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可靠、低功耗無線傳感器網絡適用于物聯網: 使無線傳感器像網絡服務器一樣易于使用
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作者:pro75e66c
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發布時間: 2014-06-03
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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。
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。
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。
圖1：可靠、低功耗 IP 無線傳感器網絡將得到廣泛使用
為了進一步擴大傳感器部署規模，正在進行有關 IP 標準的制定工作，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 WiFi 信號) 暫時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，多經衰落是受頻率影響。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。Dust Networks (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 <1%)，并延長了電池的壽命。此外，因為該時間表可以靈活設定，所以網絡始終可供應用使用，不像其他“休眠”網絡架構，需要徹底關斷網絡很長時間。兩個節點之間發送的所有數據包都在以偽隨機跳頻方式計算出來的頻率上傳送。所產生的頻率多樣化是一種有效抵抗干擾和多徑衰落的方式。時間同步化網格網絡可實現長達 10 年的電池壽命和 >99.999% 的端到端可靠性。
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。
圖1：可靠、低功耗 IP 無線傳感器網絡將得到廣泛使用
為了進一步擴大傳感器部署規模，正在進行有關 IP 標準的制定工作，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 WiFi 信號) 暫時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，多經衰落是受頻率影響。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。Dust Networks (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 <1%)，并延長了電池的壽命。此外，因為該時間表可以靈活設定，所以網絡始終可供應用使用，不像其他“休眠”網絡架構，需要徹底關斷網絡很長時間。兩個節點之間發送的所有數據包都在以偽隨機跳頻方式計算出來的頻率上傳送。所產生的頻率多樣化是一種有效抵抗干擾和多徑衰落的方式。時間同步化網格網絡可實現長達 10 年的電池壽命和 >99.999% 的端到端可靠性。
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