用無(wú)線(xiàn)傳感器組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　摘要：物聯(lián)網(wǎng)的愿景之一是能夠測量以前從未測量過(guò)的變量。無(wú)論應用是監視基礎設施老化 (例如橋梁、隧道或電力傳輸線(xiàn)的老化)，還是實(shí)時(shí)提供停車(chē)及交通信息，都需要無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) (WSN) 提供與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)似的性能，而且適合實(shí)際部署。傳感器網(wǎng)絡(luò )要能夠擴展至包含大量無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，而且在很多情況下，需要跨越很長(cháng)的距離。

　　促進(jìn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )廣泛采用的關(guān)鍵因素

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )要想得到廣泛采用，必須適合實(shí)際部署，并能夠可靠地運行很多年(通常超過(guò)10年)。為了實(shí)現這樣的目標，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須滿(mǎn)足一些關(guān)鍵要求：

　　● 在任何地方都能夠放置傳感器 ─測量點(diǎn)必須置于最適合檢測的地方，但這種地方未必最適合通信。因此，放置傳感器節點(diǎn)的地方常常未必便于通信連接或便于連接電力基礎設施，而是常常處于富挑戰性的RF環(huán)境中(例如，靠近大地、在隧道中、在汽車(chē)底下或深入機器內部)。

　　● 很少需要維護─無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須能夠在絕大部分情況下進(jìn)行自我維護，而且任何物理維護(例如更換電池)都必須在無(wú)需“上門(mén)服務(wù)” 或沒(méi)有技術(shù)人員到場(chǎng)的情況下完成。例如，在智能停車(chē)應用中，嵌入到街道下面的電池供電傳感器僅在滿(mǎn)足如下條件時(shí)才允許使用：其更換周期與道路定期維修周期相同，而道路定期維修通常為5至7年才進(jìn)行一次。在其他應用中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )要能夠連續使用10年以上。

　　● 通信可靠性─必須能夠可靠地與所有傳感器通信，盡管這些傳感器可能位于非常嚴苛的RF環(huán)境中。

　　● 可擴展性─無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須滿(mǎn)足各種類(lèi)似但又不完全相同的部署要求，例如適合各種網(wǎng)絡(luò )規模(無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)數量及覆蓋的地域范圍)、深度(即節點(diǎn)與數據出口點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)跳轉次數)及大小不同的數據流量等。

　　在不可預測的介質(zhì)上建立可預測的網(wǎng)絡(luò )

　　如果不做出折中，低功率難以實(shí)現─有很多無(wú)線(xiàn)傳感器聯(lián)網(wǎng)方法是針對低功耗運行情況而設計的。有些無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(例如 ZigBee)僅在網(wǎng)絡(luò )邊緣處的檢測設備上實(shí)現低功率，但任何傳送節點(diǎn)都需要線(xiàn)路功率。其他一些網(wǎng)絡(luò )則引入了基本的占空比方法，稱(chēng)為“信標”，采用這種方法時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )在很長(cháng)的時(shí)段內停機，處于低功率休眠模式，但是這種方法犧牲了網(wǎng)絡(luò )可用性和網(wǎng)絡(luò )總體容量。然而，針對物聯(lián)網(wǎng)的應用，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )必須能夠滿(mǎn)足規模非常大的網(wǎng)絡(luò )需求，并按照均勻的時(shí)間間隔發(fā)布數據。因此挑戰是，在不犧牲可靠性或網(wǎng)絡(luò )可用性的前提下實(shí)現低功率。

　　RF環(huán)境是不可預測─RF是一種不可預測的通信介質(zhì)。在有線(xiàn)通信環(huán)境中，通信信號通過(guò)電纜系統屏蔽，與外界隔離，與此不同，RF露天傳播，需要與周?chē)h(huán)境互動(dòng)。但是RF傳輸源有可能引起有源干擾。較常見(jiàn)的是多徑衰落的影響，即RF信號遇到周?chē)砻婧?，反射回?lái)的異相信號可能衰減 RF信號本身。手機用戶(hù)每天都會(huì )遭遇多徑衰落問(wèn)題，例如手機可能在一個(gè)地點(diǎn)信號強度不佳，但是只需移動(dòng)幾厘米，信號強度就可得到改善。此外，多徑衰落影響隨時(shí)間變化而改變，因為附近的反射表面 (例如人、車(chē)、門(mén)等) 一般會(huì )移動(dòng)。最終結果是，隨著(zhù)時(shí)間變化，任何RF通道都會(huì )遭遇信號質(zhì)量顯著(zhù)變化的問(wèn)題。不過(guò)，既然多徑衰落對每個(gè)RF通道的影響是不同的，那么用通道跳頻實(shí)現頻率多樣性，可以最大限度地減小多徑衰落的負面影響。因此無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )面臨的挑戰就變成，能否在大型網(wǎng)絡(luò )上采用可多次跳轉的跳頻方法。

　　時(shí)間同步通道跳頻網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )

　　采用凌力爾特公司的Dust Networks產(chǎn)品部率先開(kāi)發(fā)的時(shí)間同步通道跳頻(Time Synchronized Channel Hopping，簡(jiǎn)稱(chēng) TSCH)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，可以實(shí)現可靠的低功率無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，而且這種網(wǎng)絡(luò )在某些最嚴苛的環(huán)境中已經(jīng)得到證實(shí)。TSCH已經(jīng)成為 WirelessHART(IEC62591)等現有工業(yè)無(wú)線(xiàn)標準的基本構件，也是實(shí)現新興和基于IP協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )標準的有利部份。

　　在TSCH網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)共同的時(shí)間標準，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的準確度在幾十微妙內。網(wǎng)絡(luò )通信安排在各個(gè)時(shí)隙中，以實(shí)現低功率數據包交換、配對的通道跳頻和全面的路徑多樣性。