無線傳感器網(wǎng)絡的應用市場和解決方案

性能度量指標

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

當開發(fā)無線數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)時，有幾項性能指標是必須滿足的。首先，系統(tǒng)必須滿足一個最小可靠性目標。就工業(yè)應用而言，目標通常是至少接收 99.9% 的生成數(shù)據(jù)，因為丟失的數(shù)據(jù)會觸發(fā)代價高昂的警報條件。其次，系統(tǒng)必須支持一定的吞吐量，即每秒傳送若干個傳感器數(shù)據(jù)包。第三，這些數(shù)據(jù)包僅當其在某個最大延遲周期以內收到時才有效。許多處理器依靠的是最新數(shù)據(jù)更新 —— 對于控制來說，過期數(shù)據(jù)或許不具備實用性。第四，不少系統(tǒng)必須在嚴苛的環(huán)境中運作，此類環(huán)境包括寬溫度范圍及本質安全限制條件。只有那些滿足了所有上述四項要求的解決方案才被認為適合做進一步的評估。

當研究各種滿足相關要求的解決方案時，關鍵的選擇標準變成了“擁有成本”和“靈活性”。擁有成本涵蓋多個方面：產品開發(fā)、安裝、硬件以及設備使用期限內的供電。與有線解決方案相比，無線技術大幅度地降低了安裝成本，不過，電池供電型無線設備卻有可能需要在網(wǎng)絡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行權衡，即：構建具有少量高功率設備的網(wǎng)絡 (以降低硬件成本) 抑或構筑采用大量低功率設備的網(wǎng)絡。對于那些由能量收集單元 (例如：太陽能、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來，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)絡的設計必須具備高度的靈活性。網(wǎng)絡所安裝的傳感器數(shù)量必須是可調節(jié)的 (從少到多)，網(wǎng)絡的密度也須具備從低到高的調節(jié)范圍。為了在多種多樣的無線環(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，而且當個別設備丟失時，網(wǎng)絡應能繼續(xù)正常運行。附加的資源 (包括更多的無線鏈路、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。

挑戰(zhàn)

就實質而言，無線通道是不可靠的，而且許多現(xiàn)象都會阻止一個已發(fā)送的數(shù)據(jù)包到達接收器。此類現(xiàn)象之一就是干擾。假如兩個獨立的發(fā)送器在同一個通道上傳送數(shù)據(jù)，它們就有可能在接收器的無線電路中損壞彼此的信號。這就要求發(fā)送器進行重發(fā)，代價將是時間和能源消耗的增加。

如果基礎媒體接入技術未排定無爭用通信，則干擾可能來自同一個網(wǎng)絡。倘若兩個發(fā)送器能夠“聽到”接收器，但相互之間聽不到 ，那就特別成問題了，它需要退下來并用確認機理來解決沖突。

干擾也可能來自工作于相同無線電空間里的另一個網(wǎng)絡，或者一種使用同一頻段的不同無線電技術。后者尤其存在于無需申請許可的頻段，例如：2.400 至 2.485GHz 的儀表、科學和醫(yī)學 (ISM) 頻段、Wi-Fi、藍牙和 802.15.4 等都工作在此頻段上。

第二種現(xiàn)象是多徑衰落，它會阻止一個已發(fā)送的數(shù)據(jù)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”，當接收器同時接收到發(fā)送器通過視線路徑傳送的信號以及環(huán)境中的物體 所反射的同一信號時，就會發(fā)生此類現(xiàn)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間不一樣，從而有可能產生破壞性的干擾。20dB ~ 30dB 的衰落并不是少見。

多徑衰落取決于環(huán)境中每個物體的位置和性質，而且在任何實際設置中都是不可預知的。一個優(yōu)良的特性是：假如某個數(shù)據(jù)包因多徑衰落之故而未被接收，那么在一個不同的頻率上重新進行發(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，構建可靠無線系統(tǒng)的關鍵在于充分利用通道和路徑分集。

解決方案

如前文所述，一項非常適合解決 WSN 問題的技術是 IEEE 802.15.4。802.15.4 無線標準在多個無需申請許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 頻段擴頻 PHY 可提供噪聲免疫力 —— 對于專為有可能工作于擁擠的免執(zhí)照頻段而設計的低能耗設備而言，這是一個特別重要的特性。該標準還定義了一個基于可靠和經確認數(shù)據(jù)包的 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專有和基于標準之協(xié)議的基礎，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 802.15.4 2.4GHz PHY 和一個基于 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)先級和基于時間的驗證。它具有一個提供了路徑和端到端安全性的網(wǎng)絡層，以及一個薄的不可靠/ 可靠網(wǎng)格傳輸層。WirelessHART 協(xié)議規(guī)定了時隙定時、設備保持同步的方法、以及設備如何通過在重復的超幀上將時間劃分為分隙式通信機會 (時隙) 來安排時間 / 通道通信機會。制定該協(xié)議的目的在于實現(xiàn)無線設備與工業(yè)過程監(jiān)視和控制應用中廣泛使用的現(xiàn)有有線 HART 設備的無縫集成。WirelessHART 擴展了 HART 應用層命令集，添加了用于管理無線資源和監(jiān)視網(wǎng)絡健康狀況的命令。WirelessHART 網(wǎng)絡是高度可靠的網(wǎng)格，即使在設備不具備視線且間隔數(shù)十至數(shù)百米的情況下，每部設備都擁有多個其可發(fā)送數(shù)據(jù)的相鄰設備，從而提供了實現(xiàn)高可靠性所需的路徑分集。WirelessHART 網(wǎng)絡采取中央管理的方式，大多數(shù)網(wǎng)絡“智能”都存在于一個管理器之中?，F(xiàn)場設備 (無線傳感器) 負責報告狀態(tài)信息，管理器利用這些信息來訓練和優(yōu)化網(wǎng)絡，而傳感器數(shù)據(jù)則被通報至一個被稱為網(wǎng)關的應用代理。

今年早些時候發(fā)布了新的 802.15.4e 修正案，其中正式確定了時隙式通道跳頻特性 (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網(wǎng)絡) 的機理，提供了基于時間的安全性，并規(guī)定了分隙式通信和跳頻序列。它在“信息元素”中大量運用了數(shù)據(jù)封裝，這使得能夠進行MAC的定制擴展，而不必等待標準的更新。其旨在簡化多層協(xié)議的開發(fā)，并專為耦合至一個6LoWPAN壓縮型IPv6網(wǎng)絡層而特別設計。