無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用市場(chǎng)和解決方案

性能度量指標

各種不同 WSN 解決方案的評估基于兩個(gè)問(wèn)題：“我能否快速地獲得所有的數據?”和“成本將達到多少?”。WSN 必須專(zhuān)為在具有低至約 50% 的鏈路層數據包遞交率 (PDR) 的環(huán)境中工作而設計。

當開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)數據收集系統時(shí)，有幾項性能指標是必須滿(mǎn)足的。首先，系統必須滿(mǎn)足一個(gè)最小可靠性目標。就工業(yè)應用而言，目標通常是至少接收 99.9% 的生成數據，因為丟失的數據會(huì )觸發(fā)代價(jià)高昂的警報條件。其次，系統必須支持一定的吞吐量，即每秒傳送若干個(gè)傳感器數據包。第三，這些數據包僅當其在某個(gè)最大延遲周期以?xún)仁盏綍r(shí)才有效。許多處理器依靠的是最新數據更新 —— 對于控制來(lái)說(shuō)，過(guò)期數據或許不具備實(shí)用性。第四，不少系統必須在嚴苛的環(huán)境中運作，此類(lèi)環(huán)境包括寬溫度范圍及本質(zhì)安全限制條件。只有那些滿(mǎn)足了所有上述四項要求的解決方案才被認為適合做進(jìn)一步的評估。

當研究各種滿(mǎn)足相關(guān)要求的解決方案時(shí)，關(guān)鍵的選擇標準變成了“擁有成本”和“靈活性”。擁有成本涵蓋多個(gè)方面：產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、安裝、硬件以及設備使用期限內的供電。與有線(xiàn)解決方案相比，無(wú)線(xiàn)技術(shù)大幅度地降低了安裝成本，不過(guò)，電池供電型無(wú)線(xiàn)設備卻有可能需要在網(wǎng)絡(luò )的使用期限內更換電池。另外，還需要在以下兩種選擇方案之間進(jìn)行權衡，即：構建具有少量高功率設備的網(wǎng)絡(luò ) (以降低硬件成本) 抑或構筑采用大量低功率設備的網(wǎng)絡(luò )。對于那些由能量收集單元 (例如：太陽(yáng)能、熱電) 供電的設備，大部分的成本或許取決于電容器尺寸。諸如時(shí)分多址 (TDMA) 等采用確定性調度的解決方案可幫助將大電流事件盡可能地分離開(kāi)來(lái)，從而降低電容器尺寸要求。

由于最終的部署情況不可預知，因此網(wǎng)絡(luò )的設計必須具備高度的靈活性。網(wǎng)絡(luò )所安裝的傳感器數量必須是可調節的 (從少到多)，網(wǎng)絡(luò )的密度也須具備從低到高的調節范圍。為了在多種多樣的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中保持堅固性，資源配置應確保設備可在適度干擾的條件下可靠地通信，而且當個(gè)別設備丟失時(shí)，網(wǎng)絡(luò )應能繼續正常運行。附加的資源 (包括更多的無(wú)線(xiàn)鏈路、用于每部設備的更多相鄰設備、或更多的信號放大) 可改善可靠性與延遲。所有這些附加資源都將導致功率成本的增加，可利用動(dòng)態(tài)分配最大限度地減小這種功率成本的上漲。

基于標準的解決方案可避免采用單一供應商組件時(shí)所遇到供應鏈難以預測的變化，并可保證同意在運作的管理原理。

挑戰

就實(shí)質(zhì)而言，無(wú)線(xiàn)通道是不可靠的，而且許多現象都會(huì )阻止一個(gè)已發(fā)送的數據包到達接收器。此類(lèi)現象之一就是干擾。假如兩個(gè)獨立的發(fā)送器在同一個(gè)通道上傳送數據，它們就有可能在接收器的無(wú)線(xiàn)電路中損壞彼此的信號。這就要求發(fā)送器進(jìn)行重發(fā)，代價(jià)將是時(shí)間和能源消耗的增加。

如果基礎媒體接入技術(shù)未排定無(wú)爭用通信，則干擾可能來(lái)自同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )。倘若兩個(gè)發(fā)送器能夠“聽(tīng)到”接收器，但相互之間聽(tīng)不到 ，那就特別成問(wèn)題了，它需要退下來(lái)并用確認機理來(lái)解決沖突。

干擾也可能來(lái)自工作于相同無(wú)線(xiàn)電空間里的另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，或者一種使用同一頻段的不同無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。后者尤其存在于無(wú)需申請許可的頻段，例如：2.400 至 2.485GHz 的儀表、科學(xué)和醫學(xué) (ISM) 頻段、Wi-Fi、藍牙和 802.15.4 等都工作在此頻段上。

第二種現象是多徑衰落，它會(huì )阻止一個(gè)已發(fā)送的數據包到達接收器，而且不僅更具破壞性，量化也更加困難。這通常被描述為“自干擾”，當接收器同時(shí)接收到發(fā)送器通過(guò)視線(xiàn)路徑傳送的信號以及環(huán)境中的物體 所反射的同一信號時(shí)，就會(huì )發(fā)生此類(lèi)現象。由于那些“拷貝信號”的傳輸距離不同，因此它們到達接收器的時(shí)間不一樣，從而有可能產(chǎn)生破壞性的干擾。20dB ~ 30dB 的衰落并不是少見(jiàn)。

多徑衰落取決于環(huán)境中每個(gè)物體的位置和性質(zhì)，而且在任何實(shí)際設置中都是不可預知的。一個(gè)優(yōu)良的特性是：假如某個(gè)數據包因多徑衰落之故而未被接收，那么在一個(gè)不同的頻率上重新進(jìn)行發(fā)送其獲得成功的概率是很高的。

由于干擾及多徑衰落的原因，構建可靠無(wú)線(xiàn)系統的關(guān)鍵在于充分利用通道和路徑分集。

解決方案

如前文所述，一項非常適合解決 WSN 問(wèn)題的技術(shù)是 IEEE 802.15.4。802.15.4 無(wú)線(xiàn)標準在多個(gè)無(wú)需申請許可的頻段中提供了低功率、低數據速率 PHY，這些頻段包括可在北美地區使用的 915MHz 頻段和全球可用的 2.4GHz ISM 頻段。2.4GHz 頻段擴頻 PHY 可提供噪聲免疫力 —— 對于專(zhuān)為有可能工作于擁擠的免執照頻段而設計的低能耗設備而言，這是一個(gè)特別重要的特性。該標準還定義了一個(gè)基于可靠和經(jīng)確認數據包的 MAC 層，其具有任選的加密和驗證功能。這種靈活的解決方案構成了多個(gè)專(zhuān)有和基于標準之協(xié)議的基礎，包括 ZigBee 協(xié)議和 WirelessHART 協(xié)議。

凌力爾特旗下的 Dust Networks 公司幫助制定的 WirelessHART 協(xié)議具有一個(gè) 802.15.4 2.4GHz PHY 和一個(gè)基于 802.15.4 的鏈路層，為標準的 802.15.4 MAC 增添了同步、通道跳頻、優(yōu)先級和基于時(shí)間的驗證。它具有一個(gè)提供了路徑和端到端安全性的網(wǎng)絡(luò )層，以及一個(gè)薄的不可靠/ 可靠網(wǎng)格傳輸層。WirelessHART 協(xié)議規定了時(shí)隙定時(shí)、設備保持同步的方法、以及設備如何通過(guò)在重復的超幀上將時(shí)間劃分為分隙式通信機會(huì ) (時(shí)隙) 來(lái)安排時(shí)間 / 通道通信機會(huì )。制定該協(xié)議的目的在于實(shí)現無(wú)線(xiàn)設備與工業(yè)過(guò)程監視和控制應用中廣泛使用的現有有線(xiàn) HART 設備的無(wú)縫集成。WirelessHART 擴展了 HART 應用層命令集，添加了用于管理無(wú)線(xiàn)資源和監視網(wǎng)絡(luò )健康狀況的命令。WirelessHART 網(wǎng)絡(luò )是高度可靠的網(wǎng)格，即使在設備不具備視線(xiàn)且間隔數十至數百米的情況下，每部設備都擁有多個(gè)其可發(fā)送數據的相鄰設備，從而提供了實(shí)現高可靠性所需的路徑分集。WirelessHART 網(wǎng)絡(luò )采取中央管理的方式，大多數網(wǎng)絡(luò )“智能”都存在于一個(gè)管理器之中?，F場(chǎng)設備 (無(wú)線(xiàn)傳感器) 負責報告狀態(tài)信息，管理器利用這些信息來(lái)訓練和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò )，而傳感器數據則被通報至一個(gè)被稱(chēng)為網(wǎng)關(guān)的應用代理。

今年早些時(shí)候發(fā)布了新的 802.15.4e 修正案，其中正式確定了時(shí)隙式通道跳頻特性 (與 802.15.4 MAC 層上的 WirelessHART 中的特性相似)。該標準定義了用于通告同步化信息 (以使設備能同步至一個(gè)網(wǎng)絡(luò )) 的機理，提供了基于時(shí)間的安全性，并規定了分隙式通信和跳頻序列。它在“信息元素”中大量運用了數據封裝，這使得能夠進(jìn)行MAC的定制擴展，而不必等待標準的更新。其旨在簡(jiǎn)化多層協(xié)議的開(kāi)發(fā)，并專(zhuān)為耦合至一個(gè)6LoWPAN壓縮型IPv6網(wǎng)絡(luò )層而特別設計。