怎样建立实用的低功耗、高可靠性无线传感器网络

毋庸置疑无线技术的革命已经开始：CDMA与GSM用于远程语音和数据的传输，Wi-Fi用于无线局域网(WLAN)，蓝牙用于消费导向的个人局域网(PAN)，所有这些应用都正在蓬勃发展。尽管是已经获得商业化成功的技术，但由于距离、带宽、和功耗的要求，它们被局限于特定的应用领域。要令未来发生巨大的无线技术革命，需要一种真正普适的网络技术，由它搭建起的网络应能容纳上百节点。这些节点还要能够在任何时间都可相互通讯且不会受其它射频源的干扰。由这些节点构成的网络具有经济、超低功耗无线收发、适度的带宽(可以每秒发送数次小量的传感器数据)等特点，而且一般工作于全球开放的2.4GHz ISM(工业、科学和医学)频段。

这里有一些主要的设计约束条件：如果一个网络将包括众多节点，那么每个节点的成本必须很低(目前大约要低于5美元，将来会更低)，而且事实上要免维护。由于有些节点很可能会位于难以接近的位置，因此能够由廉价的钮扣电池供电工作几个月甚至几年也变得非常关键。现在已有技术能够满足以上的条件。由ZigBee联盟所倡导的基于IEEE802.1.4标准的技术解决方案就是其中之一。还有很多专有技术也已被多方采用，其中包括Dynastream公司的技术，即ANT。

实现无线传感器网络必须解决的技术难题包括：怎样避免节点间和来自其它射频源的干扰；网络的扩展升级问题；可以承载的节点数目；节点是否可以按需随时(ad hoc)地加入网络而不需对网络的其他部分进行再配置；所需带宽；怎样尽量减小功耗；所需的微处理器资源。

图：(a) 该种网络常被称作星状网(Star Network)，形象地表示出一个中心节点与它周围节点的通讯关系；(b) 星状网可与其它星状网连接从而形成更复杂的系统，常被称作树状网或集群网。

实际上，所有的实用网络问题都可以由较简单的预先确定好的网络结构来解决。其中最简单的结构就是点对点网络，即一个节点与另一个节点通讯。而复杂一些的网络将包括许多发送信息的外围节点和一个接收信息的接收节点。在健身和保健领域，这类网络得到了主要应用和验证。如图1(a)所示，一位骑车者佩带着运动手表(节点1)，而节点2是GPS定位器，节点3是速度计，节点4时心率监测器。节点2、3和4同时通过各自专有的信道A、B和C与运动手表保持通讯。这种类型的网络常被称作星状网(Star Network)，形象地表示出一个中心节点与它周围节点的通讯关系。星状网可与其它星状网连接从而形成更复杂的系统，常被称作树状网(Tree Network)或集群网(Cluster Network)(如图1b所示)。这一类型的无线网络不仅被用于体育和运动领域，还可被用在其它许多领域，譬如新兴的医疗检测设备，家庭自动化和工业控制等。这些例子表明绝大多数实际中的网络，在节点功能等同的条件下，不必要求每个节点都与其相邻的节点通讯。

实用的无线网络必须低成本，抗干扰(来自其它射频源，包括临近节点)，性能可靠并且低功耗。每个网络节点都需要硬件来驱动。这个硬件作为网络的物理层(PHY)由一个无线收发芯片和与之相配的微处理器构成。物理层支持一个协议栈和一个应用层，构成了一套特殊指令集用于网络的应用。

通讯协议可能是保证实际无线网络如愿运行的最关键因素。它通过建立共存、数据表述、信令、鉴权和纠错等标准规则，来决定节点间的无线互联通讯。

要选择无线通信协议，有一种方法就是比较它们的功效，即数据包的开销(与特定节点建立通讯并决定数据怎样可靠传递所需的信息)和有效载荷(真正有用的数据)的比率。除此之外，还有另外几点需要考虑。其中的关键包括无线收发部分本身的带宽和硬件效率，再加上通讯管理，即通讯时的物理层效率。在给定数据量的前提下，无线收发部分的带宽广义上与发射机需要保持在高能耗信息发射状态的时间长短相关。理论上，越宽的带宽，发射数据的速度越快，而无线发射部分必须在休眠状态以外的时间就越短。在实际应用中，增加带宽要消耗功率。一般认为最佳的折衷点在1Mbps，超过这个带宽，所得的收益反而不敷所增加的功率损耗了。

但是所有无线收发硬件效率所带来的功率节省却很容易被一个效率低下的物理层所拖累。无线收发部分在“开”的状态所消耗的电能比“关”的状态高几个数量级，所以“开”状态对整个功率消耗会产生最大的影响，所以真正的挑战是如何让无线收发部分尽量处在最低功耗的关机状态。

确定一个好的无线收发芯片和高效的协议只是设计实用无线网络的工作的一部分。无论你的网络包含两个、十个甚至上百个节点，最大的挑战还是怎样把这些节点连成可靠并可扩展升级的网络。

要实现这样的目标，关键是选择这样一种技术,其所有网络节点在物理连接层上具有等同的功能，从而在实际无线网络中既能作为“从”节点又能作为“主”节点，而且可在任何时间改变角色。换句话说，这些节点应该有能力作为发射方、接收方或发射接收方来建立通向其它节点的通路。在此基础上，每个节点还应该有能力跟据相邻节点的行为来确定发送信息的最佳时间。上述这些性能结合起来，意味着对于任何拓扑结构的网络，按需随时地加进一个节点是容易做到的。

建设一个执行实际功能的网络不仅仅要求节点互通，节点还要经过配置来执行具体的功能，选择适当的技术，这种功能配置会是相当的容易。设置、测试和调试都通过电脑图形用户界面来进行，就连不是专家的人也可在几小时而不是几天内完成。

超低功耗是实用无线网络的基本要求。为了最大限度的减少维护，供电的钮扣电池(例如CR2032，标称容量220mAh，峰值电流25mA)需要能够维持网络节点正常运转几个月，最好几年。例如由Dynastream公司开发的ANT技术，它运转在Nordic半导体公司生产的2.4GHz无线收发芯片上。对于一个每天工作一小时，每秒发送8字节数据的应用(例如位于足部的速度距离监测器与运动手表间的通讯)，发射端与接收端的电池寿命分别是6.4年和5.6年。这个结果大大优于目前商用化的ZigBee解决方案。

与当代其它使用2.4GHz的无线技术一样，无线传感器网络也工作在这个日益拥挤的频段。其网络节点要送达信息，就必须与Wi-Fi、蓝牙、无绳电话以及其它网络节点来竞争，干扰规避策略是至关重要的。在2.4GHz频段，目前有三种公认的技术用来尽量减少设备受干扰的影响。一个是时隙分配方案。一个是直接序列扩频(DSSS)，例如ZigBee所采用的技术。再有就是跳频扩频(FHSS)，例如蓝牙所采用的技术。

使用DSSS和FHSS技术能达到目的，但是要求接收和发射端同步工作。在FHSS技术中，这样才能确保设备同时调整到相同的一段窄带频谱上。而在DSSS技术中，同步确保频带压缩使用与频带扩展相同的伪随机序列。同步的要求增加了网络的复杂性以及功耗。虽然在不需通讯时可以关掉同步部分以节省电能，但重新获得同步却要花费几秒时间并消耗更多的能量。

ANT的专有技术使用了一种自适应等时网络方案。它利用了设备中无线收发部分只用极短时间发送信息(每条信息小于150μs)这一特点，使得一个单一信道可被分隔成许多时隙。信息发送周期决定了到底划分几个时隙。在实际运转中，发射端以正常的间隔发送信息。但当在这个特别的时隙检测到相邻节点的干扰时，发射端会进行调整直到找到一个没有干扰的时隙。假如射频环境更加拥挤，ANT系统具有的频率捷变能力使得应用微处理器能够控制发射频率跳变到另外一个属于2.4GHz的1MHz频段上。