無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用市場(chǎng)和解決方案

性能度量指標(biāo)

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

當(dāng)開(kāi)發(fā)無(wú)線數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)時(shí)，有幾項(xiàng)性能指標(biāo)是必須滿足的。首先，系統(tǒng)必須滿足一個(gè)最小可靠性目標(biāo)。就工業(yè)應(yīng)用而言，目標(biāo)通常是至少接收 99.9% 的生成數(shù)據(jù)，因?yàn)閬G失的數(shù)據(jù)會(huì)觸發(fā)代價(jià)高昂的警報(bào)條件。其次，系統(tǒng)必須支持一定的吞吐量，即每秒傳送若干個(gè)傳感器數(shù)據(jù)包。第三，這些數(shù)據(jù)包僅當(dāng)其在某個(gè)最大延遲周期以內(nèi)收到時(shí)才有效。許多處理器依靠的是最新數(shù)據(jù)更新 —— 對(duì)于控制來(lái)說(shuō)，過(guò)期數(shù)據(jù)或許不具備實(shí)用性。第四，不少系統(tǒng)必須在嚴(yán)苛的環(huán)境中運(yùn)作，此類(lèi)環(huán)境包括寬溫度范圍及本質(zhì)安全限制條件。只有那些滿足了所有上述四項(xiàng)要求的解決方案才被認(rèn)為適合做進(jìn)一步的評(píng)估。

當(dāng)研究各種滿足相關(guān)要求的解決方案時(shí)，關(guān)鍵的選擇標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備使用期限內(nèi)的供電。與有線解決方案相比，無(wú)線技術(shù)大幅度地降低了安裝成本，不過(guò)，電池供電型無(wú)線設(shè)備卻有可能需要在網(wǎng)絡(luò)的使用期限內(nèi)更換電池。另外，還需要在以下兩種選擇方案之間進(jìn)行權(quán)衡，即：構(gòu)建具有少量高功率設(shè)備的網(wǎng)絡(luò) (以降低硬件成本) 抑或構(gòu)筑采用大量低功率設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于那些由能量收集單元 (例如：太陽(yáng)能、熱電) 供電的設(shè)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(diào)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(yù)知，因此網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須具備高度的靈活性。網(wǎng)絡(luò)所安裝的傳感器數(shù)量必須是可調(diào)節(jié)的 (從少到多)，網(wǎng)絡(luò)的密度也須具備從低到高的調(diào)節(jié)范圍。為了在多種多樣的無(wú)線環(huán)境中保持堅(jiān)固性，資源配置應(yīng)確保設(shè)備可在適度干擾的條件下可靠地通信，而且當(dāng)個(gè)別設(shè)備丟失時(shí)，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能繼續(xù)正常運(yùn)行。附加的資源 (包括更多的無(wú)線鏈路、用于每部設(shè)備的更多相鄰設(shè)備、或更多的信號(hào)放大) 可改善可靠性與延遲。所有這些附加資源都將導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的解決方案可避免采用單一供應(yīng)商組件時(shí)所遇到供應(yīng)鏈難以預(yù)測(cè)的變化，并可保證同意在運(yùn)作的管理原理。

挑戰(zhàn)

就實(shí)質(zhì)而言，無(wú)線通道是不可靠的，而且許多現(xiàn)象都會(huì)阻止一個(gè)已發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達(dá)接收器。此類(lèi)現(xiàn)象之一就是干擾。假如兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)送器在同一個(gè)通道上傳送數(shù)據(jù)，它們就有可能在接收器的無(wú)線電路中損壞彼此的信號(hào)。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(chǔ)媒體接入技術(shù)未排定無(wú)爭(zhēng)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(rèn)機(jī)理來(lái)解決沖突。

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

第二種現(xiàn)象是多徑衰落，它會(huì)阻止一個(gè)已發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達(dá)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(dāng)接收器同時(shí)接收到發(fā)送器通過(guò)視線路徑傳送的信號(hào)以及環(huán)境中的物體 所反射的同一信號(hào)時(shí)，就會(huì)發(fā)生此類(lèi)現(xiàn)象。由于那些“拷貝信號(hào)”的傳輸距離不同，因此它們到達(dá)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(shè)置中都是不可預(yù)知的。一個(gè)優(yōu)良的特性是：假如某個(gè)數(shù)據(jù)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(gòu)建可靠無(wú)線系統(tǒng)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(xiàng)非常適合解決 WSN 問(wèn)題的技術(shù)是 IEEE 802.15.4。802.15.4 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)在多個(gè)無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可的頻段中提供了低功率、低數(shù)據(jù)速率 PHY，這些頻段包括可在北美地區(qū)使用的 915MHz 頻段和全球可用的 2.4GHz ISM 頻段。2.4GHz 頻段擴(kuò)頻 PHY 可提供噪聲免疫力 —— 對(duì)于專(zhuān)為有可能工作于擁擠的免執(zhí)照頻段而設(shè)計(jì)的低能耗設(shè)備而言，這是一個(gè)特別重要的特性。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了一個(gè)基于可靠和經(jīng)確認(rèn)數(shù)據(jù)包的 MAC 層，其具有任選的加密和驗(yàn)證功能。這種靈活的解決方案構(gòu)成了多個(gè)專(zhuān)有和基于標(biāo)準(zhǔn)之協(xié)議的基礎(chǔ)，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(biāo)準(zhǔn)的 802.15.4 MAC 增添了同步、通道跳頻、優(yōu)先級(jí)和基于時(shí)間的驗(yàn)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(guī)定了時(shí)隙定時(shí)、設(shè)備保持同步的方法、以及設(shè)備如何通過(guò)在重復(fù)的超幀上將時(shí)間劃分為分隙式通信機(jī)會(huì) (時(shí)隙) 來(lái)安排時(shí)間 / 通道通信機(jī)會(huì)。制定該協(xié)議的目的在于實(shí)現(xiàn)無(wú)線設(shè)備與工業(yè)過(guò)程監(jiān)視和控制應(yīng)用中廣泛使用的現(xiàn)有有線 HART 設(shè)備的無(wú)縫集成。WirelessHART 擴(kuò)展了 HART 應(yīng)用層命令集，添加了用于管理無(wú)線資源和監(jiān)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(shè)備不具備視線且間隔數(shù)十至數(shù)百米的情況下，每部設(shè)備都擁有多個(gè)其可發(fā)送數(shù)據(jù)的相鄰設(shè)備，從而提供了實(shí)現(xiàn)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(shù)網(wǎng)絡(luò)“智能”都存在于一個(gè)管理器之中?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備 (無(wú)線傳感器) 負(fù)責(zé)報(bào)告狀態(tài)信息，管理器利用這些信息來(lái)訓(xùn)練和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，而傳感器數(shù)據(jù)則被通報(bào)至一個(gè)被稱為網(wǎng)關(guān)的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)定義了用于通告同步化信息 (以使設(shè)備能同步至一個(gè)網(wǎng)絡(luò)) 的機(jī)理，提供了基于時(shí)間的安全性，并規(guī)定了分隙式通信和跳頻序列。它在“信息元素”中大量運(yùn)用了數(shù)據(jù)封裝，這使得能夠進(jìn)行MAC的定制擴(kuò)展，而不必等待標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)。