自組無線傳感器網絡在周期性采樣、事件驅動和“存儲與轉發(fā)”中得到很多應用，為了滿足這些應用對功耗、傳輸距離及數據率的要求，工程師必須對相關的網絡結構、網絡協議和功耗等性能特點全面深入了解。本文介紹了支持這種標準的三種網絡結構的優(yōu)缺點，并說明了在進行協議堆棧各層設計及不同應用時的注意事項。 

　　自組無線傳感器網絡在工業(yè)、醫(yī)療、消費及軍事中有直接的應用，為實現這些應用對功耗、傳輸距離和數據率的要求，業(yè)界提出了一種無線新技術標準-IEEE802.15.4。該技術的功耗和數據率均低于藍牙技術，在具體實現時將面臨一些困難，例如電池的使用和設備大小等。此外，這種網絡協議在包括延時、節(jié)點搜尋時間、傳輸路徑查找以及消息確認等方面還存在挑戰(zhàn)。為了正確運用這種技術，我們有必要全面了解它的物理及數據鏈路層參數。 

　　與存在很多不同規(guī)格的藍牙設備不同，自組無線傳感器網絡設備通常只有三種應用，即周期性采樣、事件驅動和“存儲與轉發(fā)”。實現該技術的網絡結構也有三種：星狀網、網狀網及混合網(星狀網+網狀網)。每種網絡結構都有自身的優(yōu)點和缺點，用戶必須充分了解這些網絡特點以滿足不同無線傳感器網絡的應用要求。 

　　微電機系統、低功耗無線電路和數字電路設計的飛速發(fā)展在很大程度上促成了這種低功耗自組網的產生和應用。目前無線傳感器網絡的功耗可降低到毫安級以下，因此傳感器節(jié)點可使用一顆3V直流紐扣式電池來供電，根據不同的采樣率，其工作時間可以達五年或以上。采用紐扣式電池的此類傳感器節(jié)點外型小巧，便于攜帶且易于設計到小型設備中。這些低功耗、低數據率的應用包括工廠中各種精密數字輔助測量儀器，如水表和煤氣抄表、供應鏈出貨量監(jiān)測和個人標記佩戴報告等。這些應用有三個共同要求：外型小、電池壽命長以及具有魯棒特性，滿足這些要求的前提條件是選擇適當的網絡結構。 

　　網絡拓撲結構 

　　基本的星狀網拓撲結構是一個單跳(single-hop)系統，網絡中所有無線傳感器節(jié)點都與基站和網關進行雙向通信?；究梢允且慌_PC、PDA、專用控制設備、嵌入式網絡服務器，或其它與高數據率設備通信的網關，網絡中各節(jié)點基本相同。除了向各節(jié)點傳輸數據和命令外，基站還與因特網等更高層系統之間傳輸數據。各節(jié)點將基站作為一個中間點，相互之間并不傳輸數據或命令。在各種無線傳感器網絡中，星狀網整體功耗最低，但節(jié)點與基站間的傳輸距離有限，通常ISM頻段的傳輸距離為10-30米。 

　　網狀拓撲結構是多跳(hop，即一次中繼)系統，其中所有無線傳感器節(jié)點都相同，而且直接互相通信，與基站進行數據傳輸和相互傳輸命令。網狀網的每個傳感器節(jié)點都有多條路徑到達網關或其它節(jié)點，因此它的容故障能力較強。這種多跳系統比星狀網的傳輸距離遠得多，但功耗也更大，因為節(jié)點必須一直“監(jiān)聽”網絡中某些路徑上的信息和變化。 

　　混合網力求兼具星狀網的簡潔和低功耗以及網狀網的長傳輸距離和自愈性等優(yōu)點。在混合網中，路由器和中繼器組成網狀結構，而傳感器節(jié)點則在它們周圍呈星狀分布。中繼器擴展了網絡傳輸距離，同時提供了容故障能力。由于無線傳感器節(jié)點可與多個路由器或中繼器通信，當某個中繼器發(fā)生故障或某條無線鏈路出現干擾時，網絡可在其它路由器周圍進行自組。 

　　形狀因素 

　　無線傳感器網絡節(jié)點的典型配置包括兩個主要組成部分：RF收發(fā)器(模擬器件，工作頻率為300MHz-2.4GHz ISM高頻頻段)和MCU(數字器件，通常工作在kHz-MHz的低頻頻段)。RF收發(fā)器通常帶有各種外部元件，如電感、電容或聲表面波濾波器。由于這些外部元件體積龐大而且成本較高，因此RF電路很難滿足尺寸和成本要求。隨著CMOS工藝迅速進步，目前市面上出現了一些小型的低成本高集成度RF收發(fā)器。 

　　與此同時，現成的工業(yè)微控制器的性能和集成度也迅速提高。MCU集成了越來越多的外圍電路，成本卻沒有增加太多。例如，一些微控制器帶有內建的電壓監(jiān)測/調節(jié)器，而此前這些都是MCU的外部元件。一些微控制器甚至還包括了片上低功耗實時時鐘和硬件加密模塊，減少了數字電路的尺寸和成本。 

　　這些“組合”芯片的出現令人鼓舞，目前多家公司正在推出集成了RF收發(fā)器和MCU的單芯片產品。由于RF和數字電路之間存在串擾和噪音問題，以前很難實現兩者集成，隨著CMOS RF技術不斷改進，現在可設計出RF-數字集成芯片，進一步減少了產品尺寸和成本。 

　　降低系統功耗 

　　無線傳感器網絡的一個重要優(yōu)勢是擺脫了傳統網絡的連線限制和成本問題。但是，如果沒有合適的無線電源，這一優(yōu)勢就無法體現出來，因此電源效率是設計考慮的關鍵因素，因為如果必須時常更換電池(例如每周或每月)，那么相關的勞動力成本便會遠遠超過它相對有線網絡節(jié)省的成本。因此，電池必須具有較長的壽命(通常5-10年)。此外，由于傳感器網絡的理念是“隨時隨地無線”，減小節(jié)點尺寸也是必須考慮的設計要素，對傳感器節(jié)點來說，很多時候即使采用AA電池也會超出體積要求，因此只能選擇紐扣式電池供電。 

　　在完全工作狀態(tài)下，RF元件通常占70%的總功耗，接收比發(fā)送的功耗更大。RF元件在開關或從睡眠狀態(tài)轉為工作狀態(tài)時也會產生大量功耗。因此，進行功率預算設計時必須全面考慮到這些情況。 

　　RF電路的功耗與調制方式有極大關系。藍牙等寬帶RF芯片比窄帶無線芯片的基帶處理更為復雜，因此功耗更大。盡管寬帶無線產品的抗干擾能力更強，但對于很多傳感器網絡應用來說窄帶無線技術更實用且功耗更低。目前多家公司提供的RF芯片解決方案可實現高達1Mbps的數據率，接收模式(Rx)的靈敏度低于85dBm，電壓為3Vdc時電流不到10mA。當前一些新開發(fā)的RF芯片的工作頻率為2.4GHz，電流為15mA?？紤]到2.4GHz頻段在全球管制及覆蓋率方面的優(yōu)勢，這些RF芯片非常適用于無線傳感器網絡系統。 

　　另外，業(yè)界在微控制器的功耗控制方面也取得極大的進展。此前8位微控制器的典型功耗為4mA/Mips，而現在采用先進的芯片制造工藝和新型微控制器結構后，一些新器件的功耗已降低到0.5mA/Mips，這樣有助于降低無線節(jié)點的整體功耗。 

　　網絡協議 

　　符合開放式系統互連模式的自組無線傳感器網絡的典型協議堆棧。一般說來，如果參考模型中的各層接口一致定義后，每一層可獨立設計。但是，為了建立一個可靠并具有嚴格功耗預算的自組傳感器網絡，協議堆棧中的所有層都應滿足同樣的系統級要求，例如功耗約束、帶寬效率、適應性及魯棒性要求。為使解決方案切實可行，所有層都必須進行設計折衷，同時要考慮信道傳輸能力和設備處理速度等自身的局限性以及RF鏈路質量的變化。 

　　物理層設計 

　　從無線信號路徑損耗模型中我們可以看出，輸出功率隨著無線覆蓋范圍增加呈指數級增長。在自由空間中這一指數為2，在又各種阻擋的雜亂環(huán)境中為4。在相同端對端距離情況下，如果每個鏈路采用有限的傳輸功率，采用多鏈路傳輸所產生的功耗比直接在一個長鏈路中傳輸信息的功耗更低。為了延長電池的壽命，傳感器網絡應該采用收發(fā)功耗極低的無線設備，同時在需要長距離傳輸時使用多跳方式。蜂窩電話、IEEE802.11及藍牙等流行的無線設備的典型電流值為30mA以上，因此不適用于這種應用場合。 

　　如前所述，采用先進CMOS工藝技術生產的低功耗芯片現已上市，它們可實現100英尺的直線傳輸距離，在3Vdc工作電壓條件下電流為10mA。當這些無線設備占空比(duty cycle)低于0.1%時，220mA-hr的紐扣式電池在一般得環(huán)境中可持續(xù)工作兩年以上。 

　　但是，在傳感器網絡應用中，這還取決于信道共享和數據路由情況，降低單個節(jié)點的占空比會直接影響網絡性能。因此，在設計協議堆棧的高層時必須注意這點，以便支持占空比極低的物理層實現。 

　　數據鏈路層 

　　協議堆棧中的數據鏈路層通常提供兩個主要服務：媒體訪問控制(MAC)和錯誤控制。在多種MAC方式中，載波監(jiān)聽多點接入(CSMA)在自組傳感器網絡中最為常用。這主要是因為它易于實現，但更重要的是它可提高大型網絡的信道復用率。 

　　使用CSMA方式時，網絡節(jié)點在開始傳輸數據包之前要監(jiān)聽通信信道并檢測它是否空閑。如果信道已被占用，節(jié)點在等待一個隨機的時間后再次檢測。多數情況下(如IEEE 802.11)，無線節(jié)點甚至在等待的時候也處于監(jiān)聽模式。然而，無線設備即使在監(jiān)聽時的功耗也極大。因此，在網絡節(jié)點處于等待或不進行數據廣播時應該關斷無線電路。監(jiān)聽周期和等待周期都是CSMA的主要設計參數。 

　　CSMA適用于具有零星通信的網絡，但是當信道中持續(xù)傳輸長數據包或數據流時它的性能便會大大降低。為了提高繁忙信道的接入率(尤其是對于關鍵數據包)，除了常規(guī)的CSMA外還應該建立一種“非競爭”機制。對于無競爭的信道接入，基于集中式引導信號(centralized beacon)的傳輸調度安排十分有效。基于引導信號的調度安排在星狀拓撲結構的集中式系統中十分有效。然而，對于一般的分散拓撲結構的傳感器網絡的調度安排需要進行正確同步，這點很難實現。提高重要信息的信道接入能力的有效方法是給數據包分配優(yōu)先級，而不是保證時隙。在傳輸高優(yōu)先級數據包時，所有發(fā)送低優(yōu)先級數據包的節(jié)點同時休息一段較長的時間，以降低發(fā)生碰撞的可能性。 

　　如果高層協議按MAC目標設計可進一步提高信道的接入率。例如，某些傳感器網絡需要對傳感器進行周期性的數據采樣。如果應用層對采樣間隔和采樣順序的相移進行動態(tài)調節(jié)，那么進行周期性傳輸的大量節(jié)點便可有效共享無線信道。 

　　考慮到設備的硬件成本限制，傳感器網絡應用中難以采用CSMA/碰撞檢測機制。不過可選擇一種替代方案，CSMA碰撞回避(CA)是一種有效的碰撞控制方法。然而，CSMA-CA會給網絡增加極大的額外通信量。如果沒有直接的碰撞控制方法，數據鏈路層應采用錯誤控制方法以確保達到一定的傳輸成功率。事實證明，帶有應答握手信號的循環(huán)冗余校驗等通用錯誤檢測技術在傳感器網絡中十分有效。將數據鏈路層應答(節(jié)點對節(jié)點)和網絡層應答(端對端)靈活地結合起來便可實現滿足性能要求的傳輸成功率，并達到期望的功耗水平。 

　　網絡層設計 

　　網絡層負責路由查找和數據包傳送。自組傳感器網絡中大量節(jié)點是隨機部署的，因此在網狀網中查找多跳路由十分困難，當節(jié)點出現故障或重新部署后進行路由維護和修復(自愈)將同樣困難。過去幾年中出現了大量可支持自組多跳網絡的分布式路由算法。總的來說，這些路由算法可分為兩類：主動式(proactive)和被動式(reactive)。在主動式路由協議中，網絡中的所有節(jié)點都常常保持著源地址與目的地址之間的路由列表，不管是否需要這些路由。 

　　由于無需花時間查找路由，主動式路由能比被動式路由更快地傳輸數據包。不過，隨著網絡規(guī)模增加，這些路由列表也呈指數級增加，因此對于包含大量節(jié)點的典型傳感器網絡來說，要繼續(xù)保持這些列表十分困難。而在被動式路由協議中，源節(jié)點只有在需要向某個目的節(jié)點傳輸數據時才開始查找路由。找到路由后該節(jié)點會將路由信息保持一定時間。路由列表規(guī)模相對較小，與網絡規(guī)模大致相同。不過查找路由通常會有較長的延時，在要求實時性的應用中不可采用。 

　　多數自組移動網采用的分布式路由算法都是基于網狀網等平面網絡結構而開發(fā)的，而無論是主動式路由還是被動式路由。由于自組網不分層，每個節(jié)點都充當其它節(jié)點的中繼，其承擔的責任相同。在這種采用全分布式路由算法的平面網絡中，不進行傳輸的所有節(jié)點都必須主動監(jiān)聽信道，以實現中繼。因此，網狀網中的分布式路由算法產生較高的功耗。使用星型-網狀混合結構可開發(fā)一種智能路由，實現高功效、降低延時并增強連接性。由于每個傳感器的路由列表存儲空間有限，被動式路由可為傳感器網絡應用提供更緊湊的解決方案。通過將信息傳輸到充當數據集中站的少量節(jié)點上，可有效解決被動式路由的延時問題。每個集中站負責收集鄰近區(qū)域的通信信息。 

　　將通信保持在局部鄰近范圍內十分重要，它可保證自組網的可伸縮性。據觀察，每個節(jié)點的傳輸能力隨著自組網規(guī)模增加而下降，這是因為網絡規(guī)模增大后源節(jié)點與目的節(jié)點間的平均路徑長度也成比例增加。為了避免大型網絡中的節(jié)點傳輸能力逐漸降低，網絡中所有通信都應當保持在局部區(qū)域內，即數據包的平均跳躍次數應該比網絡的總中繼數少。 

　　應用類別 

　　在各種工業(yè)、樓宇及家用電器中，下列應用是傳感器數據采集及傳播十分常用的模式： 

　　1. 周期性采樣。對于某個需要經常監(jiān)控的條件或過程，例如空調環(huán)境中的溫度或處理管道中的壓力，每隔一定周期便進行大量的遠程傳感器采樣，并周期地將采樣數據傳輸到數據收集中心。采樣周期主要根據條件或過程的變化速度以及采集對象的自身特點來決定。由于遠程節(jié)點的占空比變化與采樣速率成正比，協議堆棧的應用層應該在滿足監(jiān)測條件的情況下盡量采用最小采樣率。很多情況下被監(jiān)測的條件或過程會不時地減慢或加快，因此，如果應用層可根據條件或過程的變化自動調節(jié)采樣率，則可盡量減少過采樣，從而極大地提高網絡系統的整體效率。 

　　與周期性采樣有關的另一個重要設計要點是多個節(jié)點間的相位關系。如果兩個節(jié)點的采樣率相近或相同，這兩個節(jié)點的數據包傳輸便有可能不斷碰撞。應用層必須檢測這種反復碰撞，并在兩個傳輸時序中加入相移，以避免再次碰撞。 

　　2. 事件驅動。許多情況下要求監(jiān)測一個或多個關鍵變量，同時只有在接近閥值時才進行傳輸。常見的例子包括火險報警、門窗傳感器及間隙使用的儀器等。為了使事件驅動達到一定的功效和響應速度，必須將沒有觸發(fā)事件時的傳感器節(jié)點功耗設計為最小，并且在快達到閥值時快速恢復工作。在設計協議堆棧中的所有層時都必須考慮這些要求。 

　　3. 存儲和轉發(fā)。在很多應用中，傳感器數據可在傳輸到基站前由遠程節(jié)點采集、存儲甚至處理，遠程節(jié)點對傳感器采樣進行匯集和處理，而不是在每次采集完便立刻傳輸，這樣有助于提高整個網絡的性能、功耗和帶寬效率。應用層協議應提供恰當的應用編程接口，以便有效地集成數據匯集和處理算法。