無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點分析與分層設(shè)計方法

自組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在周期性采樣、事件驅(qū)動和“存儲與轉(zhuǎn)發(fā)”中得到很多應(yīng)用，為了滿足這些應(yīng)用對功耗、傳輸距離及數(shù)據(jù)率的要求，工程師必須對相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和功耗等性能特點全面深入了解。本文介紹了支持這種標(biāo)準(zhǔn)的三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，并說明了在進行協(xié)議堆棧各層設(shè)計及不同應(yīng)用時的注意事項。 

　　自組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)、醫(yī)療、消費及軍事中有直接的應(yīng)用，為實現(xiàn)這些應(yīng)用對功耗、傳輸距離和數(shù)據(jù)率的要求，業(yè)界提出了一種無線新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)-IEEE802.15.4。該技術(shù)的功耗和數(shù)據(jù)率均低于藍牙技術(shù)，在具體實現(xiàn)時將面臨一些困難，例如電池的使用和設(shè)備大小等。此外，這種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在包括延時、節(jié)點搜尋時間、傳輸路徑查找以及消息確認(rèn)等方面還存在挑戰(zhàn)。為了正確運用這種技術(shù)，我們有必要全面了解它的物理及數(shù)據(jù)鏈路層參數(shù)。 

　　與存在很多不同規(guī)格的藍牙設(shè)備不同，自組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常只有三種應(yīng)用，即周期性采樣、事件驅(qū)動和“存儲與轉(zhuǎn)發(fā)”。實現(xiàn)該技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也有三種：星狀網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)及混合網(wǎng)(星狀網(wǎng)+網(wǎng)狀網(wǎng))。每種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都有自身的優(yōu)點和缺點，用戶必須充分了解這些網(wǎng)絡(luò)特點以滿足不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用要求。 

　　微電機系統(tǒng)、低功耗無線電路和數(shù)字電路設(shè)計的飛速發(fā)展在很大程度上促成了這種低功耗自組網(wǎng)的產(chǎn)生和應(yīng)用。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗可降低到毫安級以下，因此傳感器節(jié)點可使用一顆3V直流紐扣式電池來供電，根據(jù)不同的采樣率，其工作時間可以達五年或以上。采用紐扣式電池的此類傳感器節(jié)點外型小巧，便于攜帶且易于設(shè)計到小型設(shè)備中。這些低功耗、低數(shù)據(jù)率的應(yīng)用包括工廠中各種精密數(shù)字輔助測量儀器，如水表和煤氣抄表、供應(yīng)鏈出貨量監(jiān)測和個人標(biāo)記佩戴報告等。這些應(yīng)用有三個共同要求：外型小、電池壽命長以及具有魯棒特性，滿足這些要求的前提條件是選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 

　　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) 

　　基本的星狀網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)是一個單跳(single-hop)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中所有無線傳感器節(jié)點都與基站和網(wǎng)關(guān)進行雙向通信?；究梢允且慌_PC、PDA、專用控制設(shè)備、嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，或其它與高數(shù)據(jù)率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點基本相同。除了向各節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)和命令外，基站還與因特網(wǎng)等更高層系統(tǒng)之間傳輸數(shù)據(jù)。各節(jié)點將基站作為一個中間點，相互之間并不傳輸數(shù)據(jù)或命令。在各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，星狀網(wǎng)整體功耗最低，但節(jié)點與基站間的傳輸距離有限，通常ISM頻段的傳輸距離為10-30米。 

　　網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)是多跳(hop，即一次中繼)系統(tǒng)，其中所有無線傳感器節(jié)點都相同，而且直接互相通信，與基站進行數(shù)據(jù)傳輸和相互傳輸命令。網(wǎng)狀網(wǎng)的每個傳感器節(jié)點都有多條路徑到達網(wǎng)關(guān)或其它節(jié)點，因此它的容故障能力較強。這種多跳系統(tǒng)比星狀網(wǎng)的傳輸距離遠得多，但功耗也更大，因為節(jié)點必須一直“監(jiān)聽”網(wǎng)絡(luò)中某些路徑上的信息和變化。 

　　混合網(wǎng)力求兼具星狀網(wǎng)的簡潔和低功耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)的長傳輸距離和自愈性等優(yōu)點。在混合網(wǎng)中，路由器和中繼器組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而傳感器節(jié)點則在它們周圍呈星狀分布。中繼器擴展了網(wǎng)絡(luò)傳輸距離，同時提供了容故障能力。由于無線傳感器節(jié)點可與多個路由器或中繼器通信，當(dāng)某個中繼器發(fā)生故障或某條無線鏈路出現(xiàn)干擾時，網(wǎng)絡(luò)可在其它路由器周圍進行自組。 

　　形狀因素 

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的典型配置包括兩個主要組成部分：RF收發(fā)器(模擬器件，工作頻率為300MHz-2.4GHz ISM高頻頻段)和MCU(數(shù)字器件，通常工作在kHz-MHz的低頻頻段)。RF收發(fā)器通常帶有各種外部元件，如電感、電容或聲表面波濾波器。由于這些外部元件體積龐大而且成本較高，因此RF電路很難滿足尺寸和成本要求。隨著CMOS工藝迅速進步，目前市面上出現(xiàn)了一些小型的低成本高集成度RF收發(fā)器。 

　　與此同時，現(xiàn)成的工業(yè)微控制器的性能和集成度也迅速提高。MCU集成了越來越多的外圍電路，成本卻沒有增加太多。例如，一些微控制器帶有內(nèi)建的電壓監(jiān)測/調(diào)節(jié)器，而此前這些都是MCU的外部元件。一些微控制器甚至還包括了片上低功耗實時時鐘和硬件加密模塊，減少了數(shù)字電路的尺寸和成本。 

　　這些“組合”芯片的出現(xiàn)令人鼓舞，目前多家公司正在推出集成了RF收發(fā)器和MCU的單芯片產(chǎn)品。由于RF和數(shù)字電路之間存在串?dāng)_和噪音問題，以前很難實現(xiàn)兩者集成，隨著CMOS RF技術(shù)不斷改進，現(xiàn)在可設(shè)計出RF-數(shù)字集成芯片，進一步減少了產(chǎn)品尺寸和成本。 

　　降低系統(tǒng)功耗 

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要優(yōu)勢是擺脫了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連線限制和成本問題。但是，如果沒有合適的無線電源，這一優(yōu)勢就無法體現(xiàn)出來，因此電源效率是設(shè)計考慮的關(guān)鍵因素，因為如果必須時常更換電池(例如每周或每月)，那么相關(guān)的勞動力成本便會遠遠超過它相對有線網(wǎng)絡(luò)節(jié)省的成本。因此，電池必須具有較長的壽命(通常5-10年)。此外，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的理念是“隨時隨地?zé)o線”，減小節(jié)點尺寸也是必須考慮的設(shè)計要素，對傳感器節(jié)點來說，很多時候即使采用AA電池也會超出體積要求，因此只能選擇紐扣式電池供電。 

　　在完全工作狀態(tài)下，RF元件通常占70%的總功耗，接收比發(fā)送的功耗更大。RF元件在開關(guān)或從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)時也會產(chǎn)生大量功耗。因此，進行功率預(yù)算設(shè)計時必須全面考慮到這些情況。 

　　RF電路的功耗與調(diào)制方式有極大關(guān)系。藍牙等寬帶RF芯片比窄帶無線芯片的基帶處理更為復(fù)雜，因此功耗更大。盡管寬帶無線產(chǎn)品的抗干擾能力更強，但對于很多傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用來說窄帶無線技術(shù)更實用且功耗更低。目前多家公司提供的RF芯片解決方案可實現(xiàn)高達1Mbps的數(shù)據(jù)率，接收模式(Rx)的靈敏度低于85dBm，電壓為3Vdc時電流不到10mA。當(dāng)前一些新開發(fā)的RF芯片的工作頻率為2.4GHz，電流為15mA?？紤]到2.4GHz頻段在全球管制及覆蓋率方面的優(yōu)勢，這些RF芯片非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 

　　另外，業(yè)界在微控制器的功耗控制方面也取得極大的進展。此前8位微控制器的典型功耗為4mA/Mips，而現(xiàn)在采用先進的芯片制造工藝和新型微控制器結(jié)構(gòu)后，一些新器件的功耗已降低到0.5mA/Mips，這樣有助于降低無線節(jié)點的整體功耗。 

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 

　　符合開放式系統(tǒng)互連模式的自組無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型協(xié)議堆棧。一般說來，如果參考模型中的各層接口一致定義后，每一層可獨立設(shè)計。但是，為了建立一個可靠并具有嚴(yán)格功耗預(yù)算的自組傳感器網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議堆棧中的所有層都應(yīng)滿足同樣的系統(tǒng)級要求，例如功耗約束、帶寬效率、適應(yīng)性及魯棒性要求。為使解決方案切實可行，所有層都必須進行設(shè)計折衷，同時要考慮信道傳輸能力和設(shè)備處理速度等自身的局限性以及RF鏈路質(zhì)量的變化。 

　　物理層設(shè)計 

　　從無線信號路徑損耗模型中我們可以看出，輸出功率隨著無線覆蓋范圍增加呈指數(shù)級增長。在自由空間中這一指數(shù)為2，在又各種阻擋的雜亂環(huán)境中為4。在相同端對端距離情況下，如果每個鏈路采用有限的傳輸功率，采用多鏈路傳輸所產(chǎn)生的功耗比直接在一個長鏈路中傳輸信息的功耗更低。為了延長電池的壽命，傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該采用收發(fā)功耗極低的無線設(shè)備，同時在需要長距離傳輸時使用多跳方式。蜂窩電話、IEEE802.11及藍牙等流行的無線設(shè)備的典型電流值為30mA以上，因此不適用于這種應(yīng)用場合。 

　　如前所述，采用先進CMOS工藝技術(shù)生產(chǎn)的低功耗芯片現(xiàn)已上市，它們可實現(xiàn)100英尺的直線傳輸距離，在3Vdc工作電壓條件下電流為10mA。當(dāng)這些無線設(shè)備占空比(duty cycle)低于0.1%時，220mA-hr的紐扣式電池在一般得環(huán)境中可持續(xù)工作兩年以上。 

　　但是，在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，這還取決于信道共享和數(shù)據(jù)路由情況，降低單個節(jié)點的占空比會直接影響網(wǎng)絡(luò)性能。因此，在設(shè)計協(xié)議堆棧的高層時必須注意這點，以便支持占空比極低的物理層實現(xiàn)。 

　　數(shù)據(jù)鏈路層 

　　協(xié)議堆棧中的數(shù)據(jù)鏈路層通常提供兩個主要服務(wù)：媒體訪問控制(MAC)和錯誤控制。在多種MAC方式中，載波監(jiān)聽多點接入(CSMA)在自組傳感器網(wǎng)絡(luò)中最為常用。這主要是因為它易于實現(xiàn)，但更重要的是它可提高大型網(wǎng)絡(luò)的信道復(fù)用率。 

　　使用CSMA方式時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在開始傳輸數(shù)據(jù)包之前要監(jiān)聽通信信道并檢測它是否空閑。如果信道已被占用，節(jié)點在等待一個隨機的時間后再次檢測。多數(shù)情況下(如IEEE 802.11)，無線節(jié)點甚至在等待的時候也處于監(jiān)聽模式。然而，無線設(shè)備即使在監(jiān)聽時的功耗也極大。因此，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于等待或不進行數(shù)據(jù)廣播時應(yīng)該關(guān)斷無線電路。監(jiān)聽周期和等待周期都是CSMA的主要設(shè)計參數(shù)。 

　　CSMA適用于具有零星通信的網(wǎng)絡(luò)，但是當(dāng)信道中持續(xù)傳輸長數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)流時它的性能便會大大降低。為了提高繁忙信道的接入率(尤其是對于關(guān)鍵數(shù)據(jù)包)，除了常規(guī)的CSMA外還應(yīng)該建立一種“非競爭”機制。對于無競爭的信道接入，基于集中式引導(dǎo)信號(centralized beacon)的傳輸調(diào)度安排十分有效?；谝龑?dǎo)信號的調(diào)度安排在星狀拓撲結(jié)構(gòu)的集中式系統(tǒng)中十分有效。然而，對于一般的分散拓撲結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度安排需要進行正確同步，這點很難實現(xiàn)。提高重要信息的信道接入能力的有效方法是給數(shù)據(jù)包分配優(yōu)先級，而不是保證時隙。在傳輸高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包時，所有發(fā)送低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的節(jié)點同時休息一段較長的時間，以降低發(fā)生碰撞的可能性。 

　　如果高層協(xié)議按MAC目標(biāo)設(shè)計可進一步提高信道的接入率。例如，某些傳感器網(wǎng)絡(luò)需要對傳感器進行周期性的數(shù)據(jù)采樣。如果應(yīng)用層對采樣間隔和采樣順序的相移進行動態(tài)調(diào)節(jié)，那么進行周期性傳輸?shù)拇罅抗?jié)點便可有效共享無線信道。 

　　考慮到設(shè)備的硬件成本限制，傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中難以采用CSMA/碰撞檢測機制。不過可選擇一種替代方案，CSMA碰撞回避(CA)是一種有效的碰撞控制方法。然而，CSMA-CA會給網(wǎng)絡(luò)增加極大的額外通信量。如果沒有直接的碰撞控制方法，數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)采用錯誤控制方法以確保達到一定的傳輸成功率。事實證明，帶有應(yīng)答握手信號的循環(huán)冗余校驗等通用錯誤檢測技術(shù)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中十分有效。將數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)答(節(jié)點對節(jié)點)和網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)答(端對端)靈活地結(jié)合起來便可實現(xiàn)滿足性能要求的傳輸成功率，并達到期望的功耗水平。 

　　網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計 

　　網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)路由查找和數(shù)據(jù)包傳送。自組傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點是隨機部署的，因此在網(wǎng)狀網(wǎng)中查找多跳路由十分困難，當(dāng)節(jié)點出現(xiàn)故障或重新部署后進行路由維護和修復(fù)(自愈)將同樣困難。過去幾年中出現(xiàn)了大量可支持自組多跳網(wǎng)絡(luò)的分布式路由算法?？偟膩碚f，這些路由算法可分為兩類：主動式(proactive)和被動式(reactive)。在主動式路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都常常保持著源地址與目的地址之間的路由列表，不管是否需要這些路由。 

　　由于無需花時間查找路由，主動式路由能比被動式路由更快地傳輸數(shù)據(jù)包。不過，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加，這些路由列表也呈指數(shù)級增加，因此對于包含大量節(jié)點的典型傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，要繼續(xù)保持這些列表十分困難。而在被動式路由協(xié)議中，源節(jié)點只有在需要向某個目的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時才開始查找路由。找到路由后該節(jié)點會將路由信息保持一定時間。路由列表規(guī)模相對較小，與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大致相同。不過查找路由通常會有較長的延時，在要求實時性的應(yīng)用中不可采用。 

　　多數(shù)自組移動網(wǎng)采用的分布式路由算法都是基于網(wǎng)狀網(wǎng)等平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而開發(fā)的，而無論是主動式路由還是被動式路由。由于自組網(wǎng)不分層，每個節(jié)點都充當(dāng)其它節(jié)點的中繼，其承擔(dān)的責(zé)任相同。在這種采用全分布式路由算法的平面網(wǎng)絡(luò)中，不進行傳輸?shù)乃泄?jié)點都必須主動監(jiān)聽信道，以實現(xiàn)中繼。因此，網(wǎng)狀網(wǎng)中的分布式路由算法產(chǎn)生較高的功耗。使用星型-網(wǎng)狀混合結(jié)構(gòu)可開發(fā)一種智能路由，實現(xiàn)高功效、降低延時并增強連接性。由于每個傳感器的路由列表存儲空間有限，被動式路由可為傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供更緊湊的解決方案。通過將信息傳輸?shù)匠洚?dāng)數(shù)據(jù)集中站的少量節(jié)點上，可有效解決被動式路由的延時問題。每個集中站負責(zé)收集鄰近區(qū)域的通信信息。 

　　將通信保持在局部鄰近范圍內(nèi)十分重要，它可保證自組網(wǎng)的可伸縮性。據(jù)觀察，每個節(jié)點的傳輸能力隨著自組網(wǎng)規(guī)模增加而下降，這是因為網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大后源節(jié)點與目的節(jié)點間的平均路徑長度也成比例增加。為了避免大型網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點傳輸能力逐漸降低，網(wǎng)絡(luò)中所有通信都應(yīng)當(dāng)保持在局部區(qū)域內(nèi)，即數(shù)據(jù)包的平均跳躍次數(shù)應(yīng)該比網(wǎng)絡(luò)的總中繼數(shù)少。 

　　應(yīng)用類別 

　　在各種工業(yè)、樓宇及家用電器中，下列應(yīng)用是傳感器數(shù)據(jù)采集及傳播十分常用的模式： 

　　1. 周期性采樣。對于某個需要經(jīng)常監(jiān)控的條件或過程，例如空調(diào)環(huán)境中的溫度或處理管道中的壓力，每隔一定周期便進行大量的遠程傳感器采樣，并周期地將采樣數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)收集中心。采樣周期主要根據(jù)條件或過程的變化速度以及采集對象的自身特點來決定。由于遠程節(jié)點的占空比變化與采樣速率成正比，協(xié)議堆棧的應(yīng)用層應(yīng)該在滿足監(jiān)測條件的情況下盡量采用最小采樣率。很多情況下被監(jiān)測的條件或過程會不時地減慢或加快，因此，如果應(yīng)用層可根據(jù)條件或過程的變化自動調(diào)節(jié)采樣率，則可盡量減少過采樣，從而極大地提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體效率。 

　　與周期性采樣有關(guān)的另一個重要設(shè)計要點是多個節(jié)點間的相位關(guān)系。如果兩個節(jié)點的采樣率相近或相同，這兩個節(jié)點的數(shù)據(jù)包傳輸便有可能不斷碰撞。應(yīng)用層必須檢測這種反復(fù)碰撞，并在兩個傳輸時序中加入相移，以避免再次碰撞。 

　　2. 事件驅(qū)動。許多情況下要求監(jiān)測一個或多個關(guān)鍵變量，同時只有在接近閥值時才進行傳輸。常見的例子包括火險報警、門窗傳感器及間隙使用的儀器等。為了使事件驅(qū)動達到一定的功效和響應(yīng)速度，必須將沒有觸發(fā)事件時的傳感器節(jié)點功耗設(shè)計為最小，并且在快達到閥值時快速恢復(fù)工作。在設(shè)計協(xié)議堆棧中的所有層時都必須考慮這些要求。 

　　3. 存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。在很多應(yīng)用中，傳感器數(shù)據(jù)可在傳輸?shù)交厩坝蛇h程節(jié)點采集、存儲甚至處理，遠程節(jié)點對傳感器采樣進行匯集和處理，而不是在每次采集完便立刻傳輸，這樣有助于提高整個網(wǎng)絡(luò)的性能、功耗和帶寬效率。應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)提供恰當(dāng)?shù)膽?yīng)用編程接口，以便有效地集成數(shù)據(jù)匯集和處理算法。