適用于物聯網應用的高可靠、低功耗無線傳感器網絡

物聯網革命近在咫尺，到2020年，全世界將有超過300億個互聯物體。在世界人口不斷增加、資源變得越來越寶貴之際，這種互聯有望提供真實世界的數據，以促進效率提高，簡化業務實踐。

隨著互聯網協議(IP)得到廣泛采用，處理數據和充分利用信息變得越來越容易了。《財富》500強公司為數據存儲提供企業及數據庫解決方案，并提供軟件工具，以簡化資產跟蹤、過程控制系統和樓宇管理系統(參見圖1)等業務流程。智能手機和平板電腦為人們提供了非常有用的信息，例如提供實時停車信息，或者實時提供有關機器健康狀況的監視信息，以制定維修計劃。迄今為止已經部署了許多無線傳感器，但是為了測量和優化以前未曾涉及的流程，仍然急需更多的傳感器來提供數據。

為了進一步擴大傳感器部署規模，有關IP標準的制定工作正在進行，目標是使小型無線傳感器像網絡服務器一樣易于使用。在標準制定工作的背后有兩股推動力：其一是公認的低功耗、時間同步化網格網絡的高度可靠性能;其二是正在進行的IP標準制定工作可實現無線傳感器網絡與互聯網的無縫集成。這兩股力量合二為一，將有效促進小型、低功耗傳感器的可靠通信，并使這類傳感器最終能夠支持IP。

無線傳感器網絡帶來的挑戰

無線從本質上來說是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的來源，以在通信系統中解決不可靠性問題。在低功耗無線網絡中，不可靠性的主要來源是外部干擾和多徑衰落。當外部信號(例如Wi-Fi信號)妨礙兩個無線電系統通信時，就會發生干擾。這就需要它們重新發送信號，因此會消耗更多功率。當無線信號遇到鄰近發送器中的物體而彈回時，就會發生多徑衰落，而且各種回波都會對接收器天線造成破壞性干擾。這個現象是設備位置、所用頻率以及周圍環境的函數。因為任何無線系統周圍的環境都隨時間而變化，所以在無線系統運行壽命期內，任一RF頻道都會遇到問題。不過，多徑衰落受頻率影響。因此，盡管某個頻率可能遇到了問題，但是仍然會有其他RF頻道在正常工作。由于干擾和多徑衰落，因此建立可靠無線系統的關鍵是，在不犧牲低功耗工作這一優點的同時，實現通道和路徑多樣化。DustNetworks(現在是凌力爾特公司的一個業務部)率先提供了這樣的系統，該系統采用時間同步、通道跳頻網格網絡技術。

時間同步、通道跳頻網格網絡

在時間同步化通道跳頻網格網絡中，多跳網絡上的所有無線節點都同步至幾十微秒時間之內，而且時間被分成時隙。通信通過一個時間表來協調，該時間表指示每個節點在每個時隙中該做什么(發送、接收、休眠)。因為它們都是同步的，所以僅當通信時，這些節點才接通其無線電，從而極大地降低了無線電占空比(常見占空比99.999%的端到端可靠性。

時間同步化網格網絡取得了成功

近幾年，時間同步化通道跳頻網格網絡已經得到了廣泛應用。2004年，Dust Networks首次推出了SmartMesh系統，工業過程是最早采用該系統的領域之一。

隨著時間同步化網格網絡的推出，無線系統可提供通常僅有線系統才能提供的可靠性，因此低功耗無線系統的應用變成了現實。

低功耗無線系統通過工業標準IEC62591(也稱為Wireless HART)實現了標準化，使工業過程市場上的設備實現了互操作性。大部分大型工業制造商(例如Emerson Process、西門子、ABB、EndressHauser、PepperlFuchs和Phoenix Contact)都在交付Wireless HART產品。如今，SmartMesh網絡已經得到廣泛使用，在全球120多個國家部署了3萬多個網絡，提高了各種場所的安全性和效率，包括鋼鐵廠和煉油廠、偏遠的油田和海上鉆井平臺以及食品和飲料廠。除工業過程領域，SmartMesh系統也成功地部署在數據中心和商用寫字樓中，用以優化空調費用。

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基于標準的環境

在網絡技術中，標準發揮著重要作用，因為最終用戶擁護基于標準開發的解決方案。一項技術如果由重要標準化組織開發并核準，用戶就有信心使用。Wireless HART/IEC62591是工業過程領域的標準，在這個市場以外，互聯網協議(IP)是通信標準。

若干標準化組織為物聯網(參見圖2)制定了標準。挑戰是要與互聯網實現全面集成，同時納入公認的時間同步化通道跳頻網格網絡的技術。今天的互聯網使用的大多數協議都是由互聯網工程任務組(IETF)制定的，該標準化組織的CoRE工作組已經制定了應用層協議CoAP(Constrained Application Protocol)。CoAP在UDP協議之上運行，而且非常容易轉換到HTTP，以使無線傳感器節點實現類似網絡的互動。6LoWPAN工作組制定了一個IP適配層協議，該協議將IP數據包的大型頭標壓縮成小型無線幀或數據包，使傳感器節點能夠通過IP地址單獨尋址。盡管這些上層協議實現了類似網絡的互動以及與互聯網的集成，但是決定無線傳感器網絡通信質量的是這些上層協議之下的那些協議層。

IETF制定的標準一般運行在遵循IEEE802.15.4標準的無線芯片上。IEEE802.15.4在數據傳送速率(250kbps)、范圍(10m～100m)、功耗(發送或接收時為5mA～20mA)和數據包大小(高達127字節)之間進行了健康的權衡。這種權衡使IEEE802.15.4非常適用于低功耗網格網絡技術，因此該標準已經成為這類網絡鏈接技術的事實標準。

2012年，IEEE公布了可運行在IEEE802.15.4兼容型無線電上的新介質訪問標準IEEE802.15.4e。其時隙通道跳頻(TSCH)模式納入了Dust Networks的時間同步化網格協議，以實現精確的時隙同步和RF通道跳頻。

不過，上述情況隨著在IETF的新標準化工作開展而發生了變化，該標準又稱為6TSCH(Deterministic IPv6 over IEEE802.15.4e Time Slotted Channel Hopping)。這項標準化工作由凌力爾特和思科系統公司聯合領導，將制定目前缺少的通信協議，以使TSCH時間表能夠通過調度實體加以管理。

6TSCH可填補IP協議棧中尚存的空白，將實現完全標準化、可互操作、基于IP的無線傳感器網絡，提供通常僅有線傳感器網絡才能提供的高可靠性。網絡開發人員通過向傳感器的IP地址發送網絡請求，將能夠實時獲得傳感器數據，而且下層的無線傳感器網絡將以>99.999%的數據可靠性支持這類通信。通過使傳感器像網絡服務器一樣易于訪問，無線傳感器網絡將能夠向物聯網饋送真實世界的信息。