為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)正確選擇無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用

　　無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)得到了越來越廣泛的采用，因?yàn)檫@類網(wǎng)絡(luò)能夠利用功率相對(duì)低的無線電設(shè)備在節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)信息，并覆蓋很大的區(qū)域，還能夠使用替代的通路和途徑以克服干擾問題，保持很高的可靠性。尤其是有一種稱為時(shí)間同步通道跳頻 (TSCH) 的網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)由凌力爾特的 Dust Networks 率先提出，并已納入 WirelessHART 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。TSCH 經(jīng)過實(shí)用驗(yàn)證，可提供工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需性能。TSCH 網(wǎng)絡(luò)一般提供 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性，而且所有無線節(jié)點(diǎn) (甚至路由節(jié)點(diǎn)) 的小型鋰電池之壽命都長(zhǎng)達(dá)多年。相比之下，其他各種網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)盡管采用的技術(shù)聽起來類似 (例如，“頻率捷變”相對(duì)于“通道跳頻”，“休眠”相對(duì)于“時(shí)間同步” 網(wǎng)格)，但是所提供的性能卻顯著不同。因此，這些無線網(wǎng)絡(luò)的不同細(xì)節(jié)決定了，協(xié)議選擇對(duì) WSN(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))的性能以及網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)用的總體適用性有極大影響。

　　1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

　　無線從本質(zhì)上而言是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的來源，以考慮怎樣在通信系統(tǒng)中應(yīng)對(duì)這問題。有線通信中，通信信號(hào)受到電纜屏蔽，不與外界接觸。與此不同，RF 信號(hào)露天傳播，與周圍環(huán)境相互影響。因此其他 RF 信號(hào)傳輸源有可能對(duì)有用 RF 信號(hào)造成有效干擾。

　　不過，更為常見的問題是多徑衰落的影響，所謂多徑衰落，即 RF 信號(hào)可能因其自身從周圍表面反射回來且反射信號(hào)之間相位不同而被衰減 (圖 1)。手機(jī)用戶每天都會(huì)遇到多徑衰落問題，當(dāng)在某一點(diǎn)手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度似乎很弱時(shí)，可能只需移動(dòng)幾厘米，信號(hào)強(qiáng)度就能改善。多徑衰落的影響隨時(shí)間而變，因?yàn)楦浇姆瓷浔砻?(例如人、車、門等) 一般會(huì)移動(dòng)。最終結(jié)果是，隨著時(shí)間推移，任一 RF 通道的信號(hào)質(zhì)量都會(huì)發(fā)生很大變化。

　　使這種挑戰(zhàn)更加嚴(yán)峻的是，多徑衰落是不可預(yù)測(cè)的。按照定義，網(wǎng)絡(luò)必須在通道性能受到多經(jīng)衰落影響 (因此也要估算這種影響) 的通道上有效傳送數(shù)據(jù)。因此，盡管運(yùn)用簡(jiǎn)單的無源信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量方法 (RSSI) 測(cè)量未用通道的概念可能有助于檢測(cè)有源干擾信號(hào)，但是用這種方法卻不可能預(yù)測(cè)多徑衰落情況下的通道適用性。

　　幸運(yùn)的是，既然多徑衰落對(duì)每個(gè) RF 通道的影響都不同，而且隨時(shí)間推移不斷變化，那么采用通道跳頻實(shí)現(xiàn)頻率多樣性，就可以最大限度減小多徑衰落的負(fù)面影響。WSN 協(xié)議面臨的挑戰(zhàn)是，能否在大型多跳網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)用通道跳頻技術(shù)。

　　2 在WSN中的常見采用方法

　　為了解在受到這些限制的情況下，WSN 性能有何不同，我們先要看一看，在一些無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，為實(shí)現(xiàn)頻率多樣性并降低功耗，常常采用哪些方法。

　　(1)單通道 WSN 和通道捷變 在一些簡(jiǎn)單的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)中，一種常見方法是讓所有節(jié)點(diǎn)都在單一通道上工作。既然僅用一個(gè) RF 通道，那么按照定義，一次只能有一個(gè)設(shè)備發(fā)送信號(hào)。由于相對(duì)易于實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧開發(fā)人員依然常常選擇單通道工作方式，而以這種方式提供的 WSN 幾乎沒有頻率多樣性。

　　為了應(yīng)對(duì)通道中存在的有源 RF 干擾問題，有些單通道 WSN 采用了所謂的通道捷變機(jī)制。采用這種機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)可以向所有節(jié)點(diǎn)廣播信息，以改變工作通道。不過，即使在通道捷變網(wǎng)絡(luò)中，在任一時(shí)間點(diǎn)上，網(wǎng)絡(luò)仍然在單一通道上工作。采用通道捷變方法的前提是，假定存在一個(gè)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都足夠好的通道。然而，真實(shí)數(shù)據(jù)顯示，在多徑衰落的影響下，任何 RF 通道在網(wǎng)絡(luò)壽命期內(nèi)，都會(huì)經(jīng)歷嚴(yán)重的路徑劣化問題，這會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在幾分鐘甚至幾小時(shí)內(nèi)無法工作。盡管采用通道捷變方法的網(wǎng)絡(luò)可以改變通道，避開某個(gè)有源干擾信號(hào)，但是既然該網(wǎng)絡(luò)仍然在單一通道上工作，那么就仍然易于受到多徑衰落的災(zāi)難性影響。

　　(2) 全網(wǎng)絡(luò)休眠動(dòng)態(tài)占空比 (Duty Cycling by Network Wide Sleeping) 為了以低功率運(yùn)行，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行某種形式的占空比調(diào)節(jié)，以最大限度減少有效運(yùn)行 (例如發(fā)送、接收等，這時(shí)通常消耗數(shù) mA 功率) 時(shí)間所占百分比，同時(shí)最大限度增大低功耗休眠模式 (一般吸取 1mA 或更小的電流) 在時(shí)間上所占百分比。有些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用了全網(wǎng)絡(luò)休眠方法 (有時(shí)稱為“休眠型”網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò))，采用這種方法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)會(huì)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)同時(shí)處于低功耗休眠狀態(tài)，并幾乎在開始發(fā)送 / 接收 / 轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)流量的同時(shí)喚醒。采用這種休眠方法時(shí)，網(wǎng)絡(luò)在待用期間完全不能用于通信。例如，如果一個(gè) WSN 在 1 小時(shí)喚醒一次，那么在這 1 小時(shí)中，該網(wǎng)絡(luò)不能發(fā)送報(bào)警信息，也不能接收來自控制器的信息，因此無法打開所附的報(bào)警指示器。還有一點(diǎn)也很重要，即需要考慮全網(wǎng)絡(luò)休眠方法對(duì) WSN 應(yīng)對(duì)真實(shí)運(yùn)行情況的能力有哪些影響。在較長(zhǎng)的休眠期內(nèi)，周圍 RF 環(huán)境仍然是動(dòng)態(tài)變化的。在網(wǎng)絡(luò)休眠時(shí)，任何信號(hào)通路出現(xiàn)不穩(wěn)定，都只能等網(wǎng)絡(luò)喚醒以后才能修復(fù)。更加麻煩的是，休眠型網(wǎng)絡(luò)往往是單通道網(wǎng)絡(luò)，這在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行期間進(jìn)一步給網(wǎng)絡(luò)增加了壓力，同時(shí)增加了通信不穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)。

　　采用全網(wǎng)絡(luò)休眠方法的另一個(gè)反響是，用戶被迫接受低于應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)速率 (因此也就少于應(yīng)用所要求的數(shù)據(jù))。這種折中令人遺憾，因?yàn)?WSN 的主要用途是可靠傳送數(shù)據(jù)，并通過這些數(shù)據(jù)更深入地洞察用戶系統(tǒng)，確定是否存在不良運(yùn)行趨勢(shì)和效率低的問題，例如是否因發(fā)動(dòng)機(jī)老化而出現(xiàn)了性能劣化，或者零售店中的冷藏設(shè)備是否因太過陳舊而周期性地增大了功耗。如果由于網(wǎng)絡(luò)限制而使 WSN 提供的數(shù)據(jù)過于稀疏，那么 WSN 的實(shí)用性和洞察能力就變得有限了，而且就監(jiān)視 / 控制系統(tǒng)這一總體價(jià)值主張而言，也有實(shí)現(xiàn)效果大打折扣的風(fēng)險(xiǎn)。

　　3 時(shí)間同步通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

　　時(shí)間同步通道跳頻 (TSCH) 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)跨整個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的時(shí)間同步，嚴(yán)密協(xié)調(diào)通信及頻道使用。在 TSCH 網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)都采用共同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度在數(shù) 10 微妙以內(nèi)。相鄰節(jié)點(diǎn)之間交換時(shí)間偏移信息，以保持時(shí)間同步。網(wǎng)絡(luò)通信被安排到多個(gè)時(shí)隙中，在這些時(shí)隙中，每個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送 / 接收都排定了時(shí)間。也就是說，每個(gè)時(shí)隙都足夠長(zhǎng) (例如 7.5ms)，以供發(fā)送節(jié)點(diǎn)喚醒、發(fā)送數(shù)據(jù)包并接收來自接收節(jié)點(diǎn)的鏈路層確認(rèn)信號(hào)。TSCH 網(wǎng)絡(luò)的流量傳送可以動(dòng)態(tài)地安排，這就實(shí)現(xiàn)了成對(duì)通道跳頻、完整路徑和頻率多樣性，也實(shí)現(xiàn)了低功耗數(shù)據(jù)包和高可用性占空比。