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

圖3：居民住宅樓內(nèi)的無線抄表應(yīng)用。

吞吐量

另外一個(gè)需要仔細(xì)考慮的設(shè)計(jì)因素是吞吐量。簡單地說，吞吐量指的是一個(gè)設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)希望傳送的有用數(shù)據(jù)總量。許多系統(tǒng)工程師錯(cuò)誤地認(rèn)為系統(tǒng)具有比實(shí)際可用帶寬大得多的帶寬(有時(shí)甚至超出一個(gè)數(shù)量級(jí))，從而導(dǎo)致性能差或無法運(yùn)行的設(shè)備和失敗的設(shè)計(jì)。

導(dǎo)致這個(gè)常見問題的原因是802.15.4網(wǎng)絡(luò)鏈路宣稱有250kbps的介質(zhì)容量。實(shí)際上，這個(gè)數(shù)字指的是理論上的物理極限，也就是PHY層的有效帶寬。它忽略了物理層上其它堆棧層引起的協(xié)議延時(shí)、處理和解析每個(gè)數(shù)據(jù)包的開銷、介質(zhì)訪問時(shí)間、數(shù)據(jù)確認(rèn)機(jī)制和誤碼率。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，在相隔一跳的兩個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間建立的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的傳輸速率不超過110到120kbps。在引入確認(rèn)機(jī)制后，這個(gè)速率還要下降近一半。在任一給定時(shí)間點(diǎn)有3到5個(gè)節(jié)點(diǎn)試圖訪問共享介質(zhì)的典型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，這個(gè)傳輸速率還將進(jìn)一步降低到數(shù)十kbps。

顯然，20~40kbps與標(biāo)準(zhǔn)宣稱的最大250kbps有很大差異，而一個(gè)缺乏經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)工程師往往不知道這種差異，直到悔之晚矣。關(guān)鍵是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從來沒有打算要支持高帶寬的應(yīng)用。相反，其目標(biāo)市場是具有低帶寬要求的相對大型網(wǎng)絡(luò)。如果有個(gè)傳感器是產(chǎn)生100kbps數(shù)據(jù)流的視頻攝像機(jī)，那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee肯定不是最好的選擇，市場上有其它無線技術(shù)能更好地完成這個(gè)工作。

盡管吞吐量期望值和某種技術(shù)能夠支持的指標(biāo)不匹配很常見，但仍可以合理使用這種技術(shù)，并通過帶寬優(yōu)化在目標(biāo)環(huán)境中高效地運(yùn)行。例如考慮每秒采樣100次的溫度傳感器。每次用一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送一個(gè)樣值將是一個(gè)較差的設(shè)計(jì)選擇。事實(shí)上，由于前面提到的網(wǎng)絡(luò)擁塞和級(jí)聯(lián)重傳故障問題，這樣做將給網(wǎng)絡(luò)健康帶來不良后果。一個(gè)更好的策略是，將多個(gè)樣值匯聚到一個(gè)數(shù)據(jù)包中，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，最大的數(shù)據(jù)包比較小的數(shù)據(jù)包更優(yōu)。

當(dāng)匯聚無法實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以用本地處理來降低帶寬要求。讓我們考慮具有低門限和高門限的典型自動(dòng)調(diào)溫器應(yīng)用。只要這些溫度讀數(shù)落在可接受的溫度范圍內(nèi)，那么絕對不需要發(fā)送瞬時(shí)溫度讀數(shù)。節(jié)點(diǎn)可以使用本地處理功能來判斷何時(shí)讀數(shù)超出規(guī)定范圍，并在需要時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)以警示另一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備。減少待發(fā)送數(shù)據(jù)量的另一個(gè)策略是采用某種形式的數(shù)據(jù)求和或平均算法。

然而需要注意的是，當(dāng)多個(gè)物理事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，即使是高度優(yōu)化的設(shè)備也會(huì)遭遇擁塞。如果整個(gè)樓層的溫度上升，可能會(huì)出現(xiàn)許多自動(dòng)調(diào)溫器希望立即發(fā)送溫度讀數(shù)。對付這樣的帶寬峰值的一個(gè)實(shí)用方法是隨機(jī)化傳送延時(shí)。顯然，MAC層的重傳就是一種隨機(jī)化處理，但它無助于防止碰撞，它只在發(fā)生碰撞后起作用。應(yīng)用層的延時(shí)如果做得好可以有效減少碰撞于發(fā)生之前。當(dāng)每小時(shí)有數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包，最佳設(shè)計(jì)會(huì)把傳送均勻分配在整個(gè)時(shí)段內(nèi)，以盡量減少碰撞的機(jī)會(huì)。在有大量傳送的場合，強(qiáng)烈建議系統(tǒng)工程師采用這種策略。