无线传感器网络的应用市场和解决方案

性能度量指标

各种不同 WSN解决方案的评估基于两个问题：“我能否快速地获得所有的数据?”和“成本将达到多少?”。WSN 必须专为在具有低至约 50% 的链路层数据包递交率 (PDR) 的环境中工作而设计。

当开发无线数据收集系统时，有几项性能指标是必须满足的。首先，系统必须满足一个最小可靠性目标。就工业应用而言，目标通常是至少接收 99.9% 的生成数据，因为丢失的数据会触发代价高昂的警报条件。其次，系统必须支持一定的吞吐量，即每秒传送若干个传感器数据包。第三，这些数据包仅当其在某个最大延迟周期以内收到时才有效。许多处理器依靠的是最新数据更新 —— 对于控制来说，过期数据或许不具备实用性。第四，不少系统必须在严苛的环境中运作，此类环境包括宽温度范围及本质安全限制条件。只有那些满足了所有上述四项要求的解决方案才被认为适合做进一步的评估。

当研究各种满足相关要求的解决方案时，关键的选择标准变成了“拥有成本”和“灵活性”。拥有成本涵盖多个方面：产品开发、安装、硬件以及设备使用期限内的供电。与有线解决方案相比，无线技术大幅度地降低了安装成本，不过，电池供电型无线设备却有可能需要在网络的使用期限内更换电池。另外，还需要在以下两种选择方案之间进行权衡，即：构建具有少量高功率设备的网络(以降低硬件成本) 抑或构筑采用大量低功率设备的网络。对于那些由能量收集单元 (例如：太阳能、热电) 供电的设备，大部分的成本或许取决于电容器尺寸。诸如时分多址 (TDMA) 等采用确定性调度的解决方案可帮助将大电流事件尽可能地分离开来，从而降低电容器尺寸要求。

由于最终的部署情况不可预知，因此网络的设计必须具备高度的灵活性。网络所安装的传感器数量必须是可调节的 (从少到多)，网络的密度也须具备从低到高的调节范围。为了在多种多样的无线环境中保持坚固性，资源配置应确保设备可在适度干扰的条件下可靠地通信，而且当个别设备丢失时，网络应能继续正常运行。附加的资源 (包括更多的无线链路、用于每部设备的更多相邻设备、或更多的信号放大) 可改善可靠性与延迟。所有这些附加资源都将导致功率成本的增加，可利用动态分配最大限度地减小这种功率成本的上涨。

基于标准的解决方案可避免采用单一供应商组件时所遇到供应链难以预测的变化，并可保证同意在运作的管理原理。

挑战

就实质而言，无线通道是不可靠的，而且许多现象都会阻止一个已发送的数据包到达接收器。此类现象之一就是干扰。假如两个独立的发送器在同一个通道上传送数据，它们就有可能在接收器的无线电路中损坏彼此的信号。这就要求发送器进行重发，代价将是时间和能源消耗的增加。

如果基础媒体接入技术未排定无争用通信，则干扰可能来自同一个网络。倘若两个发送器能够“听到”接收器，但相互之间听不到 ，那就特别成问题了，它需要退下来并用确认机理来解决冲突。

干扰也可能来自工作于相同无线电空间里的另一个网络，或者一种使用同一频段的不同无线电技术。后者尤其存在于无需申请许可的频段，例如：2.400 至 2.485GHz 的仪表、科学和医学 (ISM) 频段、Wi-Fi、蓝牙和 802.15.4 等都工作在此频段上。

第二种现象是多径衰落，它会阻止一个已发送的数据包到达接收器，而且不仅更具破坏性，量化也更加困难。这通常被描述为“自干扰”，当接收器同时接收到发送器通过视线路径传送的信号以及环境中的物体 所反射的同一信号时，就会发生此类现象。由于那些“拷贝信号”的传输距离不同，因此它们到达接收器的时间不一样，从而有可能产生破坏性的干扰。20dB ~ 30dB 的衰落并不是少见。

多径衰落取决于环境中每个物体的位置和性质，而且在任何实际设置中都是不可预知的。一个优良的特性是：假如某个数据包因多径衰落之故而未被接收，那么在一个不同的频率上重新进行发送其获得成功的概率是很高的。

由于干扰及多径衰落的原因，构建可靠无线系统的关键在于充分利用通道和路径分集。

解决方案

如前文所述，一项非常适合解决 WSN 问题的技术是 IEEE 802.15.4。802.15.4 无线标准在多个无需申请许可的频段中提供了低功率、低数据速率 PHY，这些频段包括可在北美地区使用的 915MHz 频段和全球可用的 2.4GHz ISM 频段。2.4GHz 频段扩频 PHY 可提供噪声免疫力 —— 对于专为有可能工作于拥挤的免执照频段而设计的低能耗设备而言，这是一个特别重要的特性。该标准还定义了一个基于可靠和经确认数据包的 MAC 层，其具有任选的加密和验证功能。这种灵活的解决方案构成了多个专有和基于标准之协议的基础，包括 ZigBee 协议和 WirelessHART 协议。

凌力尔特旗下的 Dust Networks 公司帮助制定的 WirelessHART 协议具有一个 802.15.4 2.4GHz PHY 和一个基于 802.15.4 的链路层，为标准的 802.15.4 MAC 增添了同步、通道跳频、优先级和基于时间的验证。它具有一个提供了路径和端到端安全性的网络层，以及一个薄的不可靠/ 可靠网格传输层。WirelessHART 协议规定了时隙定时、设备保持同步的方法、以及设备如何通过在重复的超帧上将时间划分为分隙式通信机会 (时隙) 来安排时间 / 通道通信机会。制定该协议的目的在于实现无线设备与工业过程监视和控制应用中广泛使用的现有有线 HART 设备的无缝集成。WirelessHART 扩展了 HART应用层命令集，添加了用于管理无线资源和监视网络健康状况的命令。WirelessHART 网络是高度可靠的网格，即使在设备不具备视线且间隔数十至数百米的情况下，每部设备都拥有多个其可发送数据的相邻设备，从而提供了实现高可靠性所需的路径分集。WirelessHART 网络采取中央管理的方式，大多数网络“智能”都存在于一个管理器之中。现场设备 (无线传感器) 负责报告状态信息，管理器利用这些信息来训练和优化网络，而传感器数据则被通报至一个被称为网关的应用代理。

今年早些时候发布了新的 802.15.4e 修正案，其中正式确定了时隙式通道跳频特性 (与 802.15.4 MAC 层上的 WirelessHART 中的特性相似)。该标准定义了用于通告同步化信息 (以使设备能同步至一个网络) 的机理，提供了基于时间的安全性，并规定了分隙式通信和跳频序列。它在“信息元素”中大量运用了数据封装，这使得能够进行MAC的定制扩展，而不必等待标准的更新。其旨在简化多层协议的开发，并专为耦合至一个6LoWPAN压缩型IPv6网络层而特别设计。