基于結構化方法的無線傳感器網絡設計

無線傳感器網絡(WSN)由一些獨立、完全嵌入式操作的小體積低功耗節點組成，這些節點能夠檢測來自目標環境的數據或控制目標環境，并且相互間通過無線方式通信。檢測和控制是通過互連著的傳感器和激勵器完成的，而這些傳感器和激勵器或通過遠程、或通過嵌入式應用程序進行管理。這些節點的數量從十幾個到數千個不等，一個典型系統由數百個分布于整座大樓或室外空間的節點組成。

許多無線傳感器網絡采用私有標準實現無線組網，但最近的趨勢是逐漸向標準化的低功耗無線通信發展。基于著名的802.15.4規范的ZigBee就是一種用于無線檢測和控制的標準。雖然802.15.4文檔僅描述了協議的PHY和MAC層，但基于802.15.4構建的ZigBee還提供網絡和應用層規范。

ZigBee具有許多優點，包括可以實現多跳路由和數據發送的網格協議、安全規范和針對應用層互操作性的整套參數設置。總之，ZigBee向嵌入式應用開發人員提供了管理網絡以及連接其它節點的更高抽象層次。

雖然本文主要討論的是ZigBee，但其中許多觀點和結論同樣也適用于采用802.15.4 MAC和PHY的其它標準。為了避免出現混亂，后文假設我們的目標設計涉及的是使用網格路由協議、802.15.4兼容調制方案和介質訪問協議的多跳網絡。本文還假設讀者對ZigBee和802.15.4規范已有基本了解。

網絡組織和規模

網絡組織和規模也許是最重要的設計選項，它往往對接下來的設計過程起著告知和指導作用。它還有約束作用，因為大型網絡通常更難設計和維護。幸運的是，如今已經有方法能輕松實現和維護非常大的網絡。

目前最先進的ZigBee網絡規模在300到500個節點之間。這個規模看起來不大，但試想一下，所有這些節點工作在同一物理信道上，彼此在同一時間發送數據，根據每個節點的行為路由數據，并在同一時間試圖保持整個網絡的完整性(通過發送周期性控制消息)，這該是個很吵很擁擠的網絡。另外還要注意，ZigBee標準所依據的802.15.4規范使用了CSMA/CA(載波偵聽多址訪問/碰撞避免)協議，也就是說，在各自“聽力”范圍內沒有兩個節點能同時“說話”。如果同時“說話”，都會遭遇通信失敗，必須延遲一段時間后重試。如果網絡已經擁塞，那么這些重試將產生級聯傳輸故障，試圖發起空中訪問的節點將越來越多，從而加劇信道的擁擠。

事實上，在設計數百個節點以上的網絡時面臨的主要挑戰之一是如何有效地管理網絡擁塞(另外一個挑戰是在運行時優化用于存儲內部堆棧狀態的系統資源)。下面的小節將簡要介紹用于解決擁塞問題的三種不同策略。

圖1：基于802.15.4的ZigBee提供網絡層和應用層規范。

網絡密度

顯然，“300個節點的網絡”給我們提供的有關網絡組織的信息是很少的。由于存在上述沖突碰撞問題，網絡密度也是影響網絡健康的一個重要因素，也就是說在每個節點聽力范圍內存在多少個節點，或者換句話說，一個普通節點可以聽到多少個其它節點？專家建議是小于5個，因為這個數量支持冗余設計和相對無阻塞的通信介質。7個節點以上的網絡很可能出現嚴重擁塞的網段而加重網絡負擔。

一個相關的問題隨之而來，系統設計師該如何判斷有多少個節點能被聽到？一個顯而易見的策略是定制嵌入式應用程序。有關相鄰節點的信息實際上是ZigBee網絡中協議操作的一個重要部分。事實上，節點會主動廣播他們自己的信息，并且這些信息會被有效范圍內的每個其它節點接收到。相鄰表格可以被駐留程序查詢，并計算唯一性條目的數量。然后駐留程序再將這個診斷結果發送給指定節點。很明顯，這樣做只有在網絡密度仍能改變的網絡安裝過程中才有意義。一旦網絡安裝完畢并開始運行，密度信息將在故障排除過程中發揮顧問的作用。

請注意，如果相鄰表格的大小小于周圍節點的數量，ZigBee堆棧將強制周期性地撤消表格條目。這種撤消也可能負面影響總體網絡性能，因為即使路徑中沒有節點離線，也會強制路由被重新發現。因此，除了限制網絡密度以避免擁塞外，還必須根據系統資源(如相鄰表格的大小)確定網絡密度。

在節點的物理位置由于應用要求而被固定的情況下，網絡密度可以方便地通過降低擁塞區域中收發器的輸出功率來得到控制。從理論上講，降低輸出功率與增加節點間距離、使它們彼此聽到的可能性變小具有相同的效果。制造商傾向于將輸出功率設為最大值，以確保最大工作范圍和最佳鏈路質量。根據我們的經驗，在距離性能不很重要的室內應用場合，輸出功率可以很容易降低。根據經驗，輸出功率降低3dBm，有效距離范圍可以縮短1.5倍。