無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的挑戰和解決方案

在過(guò)去不長(cháng)的幾十年里，傳感器的尺寸大為縮小，同時(shí)價(jià)格和功率也有所降低，這部分得益于摩爾定律 (Moore’s Law) 和 MEMS 革命的推動(dòng)。不幸的是，傳感器的安裝成本卻沒(méi)有同步下降。與用于傳輸電力和數據的電線(xiàn)布設成本相比，傳感器本身的成本通常就是“小菜一碟”了。以離我們最近的電燈開(kāi)關(guān)為例：即使在新的建筑物中，一個(gè)價(jià)值 1 美元的開(kāi)關(guān)其電線(xiàn)排布成本也可達到 50 美元，其中大部分是人工費用。而如果想把這個(gè)開(kāi)關(guān)移到相鄰的墻壁，那么這種翻新改造的代價(jià)則高得多了。在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化中，可接受的經(jīng)驗法則是：安裝一個(gè)傳感器的成本為 10000 美元，即使只是一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)也不例外。在這種造價(jià)昂貴的環(huán)境中，許多傳感器只是將數據報告給一個(gè)局部控制器 —— 當安裝有幾百或幾千個(gè)傳感器時(shí)，幾乎或根本無(wú)法獲知“全局”。人們需要的是一種廉價(jià)和可靠的網(wǎng)絡(luò )傳感器方式。

幾乎從馬可尼 (Marconi) 時(shí)代起，人們就已經(jīng)開(kāi)始使用無(wú)線(xiàn)方式傳輸來(lái)自傳感器的數據，獲得了復雜的結果。傳統上，此類(lèi)鏈路采用線(xiàn)路供電并且是點(diǎn)對點(diǎn)型的，常常具有因環(huán)境條件而致的時(shí)變可靠性。這雖然適合于某些應用，然而對于多數應用而言局限性卻很大。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) (WSN) 的市場(chǎng)包括樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、智能電網(wǎng)和自動(dòng)化計量基礎設施 (AMI)、工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、環(huán)境監測、泊車(chē)與交通基礎設施、能耗監測和庫存管理。

在大多數場(chǎng)合，這些都是雙向不對稱(chēng)數據收集應用，大量的檢測點(diǎn)將數據發(fā)送至一個(gè)中央主機，該中央主機可利用一個(gè)過(guò)程設定點(diǎn)或其他配置變更做出響應。

從理想的角度來(lái)說(shuō)，客戶(hù)當然希望擁有這樣一種技術(shù)：成本低、可不受限制地安放傳感器、以低延遲可靠地接收周期性數據、并在不更換電池的情況下于設備的使用期限內連續運行。近期的技術(shù)進(jìn)步使我們能夠在許多市場(chǎng)上提供上述特性。

為擔負這項任務(wù)，有多種技術(shù)正在展開(kāi)競爭，包括衛星、蜂窩、Wi-Fi 以及一系列基于 IEEE 802.15.4 無(wú)線(xiàn)標準的解決方案。這些技術(shù)可幫助用戶(hù)組建用于收集傳感器數據的 WSN。

衛星和蜂窩技術(shù)是許多應用的合適之選，但它們每個(gè)數據包的能源成本是最高的。而且，數據包月費用也令人望而卻步 (雖然這種情況隨著(zhù)運營(yíng)商們推出適合相對稀疏數據流量的收費模式而有可能得到一定的改觀(guān))。再有，覆蓋范圍也會(huì )是一個(gè)問(wèn)題。顯然，衛星或蜂窩電話(huà)信號很難走出阻礙嚴重的建筑物，而傳感器通常并不能夠左右移動(dòng)并詢(xún)問(wèn)“現在您能聽(tīng)到嗎?”。不過(guò)，對于那些具有上佳連通性并以非常低數據速率 (例如：每天傳送一個(gè)數據包) 發(fā)送信息的應用而言，衛星或蜂窩技術(shù)是十分有用的。

Wi-Fi (IEEE 802.11b, g) 傳感器目前得到了廣泛的使用。Wi-Fi 數據包的能源成本遠低于蜂窩技術(shù)，而且沒(méi)有數據的經(jīng)常性費用。連通性和覆蓋范圍仍然是重要的問(wèn)題，因為與移動(dòng)人性化系統的需要相比，利用一個(gè)固定傳感器實(shí)現可靠通信所需的接入點(diǎn)密度通常會(huì )更高。

在參考 OSI 分層模型的基礎上，802.15.4 標準定義了一個(gè)針對短程、低功率操作的物理層 (PHY) 和媒體接入控制 (MAC) 層，非常適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。該無(wú)線(xiàn)標準具有相對較低的數據速率 (至 250kbps 以下)；數據包簡(jiǎn)短 (128 字節) 且為低能耗。例如：發(fā)送幾個(gè)字節的傳感器數據以及路徑、加密、和其他標頭所需的時(shí)間少于 1ms。這過(guò)程采用少于 30µC 的電荷，包括接收一個(gè)安全鏈路層確認信號 (見(jiàn)圖 1)。傳感器能發(fā)送來(lái)自方鄰傳感器的無(wú)線(xiàn)數據包，從而擴展了網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍 (遠遠超出了單無(wú)線(xiàn)射頻的覆蓋范圍)，并使網(wǎng)絡(luò )擁有了針對任何單無(wú)線(xiàn)鏈路故障的免疫力。

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 (例如：安全性架構)。

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 (因而其信號重疊)，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 (這被稱(chēng)為“隱藏終端問(wèn)題”)，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 (被稱(chēng)為“外部”干擾) 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。

圖 2 中的曲線(xiàn)是通過(guò)以下方法獲得的：在一個(gè)辦公環(huán)境中部署 45 個(gè) 802.15.4 節點(diǎn)，讓它們交換 1200 萬(wàn)個(gè)均勻分布在 16 個(gè) 802.15.4 通道上的數據包。該曲線(xiàn)圖描繪了這些數據包的平均數據包遞交率與用于傳送它們的通道之間之函數關(guān)系；在重疊了 Wi-Fi 通道的通道上，該遞交率較低。

第二種現象是圖 3 所示的多徑衰落，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 (地板、天花板、門(mén)、人 … 等等) 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)。

圖 3 是通過(guò)以下方法獲得的：讓一個(gè)發(fā)送器將 1000 個(gè)數據包傳送至一個(gè) 5m 之外的接收器，并把該接收器輪流安放在一個(gè) 35cm x 20cm 網(wǎng)格的每個(gè)點(diǎn)以重復上述過(guò)程。z 軸代表該鏈路上的數據包遞交率。雖然鏈路在大多數位置上均處于良好狀態(tài)，但在某些位置上卻由于多徑衰落的原因而未能成功地接收數據包。

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：圖 3 中描繪的“分布狀況”會(huì )隨頻率而變化。即：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。

由于環(huán)境中的物體不是靜態(tài)的 (例如：有車(chē)輛從旁邊駛過(guò)以及門(mén)的開(kāi)閉等)，因此多徑的影響隨時(shí)間而改變。圖 4 示出了兩個(gè)工業(yè)傳感器之間單個(gè)無(wú)線(xiàn)路徑上的數據包遞交率 (時(shí)間跨度為 26 天，且針對系統所采用的全部 16 個(gè)通道)。在圖中我們發(fā)現了周循環(huán)，工作日和周末清晰可見(jiàn)。在任意給定的時(shí)間，一些通道工作狀態(tài)良好 (擁有高遞交率)，一些則欠佳，而還會(huì )有這么一些通道處于高度易變的狀態(tài)。通道 17 雖然一般都處于良好狀態(tài)，但至少會(huì )有一個(gè)零遞交周期。從質(zhì)量的角度來(lái)看，網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)路徑均表現出相似的工作特性，但具有不同的通道性能，而且絕對不會(huì )有任何一個(gè)通道可在網(wǎng)絡(luò )中的所有位置上都保持良好的工作狀態(tài)。^【1】

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。

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 (或幀) 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 (它采用該解決方案以形成非同步化的單通道網(wǎng)絡(luò )) 和 WirelessHART 協(xié)議^{【2】 (其采用此解決方案以組建時(shí)間同步的多通道網(wǎng)絡(luò ))。}

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 (定義于 IETF RFC 4944 和 6282^【3】) 而特別設計。

凌力爾特的 Dust Networks SmartMesh™ 產(chǎn)品線(xiàn)兼有符合 WirelessHART 及 6LoWPAN 標準的 IPv6 產(chǎn)品，它們利用 802.15.4 以提供市面上可靠最高和功率最低的 WSN 解決方案。Dust Eterna™ 微塵 (LTC5800 系列) 是單芯片器件，其將一個(gè) Cortex-M3™ 微處理器、存儲器和外設耦合至目前功率最低的 802.15.4 無(wú)線(xiàn)線(xiàn)路 (圖 5)。設計人員將微塵芯片嵌入在其傳感器組件之中，并可依靠網(wǎng)絡(luò )形成和優(yōu)化，并將傳感器數據傳輸至其應用。Dust 的管理器可實(shí)現從幾十到幾千個(gè)設備的平穩調節，并提供用于網(wǎng)絡(luò )的數據及配置接口。兩個(gè)產(chǎn)品系列均適合構建能提供可按節點(diǎn)配置之數據速率之高度可靠的多跳網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )。它們適于解決各種各樣的 WSN 問(wèn)題。采用 Dust 微塵和管理器的部分應用實(shí)例包括：

泊車(chē) － Streetline 公司【4】是一家智能泊車(chē)解決方案供應商，其產(chǎn)品可監視城市泊車(chē)位的實(shí)時(shí)可用情況。車(chē)輛探測器安裝在泊車(chē)位的下方，位于鋪砌層的內部并與路面齊平。這就帶來(lái)了挑戰，因為傳感器件的天線(xiàn)安放在地下，而后當車(chē)位被占據時(shí)則被金屬車(chē)輛所覆蓋。無(wú)線(xiàn)路徑分集是必不可少的，因為不同的車(chē)輛停放位置會(huì )改變器件對之間的路徑質(zhì)量。Streetline 將高架的轉發(fā)器件安裝在附近的街燈上，以獲得至停車(chē)傳感器的視線(xiàn)。這些轉發(fā)器形成了一個(gè)多跳網(wǎng)格，用于把所有的車(chē)位占用數據收集至局部網(wǎng)絡(luò )管理器，并在此匯總到一個(gè)覆蓋全城的數據庫之中以供客戶(hù)和執法機構使用。無(wú)線(xiàn)技術(shù)對于此類(lèi)應用是至關(guān)緊要的，因為要想用電線(xiàn)將傳感器連接至每個(gè)車(chē)位操作起來(lái)是非常困難的，而低功率無(wú)線(xiàn)通信還可降低更換電池的頻度。

煉油廠(chǎng)過(guò)程控制 － 雪佛龍 (Chevron) 公司采用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )來(lái)監視石油開(kāi)采和提煉設備。這些網(wǎng)絡(luò )常常部署于嚴酷的環(huán)境 (因為存在危險的極端溫度和化學(xué)品，并存在發(fā)生爆炸的風(fēng)險)，在這里無(wú)法為有線(xiàn)傳感器布設導管。此外，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)還可實(shí)現旋轉結構和移動(dòng)運營(yíng)商的監視。以一種配置為例 (圖 6)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )被安裝在遍布一個(gè)大型煉油廠(chǎng)的不同位置。為了把數據收集到一個(gè)集中式控制中心，采用了一個(gè) Cisco IEEE 802.11a 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格，作為每個(gè) IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò )管理器的回傳骨干連接。這使得低功率傳感器件能夠向其局部管理器進(jìn)行報告，數據在局部管理器上聚集并可靠地往復傳送。該配置充分體現了兩種標準之間的強大融合。

能耗監測 － Vigilent 公司【5】可提供用于室內環(huán)境 (例如：環(huán)境控制至關(guān)重要的數據中心) 的智能型能耗管理系統。由于數據中心里任何位置的溫度上升都可能導致設備故障，因此空調常常以滿(mǎn)功率連續運行，從而造成能源浪費。設備管理人員不愿意其內部網(wǎng)絡(luò )受到危害，因此 Vigilent 部署了不會(huì )影響常規運作的無(wú)線(xiàn)器件。另外，設備對于安全性也十分敏感，因此需要采用無(wú)線(xiàn)協(xié)議對所有的數據包進(jìn)行端到端加密，并在網(wǎng)絡(luò )管理器上提供附加的安全性。數據中心檢測點(diǎn)通常都很密集，Vigilent 成功地部署了多個(gè)重疊網(wǎng)絡(luò )以實(shí)現所要求的傳感器數目。

基于 802.15.4 無(wú)線(xiàn)標準的多通道時(shí)間同步網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )可解決構建靈活、可靠、低功率無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )所涉及的眾多難題。