用無線傳感器組成無線傳感器網絡

　　摘要：物聯(lián)網的愿景之一是能夠測量以前從未測量過的變量。無論應用是監(jiān)視基礎設施老化 (例如橋梁、隧道或電力傳輸線的老化)，還是實時提供停車及交通信息，都需要無線傳感器網絡 (WSN) 提供與有線網絡類似的性能，而且適合實際部署。傳感器網絡要能夠擴展至包含大量無線節(jié)點，而且在很多情況下，需要跨越很長的距離。

　　促進無線傳感器網絡廣泛采用的關鍵因素

　　無線傳感器網絡要想得到廣泛采用，必須適合實際部署，并能夠可靠地運行很多年(通常超過10年)。為了實現(xiàn)這樣的目標，無線傳感器網絡必須滿足一些關鍵要求：

　　● 在任何地方都能夠放置傳感器 ─測量點必須置于最適合檢測的地方，但這種地方未必最適合通信。因此，放置傳感器節(jié)點的地方常常未必便于通信連接或便于連接電力基礎設施，而是常常處于富挑戰(zhàn)性的RF環(huán)境中(例如，靠近大地、在隧道中、在汽車底下或深入機器內部)。

　　● 很少需要維護─無線傳感器網絡必須能夠在絕大部分情況下進行自我維護，而且任何物理維護(例如更換電池)都必須在無需“上門服務” 或沒有技術人員到場的情況下完成。例如，在智能停車應用中，嵌入到街道下面的電池供電傳感器僅在滿足如下條件時才允許使用：其更換周期與道路定期維修周期相同，而道路定期維修通常為5至7年才進行一次。在其他應用中，無線傳感器網絡要能夠連續(xù)使用10年以上。

　　● 通信可靠性─必須能夠可靠地與所有傳感器通信，盡管這些傳感器可能位于非常嚴苛的RF環(huán)境中。

　　● 可擴展性─無線傳感器網絡必須滿足各種類似但又不完全相同的部署要求，例如適合各種網絡規(guī)模(無線傳感器節(jié)點數(shù)量及覆蓋的地域范圍)、深度(即節(jié)點與數(shù)據(jù)出口點之間的無線跳轉次數(shù))及大小不同的數(shù)據(jù)流量等。

　　在不可預測的介質上建立可預測的網絡

　　如果不做出折中，低功率難以實現(xiàn)─有很多無線傳感器聯(lián)網方法是針對低功耗運行情況而設計的。有些無線網絡(例如 ZigBee)僅在網絡邊緣處的檢測設備上實現(xiàn)低功率，但任何傳送節(jié)點都需要線路功率。其他一些網絡則引入了基本的占空比方法，稱為“信標”，采用這種方法時，整個網絡在很長的時段內停機，處于低功率休眠模式，但是這種方法犧牲了網絡可用性和網絡總體容量。然而，針對物聯(lián)網的應用，無線傳感器網絡必須能夠滿足規(guī)模非常大的網絡需求，并按照均勻的時間間隔發(fā)布數(shù)據(jù)。因此挑戰(zhàn)是，在不犧牲可靠性或網絡可用性的前提下實現(xiàn)低功率。

　　RF環(huán)境是不可預測─RF是一種不可預測的通信介質。在有線通信環(huán)境中，通信信號通過電纜系統(tǒng)屏蔽，與外界隔離，與此不同，RF露天傳播，需要與周圍環(huán)境互動。但是RF傳輸源有可能引起有源干擾。較常見的是多徑衰落的影響，即RF信號遇到周圍表面后，反射回來的異相信號可能衰減 RF信號本身。手機用戶每天都會遭遇多徑衰落問題，例如手機可能在一個地點信號強度不佳，但是只需移動幾厘米，信號強度就可得到改善。此外，多徑衰落影響隨時間變化而改變，因為附近的反射表面 (例如人、車、門等) 一般會移動。最終結果是，隨著時間變化，任何RF通道都會遭遇信號質量顯著變化的問題。不過，既然多徑衰落對每個RF通道的影響是不同的，那么用通道跳頻實現(xiàn)頻率多樣性，可以最大限度地減小多徑衰落的負面影響。因此無線傳感器網絡面臨的挑戰(zhàn)就變成，能否在大型網絡上采用可多次跳轉的跳頻方法。

　　時間同步通道跳頻網狀網絡

　　采用凌力爾特公司的Dust Networks產品部率先開發(fā)的時間同步通道跳頻(Time Synchronized Channel Hopping，簡稱 TSCH)網狀網絡，可以實現(xiàn)可靠的低功率無線傳感器網絡，而且這種網絡在某些最嚴苛的環(huán)境中已經得到證實。TSCH已經成為 WirelessHART(IEC62591)等現(xiàn)有工業(yè)無線標準的基本構件，也是實現(xiàn)新興和基于IP協(xié)議的無線傳感器網絡標準的有利部份。

　　在TSCH網絡中，每個節(jié)點都有一個共同的時間標準，整個網絡的準確度在幾十微妙內。網絡通信安排在各個時隙中，以實現(xiàn)低功率數(shù)據(jù)包交換、配對的通道跳頻和全面的路徑多樣性。