn)之間的無(wú)線跳轉(zhuǎn)次數(shù))及大小不同的數(shù)據(jù)流量等。

　　在不可預(yù)測(cè)的介質(zhì)上建立可預(yù)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)

　　如果不做出折中，低功率難以實(shí)現(xiàn)─有很多無(wú)線傳感器聯(lián)網(wǎng)方法是針對(duì)低功耗運(yùn)行情況而設(shè)計(jì)的。有些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(例如 ZigBee)僅在網(wǎng)絡(luò)邊緣處的檢測(cè)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)低功率，但任何傳送節(jié)點(diǎn)都需要線路功率。其他一些網(wǎng)絡(luò)則引入了基本的占空比方法，稱(chēng)為“信標(biāo)”，采用這種方法時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在很長(zhǎng)的時(shí)段內(nèi)停機(jī)，處于低功率休眠模式，但是這種方法犧牲了網(wǎng)絡(luò)可用性和網(wǎng)絡(luò)總體容量。然而，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠滿足規(guī)模非常大的網(wǎng)絡(luò)需求，并按照均勻的時(shí)間間隔發(fā)布數(shù)據(jù)。因此挑戰(zhàn)是，在不犧牲可靠性或網(wǎng)絡(luò)可用性的前提下實(shí)現(xiàn)低功率。

　　RF環(huán)境是不可預(yù)測(cè)─RF是一種不可預(yù)測(cè)的通信介質(zhì)。在有線通信環(huán)境中，通信信號(hào)通過(guò)電纜系統(tǒng)屏蔽，與外界隔離，與此不同，RF露天傳播，需要與周?chē)h(huán)境互動(dòng)。但是RF傳輸源有可能引起有源干擾。較常見(jiàn)的是多徑衰落的影響，即RF信號(hào)遇到周?chē)砻婧?，反射回?lái)的異相信號(hào)可能衰減 RF信號(hào)本身。手機(jī)用戶(hù)每天都會(huì)遭遇多徑衰落問(wèn)題，例如手機(jī)可能在一個(gè)地點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度不佳，但是只需移動(dòng)幾厘米，信號(hào)強(qiáng)度就可得到改善。此外，多徑衰落影響隨時(shí)間變化而改變，因?yàn)楦浇姆瓷浔砻?(例如人、車(chē)、門(mén)等) 一般會(huì)移動(dòng)。最終結(jié)果是，隨著時(shí)間變化，任何RF通道都會(huì)遭遇信號(hào)質(zhì)量顯著變化的問(wèn)題。不過(guò)，既然多徑衰落對(duì)每個(gè)RF通道的影響是不同的，那么用通道跳頻實(shí)現(xiàn)頻率多樣性，可以最大限度地減小多徑衰落的負(fù)面影響。因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)就變成，能否在大型網(wǎng)絡(luò)上采用可多次跳轉(zhuǎn)的跳頻方法。

　　時(shí)間同步通道跳頻網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

　　采用凌力爾特公司的Dust Networks產(chǎn)品部率先開(kāi)發(fā)的時(shí)間同步通道跳頻(Time Synchronized Channel Hopping，簡(jiǎn)稱(chēng) TSCH)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)可靠的低功率無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且這種網(wǎng)絡(luò)在某些最嚴(yán)苛的環(huán)境中已經(jīng)得到證實(shí)。TSCH已經(jīng)成為 WirelessHART(IEC62591)等現(xiàn)有工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件，也是實(shí)現(xiàn)新興和基于IP協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的有利部份。

　　在TSCH網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)共同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確度在幾十微妙內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)通信安排在各個(gè)時(shí)隙中，以實(shí)現(xiàn)低功率數(shù)據(jù)包交換、配對(duì)的通道跳頻和全面的路徑多樣性。