自组无线传感器网络在周期性采样、事件驱动和“存储与转发”中得到很多应用,为了满足这些应用对功耗、传输距离及数据率的要求,工程师必须对相关的网络结构、网络协议和功耗等性能特点全面深入了解。本文介绍了支持这种标准的三种网络结构的优缺点,并说明了在进行协议堆栈各层设计及不同应用时的注意事项。
自组无线传感器网络在工业、医疗、消费及军事中有直接的应用,为实现这些应用对功耗、传输距离和数据率的要求,业界提出了一种无线新技术标准-IEEE802.15.4。该技术的功耗和数据率均低于蓝牙技术,在具体实现时将面临一些困难,例如电池的使用和设备大小等。此外,这种网络协议在包括延时、节点搜寻时间、传输路径查找以及消息确认等方面还存在挑战。为了正确运用这种技术,我们有必要全面了解它的物理及数据链路层参数。
与存在很多不同规格的蓝牙设备不同,自组无线传感器网络设备通常只有三种应用,即周期性采样、事件驱动和“存储与转发”。实现该技术的网络结构也有三种：星状网、网状网及混合网(星状网+网状网)。每种网络结构都有自身的优点和缺点,用户必须充分了解这些网络特点以满足不同无线传感器网络的应用要求。
微电机系统、低功耗无线电路和数字电路设计的飞速发展在很大程度上促成了这种低功耗自组网的产生和应用。目前无线传感器网络的功耗可降低到毫安级以下,因此传感器节点可使用一颗3V直流纽扣式电池来供电,根据不同的采样率,其工作时间可以达五年或以上。采用纽扣式电池的此类传感器节点外型小巧,便于携带且易于设计到小型设备中。这些低功耗、低数据率的应用包括工厂中各种精密数字辅助测量仪器,如水表和煤气抄表、供应链出货量监测和个人标记佩戴报告等。这些应用有三个共同要求：外型小、电池寿命长以及具有鲁棒特性,满足这些要求的前提条件是选择适当的网络结构。
网络拓扑结构
基本的星状网拓扑结构是一个单跳(single-hop)系统,网络中所有无线传感器节点都与基站和网关进行双向通信。基站可以是一台PC、PDA、专用控制设备、嵌入式网络服务器,或其它与高数据率设备通信的网关,网络中各节点基本相同。除了向各节点传输数据和命令外,基站还与因特网等更高层系统之间传输数据。各节点将基站作为一个中间点,相互之间并不传输数据或命令。在各种无线传感器网络中,星状网整体功耗最低,但节点与基站间的传输距离有限,通常ISM频段的传输距离为10-30米。
网状拓扑结构是多跳(hop,即一次中继)系统,其中所有无线传感器节点都相同,而且直接互相通信,与基站进行数据传输和相互传输命令。网状网的每个传感器节点都有多条路径到达网关或其它节点,因此它的容故障能力较强。这种多跳系统比星状网的传输距离远得多,但功耗也更大,因为节点必须一直“监听”网络中某些路径上的信息和变化。
混合网力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点。在混合网中,路由器和中继器组成网状结构,而传感器节点则在它们周围呈星状分布。中继器扩展了网络传输距离,同时提供了容故障能力。由于无线传感器节点可与多个路由器或中继器通信,当某个中继器发生故障或某条无线链路出现干扰时,网络可在其它路由器周围进行自组。
形状因素
无线传感器网络节点的典型配置包括两个主要组成部分：RF收发器(模拟器件,工作频率为300MHz-2.4GHzISM高频频段)和MCU(数字器件,通常工作在kHz-MHz的低频频段)。RF收发器通常带有各种外部元件,如电感、电容或声表面波滤波器。由于这些外部元件体积庞大而且成本较高,因此RF电路很难满足尺寸和成本要求。随着CMOS工艺迅速进步,目前市面上出现了一些小型的低成本高集成度RF收发器。
与此同时,现成的工业微控制器的性能和集成度也迅速提高。MCU集成了越来越多的外围电路,成本却没有增加太多。例如,一些微控制器带有内建的电压监测/调节器,而此前这些都是MCU的外部元件。一些微控制器甚至还包括了片上低功耗实时时钟和硬件加密模块,减少了数字电路的尺寸和成本。
这些“组合”芯片的出现令人鼓舞,目前多家公司正在推出集成了RF收发器和MCU的单芯片产品。由于RF和数字电路之间存在串扰和噪音问题,以前很难实现两者集成,随着CMOSRF技术不断改进,现在可设计出RF-数字集成芯片,进一步减少了产品尺寸和成本。
降低系统功耗
无线传感器网络的一个重要优势是摆脱了传统网络的连线限制和成本问题。但是,如果没有合适的无线电源,这一优势就无法体现出来,因此电源效率是设计考虑的关键因素,因为如果必须时常更换电池(例如每周或每月),那么相关的劳动力成本便会远远超过它相对有线网络节省的成本。因此,电池必须具有较长的寿命(通常5-10年)。此外,由于传感器网络的理念是“随时随地无线”,减小节点尺寸也是必须考虑的设计要素,对传感器节点来说,很多时候即使采用AA电池也会超出体积要求,因此只能选择纽扣式电池供电。
在完全工作状态下,RF元件通常占70%的总功耗,接收比发送的功耗更大。RF元件在开关或从睡眠状态转为工作状态时也会产生大量功耗。因此,进行功率预算设计时必须全面考虑到这些情况。
RF电路的功耗与调制方式有极大关系。蓝牙等宽带RF芯片比窄带无线芯片的基带处理更为复杂,因此功耗更大。尽管宽带无线产品的抗干扰能力更强,但对于很多传感器网络应用来说窄带无线技术更实用且功耗更低。目前多家公司提供的RF芯片解决方案可实现高达1Mbps的数据率,接收模式(Rx)的灵敏度低于85dBm,电压为3Vdc时电流不到10mA。当前一些新开发的RF芯片的工作频率为2.4GHz,电流为15mA。考虑到2.4GHz频段在全球管制及覆盖率方面的优势,这些RF芯片非常适用于无线传感器网络系统。
另外,业界在微控制器的功耗控制方面也取得极大的进展。此前8位微控制器的典型功耗为4mA/Mips,而现在采用先进的芯片制造工艺和新型微控制器结构后,一些新器件的功耗已降低到0.5mA/Mips,这样有助于降低无线节点的整体功耗。
网络协议
符合开放式系统互连模式的自组无线传感器网络的典型协议堆栈。一般说来,如果参考模型中的各层接口一致定义后,每一层可独立设计。但是,为了建立一个可靠并具有严格功耗预算的自组传感器网络,协议堆栈中的所有层都应满足同样的系统级要求,例如功耗约束、带宽效率、适应性及鲁棒性要求。为使解决方案切实可行,所有层都必须进行设计折衷,同时要考虑信道传输能力和设备处理速度等自身的局限性以及RF链路质量的变化。
物理层设计
从无线信号路径损耗模型中我们可以看出,输出功率随着无线覆盖范围增加呈指数级增长。在自由空间中这一指数为2,在又各种阻挡的杂乱环境中为4。在相同端对端距离情况下,如果每个链路采用有限的传输功率,采用多链路传输所产生的功耗比直接在一个长链路中传输信息的功耗更低。为了延长电池的寿命,传感器网络应该采用收发功耗极低的无线设备,同时在需要长距离传输时使用多跳方式。蜂窝电话、IEEE802.11及蓝牙等流行的无线设备的典型电流值为30mA以上,因此不适用于这种应用场合。
如前所述,采用先进CMOS工艺技术生产的低功耗芯片现已上市,它们可实现100英尺的直线传输距离,在3Vdc工作电压条件下电流为10mA。当这些无线设备占空比(dutycycle)低于0.1%时,220mA-hr的纽扣式电池在一般得环境中可持续工作两年以上。
但是,在传感器网络应用中,这还取决于信道共享和数据路由情况,降低单个节点的占空比会直接影响网络性能。因此,在设计协议堆栈的高层时必须注意这点,以便支持占空比极低的物理层实现。
数据链路层
协议堆栈中的数据链路层通常提供两个主要服务：媒体访问控制(MAC)和错误控制。在多种MAC方式中,载波监听多点接入(CSMA)在自组传感器网络中最为常用。这主要是因为它易于实现,但更重要的是它可提高大型网络的信道复用率。
使用CSMA方式时,网络节点在开始传输数据包之前要监听通信信道并检测它是否空闲。如果信道已被占用,节点在等待一个随机的时间后再次检测。多数情况下(如IEEE802.11),无线节点甚至在等待的时候也处于监听模式。然而,无线设备即使在监听时的功耗也极大。因此,在网络节点处于等待或不进行数据广播时应该关断无线电路。监听周期和等待周期都是CSMA的主要设计参数。
CSMA适用于具有零星通信的网络,但是当信道中持续传输长数据包或数据流时它的性能便会大大降低。为了提高繁忙信道的接入率(尤其是对于关键数据包),除了常规的CSMA外还应该建立一种“非竞争”机制。对于无竞争的信道接入,基于集中式引导信号(centralizedbeacon)的传输调度安排十分有效。基于引导信号的调度安排在星状拓扑结构的集中式系统中十分有效。然而,对于一般的分散拓扑结构的传感器网络的调度安排需要进行正确同步,这点很难实现。提高重要信息的信道接入能力的有效方法是给数据包分配优先级,而不是保证时隙。在传输高优先级数据包时,所有发送低优先级数据包的节点同时休息一段较长的时间,以降低发生碰撞的可能性。
如果高层协议按MAC目标设计可进一步提高信道的接入率。例如,某些传感器网络需要对传感器进行周期性的数据采样。如果应用层对采样间隔和采样顺序的相移进行动态调节,那么进行周期性传输的大量节点便可有效共享无线信道。
考虑到设备的硬件成本限制,传感器网络应用中难以采用CSMA/碰撞检测机制。不过可选择一种替代方案,CSMA碰撞回避(CA)是一种有效的碰撞控制方法。然而,CSMA-CA会给网络增加极大的额外通信量。如果没有直接的碰撞控制方法,数据链路层应采用错误控制方法以确保达到一定的传输成功率。事实证明,带有应答握手信号的循环冗余校验等通用错误检测技术在传感器网络中十分有效。将数据链路层应答(节点对节点)和网络层应答(端对端)灵活地结合起来便可实现满足性能要求的传输成功率,并达到期望的功耗水平。
网络层设计
网络层负责路由查找和数据包传送。自组传感器网络中大量节点是随机部署的,因此在网状网中查找多跳路由十分困难,当节点出现故障或重新部署后进行路由维护和修复(自愈)将同样困难。过去几年中出现了大量可支持自组多跳网络的分布式路由算法。总的来说,这些路由算法可分为两类：主动式(proactive)和被动式(reactive)。在主动式路由协议中,网络中的所有节点都常常保持着源地址与目的地址之间的路由列表,不管是否需要这些路由。
由于无需花时间查找路由,主动式路由能比被动式路由更快地传输数据包。不过,随着网络规模增加,这些路由列表也呈指数级增加,因此对于包含大量节点的典型传感器网络来说,要继续保持这些列表十分困难。而在被动式路由协议中,源节点只有在需要向某个目的节点传输数据时才开始查找路由。找到路由后该节点会将路由信息保持一定时间。路由列表规模相对较小,与网络规模大致相同。不过查找路由通常会有较长的延时,在要求实时性的应用中不可采用。
多数自组移动网采用的分布式路由算法都是基于网状网等平面网络结构而开发的,而无论是主动式路由还是被动式路由。由于自组网不分层,每个节点都充当其它节点的中继,其承担的责任相同。在这种采用全分布式路由算法的平面网络中,不进行传输的所有节点都必须主动监听信道,以实现中继。因此,网状网中的分布式路由算法产生较高的功耗。使用星型-网状混合结构可开发一种智能路由,实现高功效、降低延时并增强连接性。由于每个传感器的路由列表存储空间有限,被动式路由可为传感器网络应用提供更紧凑的解决方案。通过将信息传输到充当数据集中站的少量节点上,可有效解决被动式路由的延时问题。每个集中站负责收集邻近区域的通信信息。
将通信保持在局部邻近范围内十分重要,它可保证自组网的可伸缩性。据观察,每个节点的传输能力随着自组网规模增加而下降,这是因为网络规模增大后源节点与目的节点间的平均路径长度也成比例增加。为了避免大型网络中的节点传输能力逐渐降低,网络中所有通信都应当保持在局部区域内,即数据包的平均跳跃次数应该比网络的总中继数少。
应用类别
在各种工业、楼宇及家用电器中,下列应用是传感器数据采集及传播十分常用的模式：
1.周期性采样。对于某个需要经常监控的条件或过程,例如空调环境中的温度或处理管道中的压力,每隔一定周期便进行大量的远程传感器采样,并周期地将采样数据传输到数据收集中心。采样周期主要根据条件或过程的变化速度以及采集对象的自身特点来决定。由于远程节点的占空比变化与采样速率成正比,协议堆栈的应用层应该在满足监测条件的情况下尽量采用最小采样率。很多情况下被监测的条件或过程会不时地减慢或加快,因此,如果应用层可根据条件或过程的变化自动调节采样率,则可尽量减少过采样,从而极大地提高网络系统的整体效率。
与周期性采样有关的另一个重要设计要点是多个节点间的相位关系。如果两个节点的采样率相近或相同,这两个节点的数据包传输便有可能不断碰撞。应用层必须检测这种反复碰撞,并在两个传输时序中加入相移,以避免再次碰撞。
2.事件驱动。许多情况下要求监测一个或多个关键变量,同时只有在接近阀值时才进行传输。常见的例子包括火险报警、门窗传感器及间隙使用的仪器等。为了使事件驱动达到一定的功效和响应速度,必须将没有触发事件时的传感器节点功耗设计为最小,并且在快达到阀值时快速恢复工作。在设计协议堆栈中的所有层时都必须考虑这些要求。
3.存储和转发。在很多应用中,传感器数据可在传输到基站前由远程节点采集、存储甚至处理,远程节点对传感器采样进行汇集和处理,而不是在每次采集完便立刻传输,这样有助于提高整个网络的性能、功耗和带宽效率。应用层协议应提供恰当的应用编程接口,以便有效地集成数据汇集和处理算法。