為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正確選擇無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用

　　無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)得到了越來越廣泛的采用，因?yàn)檫@類網(wǎng)絡(luò)能夠利用功率相對低的無線電設(shè)備在節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)信息，并覆蓋很大的區(qū)域，還能夠使用替代的通路和途徑以克服干擾問題，保持很高的可靠性。尤其是有一種稱為時(shí)間同步通道跳頻 (TSCH) 的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)由凌力爾特的 Dust Networks 率先提出，并已納入 WirelessHART 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。TSCH 經(jīng)過實(shí)用驗(yàn)證，可提供工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需性能。TSCH 網(wǎng)絡(luò)一般提供 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性，而且所有無線節(jié)點(diǎn) (甚至路由節(jié)點(diǎn)) 的小型鋰電池之壽命都長達(dá)多年。相比之下，其他各種網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)盡管采用的技術(shù)聽起來類似 (例如，“頻率捷變”相對于“通道跳頻”，“休眠”相對于“時(shí)間同步” 網(wǎng)格)，但是所提供的性能卻顯著不同。因此，這些無線網(wǎng)絡(luò)的不同細(xì)節(jié)決定了，協(xié)議選擇對 WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))的性能以及網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)用的總體適用性有極大影響。

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

　　無線從本質(zhì)上而言是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的來源，以考慮怎樣在通信系統(tǒng)中應(yīng)對這問題。有線通信中，通信信號受到電纜屏蔽，不與外界接觸。與此不同，RF 信號露天傳播，與周圍環(huán)境相互影響。因此其他 RF 信號傳輸源有可能對有用 RF 信號造成有效干擾。

　　不過，更為常見的問題是多徑衰落的影響，所謂多徑衰落，即 RF 信號可能因其自身從周圍表面反射回來且反射信號之間相位不同而被衰減 (圖 1)。手機(jī)用戶每天都會遇到多徑衰落問題，當(dāng)在某一點(diǎn)手機(jī)信號強(qiáng)度似乎很弱時(shí)，可能只需移動幾厘米，信號強(qiáng)度就能改善。多徑衰落的影響隨時(shí)間而變，因?yàn)楦浇姆瓷浔砻?(例如人、車、門等) 一般會移動。最終結(jié)果是，隨著時(shí)間推移，任一 RF 通道的信號質(zhì)量都會發(fā)生很大變化。

　　使這種挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻的是，多徑衰落是不可預(yù)測的。按照定義，網(wǎng)絡(luò)必須在通道性能受到多經(jīng)衰落影響 (因此也要估算這種影響) 的通道上有效傳送數(shù)據(jù)。因此，盡管運(yùn)用簡單的無源信號強(qiáng)度測量方法 (RSSI) 測量未用通道的概念可能有助于檢測有源干擾信號，但是用這種方法卻不可能預(yù)測多徑衰落情況下的通道適用性。

　　幸運(yùn)的是，既然多徑衰落對每個(gè) RF 通道的影響都不同，而且隨時(shí)間推移不斷變化，那么采用通道跳頻實(shí)現(xiàn)頻率多樣性，就可以最大限度減小多徑衰落的負(fù)面影響。WSN 協(xié)議面臨的挑戰(zhàn)是，能否在大型多跳網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)用通道跳頻技術(shù)。

　　2 在WSN中的常見采用方法

　　為了解在受到這些限制的情況下，WSN 性能有何不同，我們先要看一看，在一些無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，為實(shí)現(xiàn)頻率多樣性并降低功耗，常常采用哪些方法。

　　(1)單通道 WSN 和通道捷變 在一些簡單的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，一種常見方法是讓所有節(jié)點(diǎn)都在單一通道上工作。既然僅用一個(gè) RF 通道，那么按照定義，一次只能有一個(gè)設(shè)備發(fā)送信號。由于相對易于實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開發(fā)人員依然常常選擇單通道工作方式，而以這種方式提供的 WSN 幾乎沒有頻率多樣性。

　　為了應(yīng)對通道中存在的有源 RF 干擾問題，有些單通道 WSN 采用了所謂的通道捷變機(jī)制。采用這種機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)可以向所有節(jié)點(diǎn)廣播信息，以改變工作通道。不過，即使在通道捷變網(wǎng)絡(luò)中，在任一時(shí)間點(diǎn)上，網(wǎng)絡(luò)仍然在單一通道上工作。采用通道捷變方法的前提是，假定存在一個(gè)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都足夠好的通道。然而，真實(shí)數(shù)據(jù)顯示，在多徑衰落的影響下，任何 RF 通道在網(wǎng)絡(luò)壽命期內(nèi)，都會經(jīng)歷嚴(yán)重的路徑劣化問題，這會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在幾分鐘甚至幾小時(shí)內(nèi)無法工作。盡管采用通道捷變方法的網(wǎng)絡(luò)可以改變通道，避開某個(gè)有源干擾信號，但是既然該網(wǎng)絡(luò)仍然在單一通道上工作，那么就仍然易于受到多徑衰落的災(zāi)難性影響。

　　(2) 全網(wǎng)絡(luò)休眠動態(tài)占空比 (Duty Cycling by Network Wide Sleeping) 為了以低功率運(yùn)行，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行某種形式的占空比調(diào)節(jié)，以最大限度減少有效運(yùn)行 (例如發(fā)送、接收等，這時(shí)通常消耗數(shù) mA 功率) 時(shí)間所占百分比，同時(shí)最大限度增大低功耗休眠模式 (一般吸取 1mA 或更小的電流) 在時(shí)間上所占百分比。有些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用了全網(wǎng)絡(luò)休眠方法 (有時(shí)稱為“休眠型”網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò))，采用這種方法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)會在較長時(shí)間內(nèi)同時(shí)處于低功耗休眠狀態(tài)，并幾乎在開始發(fā)送 / 接收 / 轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)流量的同時(shí)喚醒。采用這種休眠方法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)在待用期間完全不能用于通信。例如，如果一個(gè) WSN 在 1 小時(shí)喚醒一次，那么在這 1 小時(shí)中，該網(wǎng)絡(luò)不能發(fā)送報(bào)警信息，也不能接收來自控制器的信息，因此無法打開所附的報(bào)警指示器。還有一點(diǎn)也很重要，即需要考慮全網(wǎng)絡(luò)休眠方法對 WSN 應(yīng)對真實(shí)運(yùn)行情況的能力有哪些影響。在較長的休眠期內(nèi)，周圍 RF 環(huán)境仍然是動態(tài)變化的。在網(wǎng)絡(luò)休眠時(shí)，任何信號通路出現(xiàn)不穩(wěn)定，都只能等網(wǎng)絡(luò)喚醒以后才能修復(fù)。更加麻煩的是，休眠型網(wǎng)絡(luò)往往是單通道網(wǎng)絡(luò)，這在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間進(jìn)一步給網(wǎng)絡(luò)增加了壓力，同時(shí)增加了通信不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

　　采用全網(wǎng)絡(luò)休眠方法的另一個(gè)反響是，用戶被迫接受低于應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)速率 (因此也就少于應(yīng)用所要求的數(shù)據(jù))。這種折中令人遺憾，因?yàn)?WSN 的主要用途是可靠傳送數(shù)據(jù)，并通過這些數(shù)據(jù)更深入地洞察用戶系統(tǒng)，確定是否存在不良運(yùn)行趨勢和效率低的問題，例如是否因發(fā)動機(jī)老化而出現(xiàn)了性能劣化，或者零售店中的冷藏設(shè)備是否因太過陳舊而周期性地增大了功耗。如果由于網(wǎng)絡(luò)限制而使 WSN 提供的數(shù)據(jù)過于稀疏，那么 WSN 的實(shí)用性和洞察能力就變得有限了，而且就監(jiān)視 / 控制系統(tǒng)這一總體價(jià)值主張而言，也有實(shí)現(xiàn)效果大打折扣的風(fēng)險(xiǎn)。

　　3 時(shí)間同步通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

　　時(shí)間同步通道跳頻 (TSCH) 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)跨整個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)間同步，嚴(yán)密協(xié)調(diào)通信及頻道使用。在 TSCH 網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都采用共同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度在數(shù) 10 微妙以內(nèi)。相鄰節(jié)點(diǎn)之間交換時(shí)間偏移信息，以保持時(shí)間同步。網(wǎng)絡(luò)通信被安排到多個(gè)時(shí)隙中，在這些時(shí)隙中，每個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送 / 接收都排定了時(shí)間。也就是說，每個(gè)時(shí)隙都足夠長 (例如 7.5ms)，以供發(fā)送節(jié)點(diǎn)喚醒、發(fā)送數(shù)據(jù)包并接收來自接收節(jié)點(diǎn)的鏈路層確認(rèn)信號。TSCH 網(wǎng)絡(luò)的流量傳送可以動態(tài)地安排，這就實(shí)現(xiàn)了成對通道跳頻、完整路徑和頻率多樣性，也實(shí)現(xiàn)了低功耗數(shù)據(jù)包和高可用性占空比。