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无 线 传 感 器 可 放 置 在 任 何 地 方 以 在 长 距 离 提 供 低 功 耗 和 可 靠 的 无 线 传 感 器 网 络 凌 力 尔 特 公 司 Dust Networks 产 品 部 系 统 工 程 师 Lance Doherty 系 统 工 程 总 监 Jonathan Simon 系 统 工 程 师 Thomas Watteyne 产 品 市 场 经 理 Ross Yu 物 联 网 的 愿 景 之 一 是 能 够 测 量 以 前 从 未 测 量 过 的 变 量 无 论 应 用 是 监 视 基 础 设 施 老 化 ( 例 如 桥 梁 隧 道 或 电 力 传 输 线 的 老 化 ), 还 是 实 时 提 供 停 车 及 交 通 信 息, 都 需 要 无 线 传 感 器 网 络 (WSN) 提 供 与 有 线 网 络 类 似 的 性 能, 而 且 适 合 实 际 部 署 传 感 器 网 络 要 能 够 扩 展 至 包 含 大 量 无 线 节 点, 而 且 在 很 多 情 况 下, 需 要 跨 越 很 长 的 距 离 促 进 无 线 传 感 器 网 络 广 泛 采 用 的 关 键 因 素 无 线 传 感 器 网 络 要 想 得 到 广 泛 采 用, 必 须 适 合 实 际 部 署, 并 能 够 可 靠 地 运 行 很 多 年 ( 通 常 超 过 10 年 ) 为 了 实 现 这 样 的 目 标, 无 线 传 感 器 网 络 必 须 满 足 一 些 关 键 要 求 : 在 任 何 地 方 都 能 够 放 置 传 感 器 测 量 点 必 须 置 于 最 适 合 检 测 的 地 方, 但 这 种 地 方 未 必 最 适 合 通 信 因 此, 放 置 传 感 器 节 点 的 地 方 常 常 未 必 便 于 通 信 连 接 或 便 于 连 接 电 力 基 础 设 施, 而 且 常 常 处 于 富 挑 战 性 的 RF 环 境 中 ( 例 如, 靠 近 大 地 在 隧 道 中 在 汽 车 底 下 或 深 入 机 器 内 部 ) 很 少 需 要 维 护 无 线 传 感 器 网 络 必 须 能 够 在 绝 大 部 分 情 况 下 进 行 自 我 维 护, 而 且 任 何 物 理 维 护 ( 例 如 更 换 电 池 ) 都 必 须 在 无 需 上 门 服 务 或 没 有 技 术 人 员 到 场 的 情 况 下 完 成 例 如, 在 智 能 停 车 应 用 中, 嵌 入 到 街 道 下 面 的 电 池 供 电 传 感 器 仅 在 满 足 如 下 条 件 时 才 允 许 使 用 : 其 更 换 周 期 与 道 路 定 期 维 修 周 期 相 同, 而 道 路 定 期 维 修 通 常 为 5 至 7 年 才 进 行 一 次 在 其 他 应 用 中, 无 线 传 感 器 网 络 要 能 够 连 续 使 用 10 年 以 上 通 信 可 靠 性 必 须 能 够 可 靠 地 与 所 有 传 感 器 通 信, 尽 管 这 些 传 感 器 可 能 位 于 非 常 严 苛 的 RF 环 境 中

可 扩 展 性 无 线 传 感 器 网 络 必 须 满 足 各 种 类 似 但 又 不 完 全 相 同 的 部 署 要 求, 例 如 适 合 各 种 网 络 规 模 ( 无 线 传 感 器 节 点 数 量 及 覆 盖 的 地 域 范 围 ) 深 度 ( 即 节 点 与 数 据 出 口 点 之 间 的 无 线 跳 转 次 数 ) 及 大 小 不 同 的 数 据 流 量 等 在 不 可 预 测 的 介 质 上 建 立 可 预 测 的 网 络 如 果 不 做 出 折 中, 低 功 率 难 以 实 现 有 很 多 无 线 传 感 器 联 网 方 法 是 针 对 低 功 耗 运 行 情 况 而 设 计 的 有 些 无 线 网 络 ( 例 如 ZigBee) 仅 在 网 络 边 缘 处 的 检 测 设 备 上 实 现 低 功 率, 但 任 何 传 送 节 点 都 需 要 线 路 功 率 其 他 一 些 网 络 则 引 入 了 基 本 的 占 空 比 方 法, 称 为 信 标, 采 用 这 种 方 法 时, 整 个 网 络 在 很 长 的 时 段 内 停 机, 处 于 低 功 率 休 眠 模 式, 但 是 这 种 方 法 牺 牲 了 网 络 可 用 性 和 网 络 总 体 容 量 然 而, 对 于 针 对 物 联 网 的 应 用, 无 线 传 感 器 网 络 必 须 能 够 满 足 规 模 非 常 大 的 网 络 需 求, 并 按 照 均 匀 的 时 间 间 隔 发 布 数 据 因 此 挑 战 是, 在 不 牺 牲 可 靠 性 或 网 络 可 用 性 的 前 提 下 实 现 低 功 率 RF 环 境 是 不 可 预 测 RF 是 一 种 不 可 预 测 的 通 信 介 质 在 有 线 通 信 环 境 中, 通 信 信 号 通 过 电 缆 系 统 屏 蔽, 与 外 界 隔 离, 与 此 不 同,RF 露 天 传 播, 与 周 围 环 境 互 动 其 他 RF 传 输 源 有 可 能 引 起 有 源 干 扰 较 常 见 的 是 多 径 衰 落 的 影 响, 即 RF 信 号 遇 到 周 围 表 面 后, 反 射 回 来 的 异 相 信 号 可 能 衰 减 RF 信 号 本 身 手 机 用 户 每 天 都 会 遭 遇 多 径 衰 落 问 题, 手 机 可 能 在 一 个 地 点 信 号 强 度 不 佳, 但 是 只 需 移 动 几 厘 米, 信 号 强 度 就 可 得 到 改 善 此 外, 多 径 衰 落 影 响 随 时 间 变 化 而 改 变, 因 为 附 近 的 反 射 表 面 ( 例 如 人 车 门 等 ) 一 般 会 移 动 最 终 结 果 是, 随 着 时 间 变 化, 任 何 RF 通 道 都 会 遭 遇 信 号 质 量 显 著 变 化 的 问 题 不 过, 既 然 多 径 衰 落 对 每 个 RF 通 道 的 影 响 是 不 同 的, 那 么 用 通 道 跳 频 实 现 频 率 多 样 性, 可 以 最 大 限 度 地 减 小 多 径 衰 落 的 负 面 影 响 因 此 无 线 传 感 器 网 络 面 临 的 挑 战 就 变 成, 能 否 在 大 型 网 络 上 采 用 可 多 次 跳 转 的 跳 频 方 法 时 间 同 步 通 道 跳 频 网 状 网 络 采 用 凌 力 尔 特 公 司 的 Dust Networks 产 品 部 率 先 开 发 的 时 间 同 步 通 道 跳 频 (Time Synchronized Channel Hopping, 简 称 TSCH) 网 状 网 络, 可 以 实 现 可 靠 的 低 功 率 无 线 传 感 器 网 络, 而 且 这 种 网 络 在 某 些 最 严 苛 的 环 境 中 已 经 得 到 证 实 TSCH 已 经 成 为 WirelessHART (IEC62591) 等 现 有 工 业 无 线 标 准 的 基 本 构 件, 也 是 实 现 新 兴 和 基 于 IP 协 议 的 无 线 传 感 器 网 络 标 准 的 有 利 部 份 在 TSCH 网 络 中, 每 个 节 点 都 有 一 个 共 同 的 时 间 标 准, 整 个 网 络 的 准 确 度 在 几 十 微 妙 内 网 络 通 信 安 排 在 各 个 时 隙 中, 以 实 现 低 功 率 数 据 包 交 换 配 对 的 通 道 跳 频 和 全 面 的 路 径 多 样 性 低 功 率 数 据 包 交 换 采 用 TSCH 允 许 节 点 在 预 定 的 通 信 操 作 之 间 处 于 超 低 功 耗 的 休 眠 状 态 每 个 设 备 仅 在 发 送 数 据 包 或 检 测 相 邻 设 备 是 否 发 送 数 据 包 时 才 处 于 工 作 状 态 更 重 要 的 是, 因 为 每 个 节 点 都 知 道 自 己 的 设 定 唤 醒 时 间, 所 以 每 个 节 点 都 始 终 可 用 于 转 发 相 邻 设 备 的 信 息 因 此,TSCH 网 络 常 常 达 到 <1% 的 占 空 比, 同 时 保 持 网 络 完 全 可 用 此 外, 因 为 每 个 数 据 包 的 收 发 时 间 都 是 设 定 好 的, 所 以 在 TSCH 网 络 中 不 存 在 网 络 内 数 据 包 碰 撞 问 题 网 络 可 以 很 密 集 和 增 加 规 模, 而 不 会 产 生 逐 渐 衰 减 的 RF 自 干 扰

配 对 的 通 道 跳 频 时 间 同 步 允 许 在 每 对 发 送 器 接 收 器 上 进 行 通 道 跳 频, 实 现 频 率 多 样 性 在 TSCH 网 络 中, 每 个 数 据 包 交 换 通 道 都 会 跳 频, 以 避 开 不 可 避 免 的 RF 干 扰 和 衰 落 此 外, 不 同 成 对 设 备 之 间 的 多 通 道 传 输 可 能 同 时 在 不 同 的 通 道 上 发 生, 从 而 扩 大 了 网 络 带 宽 全 面 的 路 径 和 频 率 多 样 性 每 个 设 备 都 有 冗 余 路 径, 以 克 服 由 干 扰 物 理 障 碍 或 多 径 衰 落 引 起 的 通 信 中 断 问 题 如 果 一 条 路 径 上 的 数 据 包 传 输 失 败, 那 么 节 点 将 自 动 尝 试 下 一 条 可 用 路 径 和 不 同 的 RF 通 道 与 其 他 网 状 网 络 技 术 不 同,TSCH 网 络 不 需 要 须 由 电 源 供 电 的 路 由 器 和 耗 费 时 间 的 路 径 再 发 现 图 1: 路 径 和 频 率 多 样 性 如 果 在 绿 色 箭 头 方 向 上 的 通 信 失 败, 那 么 节 点 D 就 会 尝 试 使 用 紫 色 箭 头 所 示 的 另 一 条 通 道 1 2 基 于 TSCH 的 网 络 已 经 成 功 用 于 多 种 应 用, 例 如 智 能 停 车 应 用, 在 数 据 中 心 中 监 视 能 效, 3 用 于 工 厂 中 诸 如 管 道 监 视 桥 梁 及 隧 道 的 结 构 监 视 以 及 电 力 传 输 线 监 视 等 很 多 应 用 都 要 求 无 线 传 感 器 网 络 跨 越 很 长 的 距 离 然 而, 跨 越 这 么 长 的 距 离 建 立 无 线 网 络 并 成 功 保 持 可 靠 性 和 低 功 率, 需 要 一 种 更 加 富 有 挑 战 性 的 拓 扑 按 照 定 义, 深 跳 网 络 意 味 着, 来 自 最 远 节 点 的 信 息 需 要 经 过 很 多 次 跳 转, 才 能 到 达 目 的 地 尽 管 这 么 做 能 够 使 单 一 网 络 覆 盖 很 大 的 地 理 范 围, 而 且 收 发 器 的 功 率 相 对 较 低, 但 是 这 种 方 法 有 时 会 产 生 一 个 问 题, 即 一 个 覆 盖 面 积 很 大 的 网 络 是 否 能 够 成 功 保 持 所 有 无 线 节 点 都 有 均 匀 的 数 据 流 量, 以 及 是 否 能 够 以 可 接 受 的 延 迟 和 电 流 消 耗, 保 持 这 样 的 数 据 流 量 案 例 分 析 深 跳 网 状 网 络 为 了 描 述 这 类 网 络 的 特 征, 我 们 用 Dust Networks 的 SmartMesh IP 网 络 构 建 了 一 个 100 个 节 点 32 跳 的 深 跳 网 络, 并 对 其 进 行 了 测 量 100 个 节 点 中 的 每 一 个 都 是 每 隔 30 秒 产 生 并 发 送 一 个 数 据 包, 预 计 每 个 数 据 包 的 接 收 都 在 30 秒 的 延 迟 时 间 内 完 成 ( 即 在 同 一 节 点 产 生 下 一 个 数 据 包 之 前 完 成 )

图 2: 深 跳 网 络 灰 色 的 节 点 在 第 50 号 节 点 覆 盖 范 围 内 该 深 跳 网 络 是 由 真 实 的 无 线 设 备 构 成 的, 其 中 7 款 设 备 ( 以 编 号 1 至 7 表 示 ) 直 接 与 管 理 器 通 信 设 备 8 至 10 通 过 上 述 7 个 节 点 通 信, 其 余 设 备 ( 设 备 11 至 101) 在 编 号 位 于 其 前 后 3 个 设 备 的 覆 盖 范 围 之 内 例 如, 设 备 50 在 设 备 47 48 49 51 52 和 53 的 覆 盖 范 围 之 内 在 这 种 拓 扑 中, 到 达 设 备 101 的 最 小 传 输 ( 跳 转 ) 次 数 为 32, 尽 管 实 际 上 大 多 数 数 据 包 需 要 更 多 跳 转 次 数 截 至 本 文 截 稿 时, 这 个 网 络 已 经 连 续 运 行 52 天 总 共 接 收 了 1700 万 个 数 据 包, 由 于 跳 转 深 度 和 重 试, 所 以 进 行 了 总 数 超 过 4 亿 次 的 单 独 传 输 在 所 发 送 的 1700 万 个 数 据 包 中, 一 个 都 没 丢, 因 此 数 据 传 输 可 靠 性 达 到 了 100% 在 这 些 数 据 包 中, 约 针 对 2.5 万 个 提 交 了 健 康 报 告, 即 节 点 周 期 性 发 送 的 诊 断 信 息 表 1: 深 跳 网 络 的 数 据 可 靠 性 节 点 数 100 数 据 包 产 生 速 率 每 个 节 点 每 30 秒 约 1 个 数 据 包 跳 转 深 度 32 跳 所 发 送 的 数 据 包 数 量 52 天 1700 万 个 原 始 单 独 传 输 ( 包 括 重 试 ) 次 数 超 过 4 亿 次 丢 包 数 0 ( 数 据 可 靠 性 高 达 100%) 对 延 迟 和 电 流 消 耗 的 分 析 每 个 数 据 包 在 传 感 器 节 点 上 产 生 时 以 及 在 管 理 器 上 接 收 时, 都 有 时 间 戳, 因 此 每 个 数 据 包 的 延 迟 都 可 以 监 视 图 3 所 示 是 这 个 网 络 在 一 个 超 过 90 分 钟 的 时 段 内 的 数 据 分 布 情 况 正 如

所 预 期 的 那 样, 编 号 较 大 的 那 些 节 点, 即 处 于 网 络 较 深 处 的 节 点, 延 迟 时 间 较 长, 每 个 数 据 包 的 变 化 也 较 大, 因 为 路 径 选 择 随 深 度 加 大 而 成 指 数 上 升 尽 管 这 样, 来 自 最 远 节 点 ( 编 号 101) 的 数 据 包 全 部 在 不 到 30 秒 的 预 定 延 迟 时 间 内 到 达 了 目 的 地 所 有 节 点 内 部 都 保 持 一 份 所 消 耗 电 池 电 量 的 数 据, 并 周 期 性 地 向 管 理 器 报 告 这 一 信 息 从 这 一 信 息 中, 可 以 画 出 整 个 网 络 的 平 均 电 流 曲 线, 如 图 4 所 示 编 号 较 小 的 节 点 之 电 流 消 耗 最 大, 因 为 这 些 节 点 需 要 传 输 来 自 较 远 节 点 的 数 据 流 量 但 是 正 如 所 能 看 到 的 那 样, 在 这 个 32 跳 的 深 跳 网 络 中, 即 使 负 载 最 重 的 路 由 器, 平 均 电 流 消 耗 也 仅 为 几 百 微 安 既 然 电 流 消 耗 这 么 低, 那 么 路 由 节 点 就 可 以 用 一 对 D-cell 锂 电 池 供 电, 而 且 可 持 续 工 作 超 过 15 年 图 3: 数 据 包 延 迟 深 跳 网 络 中 的 数 据 包 在 预 定 的 30 秒 延 迟 时 间 内 可 靠 地 传 送

图 4: 节 点 平 均 电 流 在 这 个 深 跳 网 络 中, 即 使 负 载 最 重 的 路 由 器 也 仅 消 耗 几 百 微 安 电 流 结 论 在 富 有 挑 战 性 的 应 用 中, 基 于 时 间 同 步 通 道 跳 频 的 SmartMesh IP 网 络 通 常 提 供 >99.999% 的 数 据 可 靠 性, 功 耗 也 非 常 低 因 为 用 相 当 小 的 锂 电 池 可 工 作 10 至 15 年, 所 以 无 线 传 感 器 实 际 上 可 以 放 置 在 任 何 地 方, 从 而 可 实 现 真 正 城 市 级 的 物 联 网 应 用 1 Streetline - www.linear.com/docs/41387 2 Vigilent - www.linear.com/docs/41384 3 Emerson Process - www.linear.com/docs/41383