基于結(jié)構(gòu)化方法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
來源：電子工程專輯
摘要： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由一些獨立、完全嵌入式操作的小體積低功耗節(jié)點組成，這些節(jié)點能夠檢測來自目標(biāo)環(huán)境的數(shù)據(jù)或控制目標(biāo)環(huán)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(yuǎn)程、或通過嵌入式應(yīng)用程序進行管理。這些節(jié)點的數(shù)量從十幾個到數(shù)千個不等，一個典型系統(tǒng)由數(shù)百個分布于整座大樓或室外空間的節(jié)點組成。
Abstract：
Key words :
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由一些獨立、完全嵌入式操作的小體積低功耗節(jié)點組成，這些節(jié)點能夠檢測來自目標(biāo)環(huán)境的數(shù)據(jù)或控制目標(biāo)環(huán)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(yuǎn)程、或通過嵌入式應(yīng)用程序進行管理。這些節(jié)點的數(shù)量從十幾個到數(shù)千個不等，一個典型系統(tǒng)由數(shù)百個分布于整座大樓或室外空間的節(jié)點組成。
許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用私有標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)無線組網(wǎng)，但最近的趨勢是逐漸向標(biāo)準(zhǔn)化的低功耗無線通信發(fā)展。基于著名的802.15.4規(guī)范的ZigBee就是一種用于無線檢測和控制的標(biāo)準(zhǔn)。雖然802.15.4文檔僅描述了協(xié)議的PHY和MAC層，但基于802.15.4構(gòu)建的ZigBee還提供網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層規(guī)范。
ZigBee具有許多優(yōu)點，包括可以實現(xiàn)多跳路由和數(shù)據(jù)發(fā)送的網(wǎng)格協(xié)議、安全規(guī)范和針對應(yīng)用層互操作性的整套參數(shù)設(shè)置?？傊?，ZigBee向嵌入式應(yīng)用開發(fā)人員提供了管理網(wǎng)絡(luò)以及連接其它節(jié)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(jié)論同樣也適用于采用802.15.4 MAC和PHY的其它標(biāo)準(zhǔn)。為了避免出現(xiàn)混亂，后文假設(shè)我們的目標(biāo)設(shè)計涉及的是使用網(wǎng)格路由協(xié)議、802.15.4兼容調(diào)制方案和介質(zhì)訪問協(xié)議的多跳網(wǎng)絡(luò)。本文還假設(shè)讀者對ZigBee和802.15.4規(guī)范已有基本了解。
網(wǎng)絡(luò)組織和規(guī)模
網(wǎng)絡(luò)組織和規(guī)模也許是最重要的設(shè)計選項，它往往對接下來的設(shè)計過程起著告知和指導(dǎo)作用。它還有約束作用，因為大型網(wǎng)絡(luò)通常更難設(shè)計和維護。幸運的是，如今已經(jīng)有方法能輕松實現(xiàn)和維護非常大的網(wǎng)絡(luò)。
網(wǎng)絡(luò)組織和規(guī)模
網(wǎng)絡(luò)組織和規(guī)模也許是最重要的設(shè)計選項，它往往對接下來的設(shè)計過程起著告知和指導(dǎo)作用。它還有約束作用，因為大型網(wǎng)絡(luò)通常更難設(shè)計和維護。幸運的是，如今已經(jīng)有方法能輕松實現(xiàn)和維護非常大的網(wǎng)絡(luò)。
目前最先進的ZigBee網(wǎng)絡(luò)規(guī)模在300到500個節(jié)點之間。這個規(guī)?？雌饋聿淮螅囅胍幌?，所有這些節(jié)點工作在同一物理信道上，彼此在同一時間發(fā)送數(shù)據(jù)，根據(jù)每個節(jié)點的行為路由數(shù)據(jù)，并在同一時間試圖保持整個網(wǎng)絡(luò)的完整性(通過發(fā)送周期性控制消息)，這該是個很吵很擁擠的網(wǎng)絡(luò)。另外還要注意，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)所依據(jù)的802.15.4規(guī)范使用了CSMA/CA(載波偵聽多址訪問/碰撞避免)協(xié)議，也就是說，在各自“聽力”范圍內(nèi)沒有兩個節(jié)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(wǎng)絡(luò)已經(jīng)擁塞，那么這些重試將產(chǎn)生級聯(lián)傳輸故障，試圖發(fā)起空中訪問的節(jié)點將越來越多，從而加劇信道的擁擠。
事實上，在設(shè)計數(shù)百個節(jié)點以上的網(wǎng)絡(luò)時面臨的主要挑戰(zhàn)之一是如何有效地管理網(wǎng)絡(luò)擁塞(另外一個挑戰(zhàn)是在運行時優(yōu)化用于存儲內(nèi)部堆棧狀態(tài)的系統(tǒng)資源)。下面的小節(jié)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(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范。
網(wǎng)絡(luò)密度
顯然，“300個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)”給我們提供的有關(guān)網(wǎng)絡(luò)組織的信息是很少的。由于存在上述沖突碰撞問題，網(wǎng)絡(luò)密度也是影響網(wǎng)絡(luò)健康的一個重要因素，也就是說在每個節(jié)點聽力范圍內(nèi)存在多少個節(jié)點，或者換句話說，一個普通節(jié)點可以聽到多少個其它節(jié)點？專家建議是小于5個，因為這個數(shù)量支持冗余設(shè)計和相對無阻塞的通信介質(zhì)。7個節(jié)點以上的網(wǎng)絡(luò)很可能出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)砣木W(wǎng)段而加重網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。
一個相關(guān)的問題隨之而來，系統(tǒng)設(shè)計師該如何判斷有多少個節(jié)點能被聽到？一個顯而易見的策略是定制嵌入式應(yīng)用程序。有關(guān)相鄰節(jié)點的信息實際上是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議操作的一個重要部分。事實上，節(jié)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(nèi)的每個其它節(jié)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(shù)量。然后駐留程序再將這個診斷結(jié)果發(fā)送給指定節(jié)點。很明顯，這樣做只有在網(wǎng)絡(luò)密度仍能改變的網(wǎng)絡(luò)安裝過程中才有意義。一旦網(wǎng)絡(luò)安裝完畢并開始運行，密度信息將在故障排除過程中發(fā)揮顧問的作用。
請注意，如果相鄰表格的大小小于周圍節(jié)點的數(shù)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(fù)面影響總體網(wǎng)絡(luò)性能，因為即使路徑中沒有節(jié)點離線，也會強制路由被重新發(fā)現(xiàn)。因此，除了限制網(wǎng)絡(luò)密度以避免擁塞外，還必須根據(jù)系統(tǒng)資源(如相鄰表格的大小)確定網(wǎng)絡(luò)密度。
在節(jié)點的物理位置由于應(yīng)用要求而被固定的情況下，網(wǎng)絡(luò)密度可以方便地通過降低擁塞區(qū)域中收發(fā)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(jié)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(shè)為最大值，以確保最大工作范圍和最佳鏈路質(zhì)量。根據(jù)我們的經(jīng)驗，在距離性能不很重要的室內(nèi)應(yīng)用場合，輸出功率可以很容易降低。根據(jù)經(jīng)驗，輸出功率降低3dBm，有效距離范圍可以縮短1.5倍。
有關(guān)密度的最后一個考慮因素是，故障率增加到足夠高以致于觸發(fā)上述級聯(lián)故障效應(yīng)的理論極限。當(dāng)然，這個參數(shù)取決于應(yīng)用程序本身發(fā)送的信息量。根據(jù)經(jīng)驗，如果每個節(jié)點每秒發(fā)送一個最大長度的數(shù)據(jù)包，那么在各個節(jié)點的聽力范圍內(nèi)這個極限值約為25個節(jié)點。密度極限似乎是不變的，與堆棧實現(xiàn)無關(guān)，這意味著密度極限與MAC層更基本的CSMA操作有關(guān)。例如，我們可以推斷每隔n秒發(fā)送一個包的節(jié)點的密度極限值，就是將最大密度乘以1.2n倍。這個近似值從來不應(yīng)被用作網(wǎng)絡(luò)密度的精確指導(dǎo)值，因為實際值將取決于網(wǎng)絡(luò)中的路由器和終端設(shè)備的比例。
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