基于結(jié)構(gòu)化方法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由一些獨(dú)立、完全嵌入式操作的小體積低功耗節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)能夠檢測(cè)來自目標(biāo)環(huán)境的數(shù)據(jù)或控制目標(biāo)環(huán)境，并且相互間通過無線方式通信。檢測(cè)和控制是通過互連著的傳感器和激勵(lì)器完成的，而這些傳感器和激勵(lì)器或通過遠(yuǎn)程、或通過嵌入式應(yīng)用程序進(jìn)行管理。這些節(jié)點(diǎn)的數(shù)量從十幾個(gè)到數(shù)千個(gè)不等，一個(gè)典型系統(tǒng)由數(shù)百個(gè)分布于整座大樓或室外空間的節(jié)點(diǎn)組成。

許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用私有標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)無線組網(wǎng)，但最近的趨勢(shì)是逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化的低功耗無線通信發(fā)展。基于著名的802.15.4規(guī)范的ZigBee就是一種用于無線檢測(cè)和控制的標(biāo)準(zhǔn)。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(gòu)建的ZigBee還提供網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層規(guī)范。

ZigBee具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括可以實(shí)現(xiàn)多跳路由和數(shù)據(jù)發(fā)送的網(wǎng)格協(xié)議、安全規(guī)范和針對(duì)應(yīng)用層互操作性的整套參數(shù)設(shè)置。總之，ZigBee向嵌入式應(yīng)用開發(fā)人員提供了管理網(wǎng)絡(luò)以及連接其它節(jié)點(diǎn)的更高抽象層次。

雖然本文主要討論的是ZigBee，但其中許多觀點(diǎn)和結(jié)論同樣也適用于采用802.15.4 MAC和PHY的其它標(biāo)準(zhǔn)。為了避免出現(xiàn)混亂，后文假設(shè)我們的目標(biāo)設(shè)計(jì)涉及的是使用網(wǎng)格路由協(xié)議、802.15.4兼容調(diào)制方案和介質(zhì)訪問協(xié)議的多跳網(wǎng)絡(luò)。本文還假設(shè)讀者對(duì)ZigBee和802.15.4規(guī)范已有基本了解。

網(wǎng)絡(luò)組織和規(guī)模

網(wǎng)絡(luò)組織和規(guī)模也許是最重要的設(shè)計(jì)選項(xiàng)，它往往對(duì)接下來的設(shè)計(jì)過程起著告知和指導(dǎo)作用。它還有約束作用，因?yàn)榇笮途W(wǎng)絡(luò)通常更難設(shè)計(jì)和維護(hù)。幸運(yùn)的是，如今已經(jīng)有方法能輕松實(shí)現(xiàn)和維護(hù)非常大的網(wǎng)絡(luò)。

目前最先進(jìn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在300到500個(gè)節(jié)點(diǎn)之間。這個(gè)規(guī)模看起來不大，但試想一下，所有這些節(jié)點(diǎn)工作在同一物理信道上，彼此在同一時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的行為路由數(shù)據(jù)，并在同一時(shí)間試圖保持整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的完整性(通過發(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(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的802.15.4規(guī)范使用了CSMA/CA(載波偵聽多址訪問/碰撞避免)協(xié)議，也就是說，在各自“聽力”范圍內(nèi)沒有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能同時(shí)“說話”。如果同時(shí)“說話”，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(jí)聯(lián)傳輸故障，試圖發(fā)起空中訪問的節(jié)點(diǎn)將越來越多，從而加劇信道的擁擠。

事實(shí)上，在設(shè)計(jì)數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)以上的網(wǎng)絡(luò)時(shí)面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何有效地管理網(wǎng)絡(luò)擁塞(另外一個(gè)挑戰(zhàn)是在運(yùn)行時(shí)優(yōu)化用于存儲(chǔ)內(nèi)部堆棧狀態(tài)的系統(tǒng)資源)。下面的小節(jié)將簡(jiǎn)要介紹用于解決擁塞問題的三種不同策略。

圖1：基于802.15.4的ZigBee提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范。

網(wǎng)絡(luò)密度

顯然，“300個(gè)節(jié)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，也就是說在每個(gè)節(jié)點(diǎn)聽力范圍內(nèi)存在多少個(gè)節(jié)點(diǎn)，或者換句話說，一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)可以聽到多少個(gè)其它節(jié)點(diǎn)？專家建議是小于5個(gè)，因?yàn)檫@個(gè)數(shù)量支持冗余設(shè)計(jì)和相對(duì)無阻塞的通信介質(zhì)。7個(gè)節(jié)點(diǎn)以上的網(wǎng)絡(luò)很可能出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)砣木W(wǎng)段而加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。

一個(gè)相關(guān)的問題隨之而來，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師該如何判斷有多少個(gè)節(jié)點(diǎn)能被聽到？一個(gè)顯而易見的策略是定制嵌入式應(yīng)用程序。有關(guān)相鄰節(jié)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(jié)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(nèi)的每個(gè)其它節(jié)點(diǎn)接收到。相鄰表格可以被駐留程序查詢，并計(jì)算唯一性條目的數(shù)量。然后駐留程序再將這個(gè)診斷結(jié)果發(fā)送給指定節(jié)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)安裝過程中才有意義。一旦網(wǎng)絡(luò)安裝完畢并開始運(yùn)行，密度信息將在故障排除過程中發(fā)揮顧問的作用。

請(qǐng)注意，如果相鄰表格的大小小于周圍節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，ZigBee堆棧將強(qiáng)制周期性地撤消表格條目。這種撤消也可能負(fù)面影響總體網(wǎng)絡(luò)性能，因?yàn)榧词孤窂街袥]有節(jié)點(diǎn)離線，也會(huì)強(qiáng)制路由被重新發(fā)現(xiàn)。因此，除了限制網(wǎng)絡(luò)密度以避免擁塞外，還必須根據(jù)系統(tǒng)資源(如相鄰表格的大小)確定網(wǎng)絡(luò)密度。

在節(jié)點(diǎn)的物理位置由于應(yīng)用要求而被固定的情況下，網(wǎng)絡(luò)密度可以方便地通過降低擁塞區(qū)域中收發(fā)器的輸出功率來得到控制。從理論上講，降低輸出功率與增加節(jié)點(diǎn)間距離、使它們彼此聽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(shè)為最大值，以確保最大工作范圍和最佳鏈路質(zhì)量。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，在距離性能不很重要的室內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)合，輸出功率可以很容易降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，輸出功率降低3dBm，有效距離范圍可以縮短1.5倍。