怎樣建立實用的低功耗、高可靠性無線傳感器網絡

這里有一些主要的設計約束條件：如果一個網絡將包括眾多節點，那么每個節點的成本必須很低(目前大約要低于5美元，將來會更低)，而且事實上要免維護。由于有些節點很可能會位于難以接近的位置，因此能夠由廉價的鈕扣電池供電工作幾個月甚至幾年也變得非常關鍵。現在已有技術能夠滿足以上的條件。由ZigBee聯盟所倡導的基于IEEE802.1.4標準的技術解決方案就是其中之一。還有很多專有技術也已被多方采用，其中包括Dynastream公司的技術，即ANT。

實現無線傳感器網絡必須解決的技術難題包括：怎樣避免節點間和來自其它射頻源的干擾；網絡的擴展升級問題；可以承載的節點數目；節點是否可以按需隨時(ad hoc)地加入網絡而不需對網絡的其他部分進行再配置；所需帶寬；怎樣盡量減小功耗；所需的微處理器資源。

圖：(a) 該種網絡常被稱作星狀網(Star Network)，形象地表示出一個中心節點與它周圍節點的通訊關系；(b) 星狀網可與其它星狀網連接從而形成更復雜的系統，常被稱作樹狀網或集群網。

實際上，所有的實用網絡問題都可以由較簡單的預先確定好的網絡結構來解決。其中最簡單的結構就是點對點網絡，即一個節點與另一個節點通訊。而復雜一些的網絡將包括許多發送信息的外圍節點和一個接收信息的接收節點。在健身和保健領域，這類網絡得到了主要應用和驗證。如圖1(a)所示，一位騎車者佩帶著運動手表(節點1)，而節點2是GPS定位器，節點3是速度計，節點4時心率監測器。節點2、3和4同時通過各自專有的信道A、B和C與運動手表保持通訊。這種類型的網絡常被稱作星狀網(Star Network)，形象地表示出一個中心節點與它周圍節點的通訊關系。星狀網可與其它星狀網連接從而形成更復雜的系統，常被稱作樹狀網(Tree Network)或集群網(Cluster Network)(如圖1b所示)。這一類型的無線網絡不僅被用于體育和運動領域，還可被用在其它許多領域，譬如新興的醫療檢測設備，家庭自動化和工業控制等。這些例子表明絕大多數實際中的網絡，在節點功能等同的條件下，不必要求每個節點都與其相鄰的節點通訊。

實用的無線網絡必須低成本，抗干擾(來自其它射頻源，包括臨近節點)，性能可靠并且低功耗。每個網絡節點都需要硬件來驅動。這個硬件作為網絡的物理層(PHY)由一個無線收發芯片和與之相配的微處理器構成。物理層支持一個協議棧和一個應用層，構成了一套特殊指令集用于網絡的應用。

通訊協議可能是保證實際無線網絡如愿運行的最關鍵因素。它通過建立共存、數據表述、信令、鑒權和糾錯等標準規則，來決定節點間的無線互聯通訊。

要選擇無線通信協議，有一種方法就是比較它們的功效，即數據包的開銷(與特定節點建立通訊并決定數據怎樣可靠傳遞所需的信息)和有效載荷(真正有用的數據)的比率。除此之外，還有另外幾點需要考慮。其中的關鍵包括無線收發部分本身的帶寬和硬件效率，再加上通訊管理，即通訊時的物理層效率。在給定數據量的前提下，無線收發部分的帶寬廣義上與發射機需要保持在高能耗信息發射狀態的時間長短相關。理論上，越寬的帶寬，發射數據的速度越快，而無線發射部分必須在休眠狀態以外的時間就越短。在實際應用中，增加帶寬要消耗功率。一般認為最佳的折衷點在1Mbps，超過這個帶寬，所得的收益反而不敷所增加的功率損耗了。

但是所有無線收發硬件效率所帶來的功率節省卻很容易被一個效率低下的物理層所拖累。無線收發部分在“開”的狀態所消耗的電能比“關”的狀態高幾個數量級，所以“開”狀態對整個功率消耗會產生最大的影響，所以真正的挑戰是如何讓無線收發部分盡量處在最低功耗的關機狀態。

確定一個好的無線收發芯片和高效的協議只是設計實用無線網絡的工作的一部分。無論你的網絡包含兩個、十個甚至上百個節點，最大的挑戰還是怎樣把這些節點連成可靠并可擴展升級的網絡。

要實現這樣的目標，關鍵是選擇這樣一種技術,其所有網絡節點在物理連接層上具有等同的功能，從而在實際無線網絡中既能作為“從”節點又能作為“主”節點，而且可在任何時間改變角色。換句話說，這些節點應該有能力作為發射方、接收方或發射接收方來建立通向其它節點的通路。在此基礎上，每個節點還應該有能力跟據相鄰節點的行為來確定發送信息的最佳時間。上述這些性能結合起來，意味著對于任何拓撲結構的網絡，按需隨時地加進一個節點是容易做到的。

建設一個執行實際功能的網絡不僅僅要求節點互通，節點還要經過配置來執行具體的功能，選擇適當的技術，這種功能配置會是相當的容易。設置、測試和調試都通過電腦圖形用戶界面來進行，就連不是專家的人也可在幾小時而不是幾天內完成。

超低功耗是實用無線網絡的基本要求。為了最大限度的減少維護，供電的鈕扣電池(例如CR2032，標稱容量220mAh，峰值電流25mA)需要能夠維持網絡節點正常運轉幾個月，最好幾年。例如由Dynastream公司開發的ANT技術，它運轉在Nordic半導體公司生產的2.4GHz無線收發芯片上。對于一個每天工作一小時，每秒發送8字節數據的應用(例如位于足部的速度距離監測器與運動手表間的通訊)，發射端與接收端的電池壽命分別是6.4年和5.6年。這個結果大大優于目前商用化的ZigBee解決方案。

與當代其它使用2.4GHz的無線技術一樣，無線傳感器網絡也工作在這個日益擁擠的頻段。其網絡節點要送達信息，就必須與Wi-Fi、藍牙、無繩電話以及其它網絡節點來競爭，干擾規避策略是至關重要的。在2.4GHz頻段，目前有三種公認的技術用來盡量減少設備受干擾的影響。一個是時隙分配方案。一個是直接序列擴頻(DSSS)，例如ZigBee所采用的技術。再有就是跳頻擴頻(FHSS)，例如藍牙所采用的技術。

使用DSSS和FHSS技術能達到目的，但是要求接收和發射端同步工作。在FHSS技術中，這樣才能確保設備同時調整到相同的一段窄帶頻譜上。而在DSSS技術中，同步確保頻帶壓縮使用與頻帶擴展相同的偽隨機序列。同步的要求增加了網絡的復雜性以及功耗。雖然在不需通訊時可以關掉同步部分以節省電能，但重新獲得同步卻要花費幾秒時間并消耗更多的能量。

ANT的專有技術使用了一種自適應等時網絡方案。它利用了設備中無線收發部分只用極短時間發送信息(每條信息小于150μs)這一特點，使得一個單一信道可被分隔成許多時隙。信息發送周期決定了到底劃分幾個時隙。在實際運轉中，發射端以正常的間隔發送信息。但當在這個特別的時隙檢測到相鄰節點的干擾時，發射端會進行調整直到找到一個沒有干擾的時隙。假如射頻環境更加擁擠，ANT系統具有的頻率捷變能力使得應用微處理器能夠控制發射頻率跳變到另外一個屬于2.4GHz的1MHz頻段上。