結構化方法的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)由一些獨立、完全嵌入式操作的小體積低功耗節點(diǎn)組成，這些節點(diǎn)能夠檢測來(lái)自目標環(huán)境的數據或控制目標環(huán)境，并且相互間通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式通信。檢測和控制是通過(guò)互連著(zhù)的傳感器和激勵器完成的，而這些傳感器和激勵器或通過(guò)遠程、或通過(guò)嵌入式應用程序進(jìn)行管理。這些節點(diǎn)的數量從十幾個(gè)到數千個(gè)不等，一個(gè)典型系統由數百個(gè)分布于整座大樓或室外空間的節點(diǎn)組成。

許多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用私有標準實(shí)現無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，但最近的趨勢是逐漸向標準化的低功耗無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展?；谥?zhù)名的802.15.4規范的ZigBee就是一種用于無(wú)線(xiàn)檢測和控制的標準。雖然802.15.4文檔僅描述了協(xié)議的PHY和MAC層，但基于802.15.4構建的ZigBee還提供網(wǎng)絡(luò )和應用層規范。

ZigBee具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括可以實(shí)現多跳路由和數據發(fā)送的網(wǎng)格協(xié)議、安全規范和針對應用層互操作性的整套參數設置?？傊?，ZigBee向嵌入式應用開(kāi)發(fā)人員提供了管理網(wǎng)絡(luò )以及連接其它節點(diǎn)的更高抽象層次。

雖然本文主要討論的是ZigBee，但其中許多觀(guān)點(diǎn)和結論同樣也適用于采用802.15.4 MAC和PHY的其它標準。為了避免出現混亂，后文假設我們的目標設計涉及的是使用網(wǎng)格路由協(xié)議、802.15.4兼容調制方案和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)協(xié)議的多跳網(wǎng)絡(luò )。本文還假設讀者對ZigBee和802.15.4規范已有基本了解。

網(wǎng)絡(luò )組織和規模

網(wǎng)絡(luò )組織和規模也許是最重要的設計選項，它往往對接下來(lái)的設計過(guò)程起著(zhù)告知和指導作用。它還有約束作用，因為大型網(wǎng)絡(luò )通常更難設計和維護。幸運的是，如今已經(jīng)有方法能輕松實(shí)現和維護非常大的網(wǎng)絡(luò )。

目前最先進(jìn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò )規模在300到500個(gè)節點(diǎn)之間。這個(gè)規?？雌饋?lái)不大，但試想一下，所有這些節點(diǎn)工作在同一物理信道上，彼此在同一時(shí)間發(fā)送數據，根據每個(gè)節點(diǎn)的行為路由數據，并在同一時(shí)間試圖保持整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的完整性(通過(guò)發(fā)送周期性控制消息)，這該是個(gè)很吵很擁擠的網(wǎng)絡(luò )。另外還要注意，ZigBee標準所依據的802.15.4規范使用了CSMA/CA(載波偵聽(tīng)多址訪(fǎng)問(wèn)/碰撞避免)協(xié)議，也就是說(shuō)，在各自“聽(tīng)力”范圍內沒(méi)有兩個(gè)節點(diǎn)能同時(shí)“說(shuō)話(huà)”。如果同時(shí)“說(shuō)話(huà)”，都會(huì )遭遇通信失敗，必須延遲一段時(shí)間后重試。如果網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)擁塞，那么這些重試將產(chǎn)生級聯(lián)傳輸故障，試圖發(fā)起空中訪(fǎng)問(wèn)的節點(diǎn)將越來(lái)越多，從而加劇信道的擁擠。

事實(shí)上，在設計數百個(gè)節點(diǎn)以上的網(wǎng)絡(luò )時(shí)面臨的主要挑戰之一是如何有效地管理網(wǎng)絡(luò )擁塞(另外一個(gè)挑戰是在運行時(shí)優(yōu)化用于存儲內部堆棧狀態(tài)的系統資源)。下面的小節將簡(jiǎn)要介紹用于解決擁塞問(wèn)題的三種不同策略。

圖1：基于802.15.4的ZigBee提供網(wǎng)絡(luò )層和應用層規范。

網(wǎng)絡(luò )密度

顯然，“300個(gè)節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )”給我們提供的有關(guān)網(wǎng)絡(luò )組織的信息是很少的。由于存在上述沖突碰撞問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò )密度也是影響網(wǎng)絡(luò )健康的一個(gè)重要因素，也就是說(shuō)在每個(gè)節點(diǎn)聽(tīng)力范圍內存在多少個(gè)節點(diǎn)，或者換句話(huà)說(shuō)，一個(gè)普通節點(diǎn)可以聽(tīng)到多少個(gè)其它節點(diǎn)？專(zhuān)家建議是小于5個(gè)，因為這個(gè)數量支持冗余設計和相對無(wú)阻塞的通信介質(zhì)。7個(gè)節點(diǎn)以上的網(wǎng)絡(luò )很可能出現嚴重擁塞的網(wǎng)段而加重網(wǎng)絡(luò )負擔。

一個(gè)相關(guān)的問(wèn)題隨之而來(lái)，系統設計師該如何判斷有多少個(gè)節點(diǎn)能被聽(tīng)到？一個(gè)顯而易見(jiàn)的策略是定制嵌入式應用程序。有關(guān)相鄰節點(diǎn)的信息實(shí)際上是ZigBee網(wǎng)絡(luò )中協(xié)議操作的一個(gè)重要部分。事實(shí)上，節點(diǎn)會(huì )主動(dòng)廣播他們自己的信息，并且這些信息會(huì )被有效范圍內的每個(gè)其它節點(diǎn)接收到。相鄰表格可以被駐留程序查詢(xún)，并計算唯一性條目的數量。然后駐留程序再將這個(gè)診斷結果發(fā)送給指定節點(diǎn)。很明顯，這樣做只有在網(wǎng)絡(luò )密度仍能改變的網(wǎng)絡(luò )安裝過(guò)程中才有意義。一旦網(wǎng)絡(luò )安裝完畢并開(kāi)始運行，密度信息將在故障排除過(guò)程中發(fā)揮顧問(wèn)的作用。

請注意，如果相鄰表格的大小小于周?chē)濣c(diǎn)的數量，ZigBee堆棧將強制周期性地撤消表格條目。這種撤消也可能負面影響總體網(wǎng)絡(luò )性能，因為即使路徑中沒(méi)有節點(diǎn)離線(xiàn)，也會(huì )強制路由被重新發(fā)現。因此，除了限制網(wǎng)絡(luò )密度以避免擁塞外，還必須根據系統資源(如相鄰表格的大小)確定網(wǎng)絡(luò )密度。

在節點(diǎn)的物理位置由于應用要求而被固定的情況下，網(wǎng)絡(luò )密度可以方便地通過(guò)降低擁塞區域中收發(fā)器的輸出功率來(lái)得到控制。從理論上講，降低輸出功率與增加節點(diǎn)間距離、使它們彼此聽(tīng)到的可能性變小具有相同的效果。制造商傾向于將輸出功率設為最大值，以確保最大工作范圍和最佳鏈路質(zhì)量。根據我們的經(jīng)驗，在距離性能不很重要的室內應用場(chǎng)合，輸出功率可以很容易降低。根據經(jīng)驗，輸出功率降低3dBm，有效距離范圍可以縮短1.5倍。

有關(guān)密度的最后一個(gè)考慮因素是，故障率增加到足夠高以致于觸發(fā)上述級聯(lián)故障效應的理論極限。當然，這個(gè)參數取決于應用程序本身發(fā)送的信息量。根據經(jīng)驗，如果每個(gè)節點(diǎn)每秒發(fā)送一個(gè)最大長(cháng)度的數據包，那么在各個(gè)節點(diǎn)的聽(tīng)力范圍內這個(gè)極限值約為25個(gè)節點(diǎn)。密度極限似乎是不變的，與堆棧實(shí)現無(wú)關(guān)，這意味著(zhù)密度極限與MAC層更基本的CSMA操作有關(guān)。例如，我們可以推斷每隔n秒發(fā)送一個(gè)包的節點(diǎn)的密度極限值，就是將最大密度乘以1.2n倍。這個(gè)近似值從來(lái)不應被用作網(wǎng)絡(luò )密度的精確指導值，因為實(shí)際值將取決于網(wǎng)絡(luò )中的路由器和終端設備的比例。

根據信道進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )劃分

在不能刪除節點(diǎn)或降低輸出功率的情況下，系統設計師可以選擇將工作在單個(gè)信道上的單一網(wǎng)絡(luò )劃分為工作在不同信道上的多個(gè)網(wǎng)絡(luò )來(lái)解決網(wǎng)絡(luò )擁塞問(wèn)題。802.15.4在2.4GHz頻率范圍內規定了16個(gè)信道，在900MHz頻率范圍內另外還增加了10個(gè)信道。將網(wǎng)絡(luò )置于不同的信道上能夠完全隔離不同網(wǎng)絡(luò )間的相互影響，但根據需要，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )可能需要使用協(xié)調器(coordinator)，并需連接這些協(xié)調器，從而帶來(lái)額外的復雜性。

如果待分割的網(wǎng)絡(luò )邏輯上已經(jīng)是分開(kāi)的，那么根據信道進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )劃分的方法最有效果。例如，在大樓自動(dòng)化應用中，讓每一樓層的網(wǎng)絡(luò )工作在各自的信道上通常是比較理想的。但如果每個(gè)樓層都有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，那么不同樓層之間的節點(diǎn)相互通信就很麻煩，特別是這樣做可能會(huì )影響網(wǎng)絡(luò )性能(高密度網(wǎng)絡(luò )就是這種情況)。

同樣，還可以根據房間或辦公面積進(jìn)行劃分。最重要的是，應該根據具體應用要求和可用信道數量來(lái)做出根據物理信道劃分網(wǎng)絡(luò )的決定。當多個(gè)子網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)需要相互通信時(shí)，這種劃分還會(huì )使總體設計變得更加復雜。

信道掩碼(就象收發(fā)器輸出功率一樣)是一個(gè)可設置的網(wǎng)絡(luò )參數。應用工程師可以給網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器以及必須與該協(xié)調器建立連接的網(wǎng)絡(luò )設備分配一個(gè)合適的信道掩碼。作為一個(gè)標準步驟，協(xié)調器將執行能量檢測掃描，以便從信道掩碼中挑選出“活躍性最差”的信道。

值得注意的是，除了給掩碼分配單個(gè)信道外，沒(méi)有其它方法能強制協(xié)調器工作在特定信道上。不過(guò)強烈建議在信道掩碼中至少要保持兩個(gè)信道，因為來(lái)自WiFi網(wǎng)絡(luò )、藍牙耳機和其它電子設備的帶內干擾會(huì )臨時(shí)占用本來(lái)是空閑的特定信道，致使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )癱瘓。在信道掩碼中留有多個(gè)信道不僅給協(xié)調器提供了信道選擇余地，今后還能讓它靈活地切換到擁塞程度較低的信道。

圖2：ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲。

根據PANID進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )劃分

最后一種策略是根據PANID劃分網(wǎng)絡(luò )，這種方法的效率公認要比根據物理信道劃分網(wǎng)絡(luò )的方法低。PANID是一個(gè)給定網(wǎng)絡(luò )中所有設備都知道的唯一標識符。使用不同PANID的設備之間是無(wú)法通信的，從而允許多個(gè)網(wǎng)絡(luò )共存于同一區域，而且其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的數據不會(huì )在另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中出現。事實(shí)上，具有不同PANID的多個(gè)網(wǎng)絡(luò )都可以使用相同的物理信道實(shí)現相互間的通信。

雖然根據PANID分割網(wǎng)絡(luò )不會(huì )影響空中擁塞程度，但可以通過(guò)在堆棧的較低層濾除來(lái)自相鄰網(wǎng)絡(luò )設備(具有另外一個(gè)PANID)的業(yè)務(wù)而減少每個(gè)節點(diǎn)處的處理開(kāi)銷(xiāo)量。在大多數情況下，濾除工作可以由PHY層硬件自動(dòng)完成，從而釋放更多的應用資源和時(shí)間。對于應用處理和路由開(kāi)銷(xiāo)占主導的應用而言，根據PANID進(jìn)行劃分的方法能夠非常有效地在給定區域內容納更多的節點(diǎn)。

基于PANID分段的一個(gè)好處是具有相對較多的可能唯一分段，準確地講可達216個(gè)。雖然只有26個(gè)物理信道，但PANID為實(shí)現分段提供了更靈活的方法，盡管效率較低。大多數無(wú)線(xiàn)系統將同時(shí)使用PANID分段和信道數量分段的組合策略?？傊?，在解決網(wǎng)絡(luò )擁塞問(wèn)題時(shí)這種組合策略可以提供最佳的靈活性和效率折衷方案。

圖3：居民住宅樓內的無(wú)線(xiàn)抄表應用。

吞吐量

另外一個(gè)需要仔細考慮的設計因素是吞吐量。簡(jiǎn)單地說(shuō)，吞吐量指的是一個(gè)設備在單位時(shí)間內希望傳送的有用數據總量。許多系統工程師錯誤地認為系統具有比實(shí)際可用帶寬大得多的帶寬(有時(shí)甚至超出一個(gè)數量級)，從而導致性能差或無(wú)法運行的設備和失敗的設計。

導致這個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題的原因是802.15.4網(wǎng)絡(luò )鏈路宣稱(chēng)有250kbps的介質(zhì)容量。實(shí)際上，這個(gè)數字指的是理論上的物理極限，也就是PHY層的有效帶寬。它忽略了物理層上其它堆棧層引起的協(xié)議延時(shí)、處理和解析每個(gè)數據包的開(kāi)銷(xiāo)、介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間、數據確認機制和誤碼率。根據我們的經(jīng)驗，在相隔一跳的兩個(gè)ZigBee節點(diǎn)之間建立的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的傳輸速率不超過(guò)110到120kbps。在引入確認機制后，這個(gè)速率還要下降近一半。在任一給定時(shí)間點(diǎn)有3到5個(gè)節點(diǎn)試圖訪(fǎng)問(wèn)共享介質(zhì)的典型網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中，這個(gè)傳輸速率還將進(jìn)一步降低到數十kbps。

顯然，20~40kbps與標準宣稱(chēng)的最大250kbps有很大差異，而一個(gè)缺乏經(jīng)驗的系統工程師往往不知道這種差異，直到悔之晚矣。關(guān)鍵是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )從來(lái)沒(méi)有打算要支持高帶寬的應用。相反，其目標市場(chǎng)是具有低帶寬要求的相對大型網(wǎng)絡(luò )。如果有個(gè)傳感器是產(chǎn)生100kbps數據流的視頻攝像機，那么無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和ZigBee肯定不是最好的選擇，市場(chǎng)上有其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)能更好地完成這個(gè)工作。

盡管吞吐量期望值和某種技術(shù)能夠支持的指標不匹配很常見(jiàn)，但仍可以合理使用這種技術(shù)，并通過(guò)帶寬優(yōu)化在目標環(huán)境中高效地運行。例如考慮每秒采樣100次的溫度傳感器。每次用一個(gè)數據包發(fā)送一個(gè)樣值將是一個(gè)較差的設計選擇。事實(shí)上，由于前面提到的網(wǎng)絡(luò )擁塞和級聯(lián)重傳故障問(wèn)題，這樣做將給網(wǎng)絡(luò )健康帶來(lái)不良后果。一個(gè)更好的策略是，將多個(gè)樣值匯聚到一個(gè)數據包中，因為在大多數情況下，最大的數據包比較小的數據包更優(yōu)。

當匯聚無(wú)法實(shí)現時(shí)，可以用本地處理來(lái)降低帶寬要求。讓我們考慮具有低門(mén)限和高門(mén)限的典型自動(dòng)調溫器應用。只要這些溫度讀數落在可接受的溫度范圍內，那么絕對不需要發(fā)送瞬時(shí)溫度讀數。節點(diǎn)可以使用本地處理功能來(lái)判斷何時(shí)讀數超出規定范圍，并在需要時(shí)才發(fā)送數據以警示另一個(gè)遠程設備。減少待發(fā)送數據量的另一個(gè)策略是采用某種形式的數據求和或平均算法。

然而需要注意的是，當多個(gè)物理事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，即使是高度優(yōu)化的設備也會(huì )遭遇擁塞。如果整個(gè)樓層的溫度上升，可能會(huì )出現許多自動(dòng)調溫器希望立即發(fā)送溫度讀數。對付這樣的帶寬峰值的一個(gè)實(shí)用方法是隨機化傳送延時(shí)。顯然，MAC層的重傳就是一種隨機化處理，但它無(wú)助于防止碰撞，它只在發(fā)生碰撞后起作用。應用層的延時(shí)如果做得好可以有效減少碰撞于發(fā)生之前。當每小時(shí)有數百個(gè)節點(diǎn)需要發(fā)送數據包，最佳設計會(huì )把傳送均勻分配在整個(gè)時(shí)段內，以盡量減少碰撞的機會(huì )。在有大量傳送的場(chǎng)合，強烈建議系統工程師采用這種策略。