工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的最大承諾之一是，利用從無線傳感器網(wǎng)絡 (WSN) 收集的真實數(shù)據(jù)提高效率和簡化業(yè)務實踐。對 WSN 的需求多種多樣，傳感器可能遍布建筑物、城市街道、工廠、隧道和橋梁、行駛中的車輛、或者偏遠地點 (例如: 沿管線放置和氣象站) 等等。這類應用對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的常見要求是，WSN 功耗低，提供與有線網(wǎng)絡類似的可靠性，而且支持種類繁多的網(wǎng)絡形狀、規(guī)模和數(shù)據(jù)速率。

無線網(wǎng)格網(wǎng)絡得到了越來越廣泛的采用，因為這類網(wǎng)絡能夠利用功率相對低的無線電設備在節(jié)點之間轉(zhuǎn)發(fā)信息，并覆蓋很大的區(qū)域，還能夠使用替代的通路和途徑以克服干擾問題，保持很高的可靠性。尤其是有一種稱為時間同步通道跳頻 (TSCH) 的網(wǎng)格網(wǎng)絡技術，該技術由凌力爾特的 Dust Networks 率先提出，并已納入 WirelessHART 工業(yè)標準。TSCH 經(jīng)過實用驗證，可提供工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需性能。TSCH 網(wǎng)絡一般提供 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性，而且所有無線節(jié)點 (甚至路由節(jié)點) 的小型鋰電池之壽命都長達多年。相比之下，其他各種網(wǎng)格網(wǎng)絡盡管采用的技術聽起來類似 (例如，“頻率捷變”相對于“通道跳頻”，“休眠”相對于“時間同步” 網(wǎng)格)，但是所提供的性能卻顯著不同。因此，這些無線網(wǎng)絡的不同細節(jié)決定了，協(xié)議選擇對 WSN 的性能以及網(wǎng)絡對應用的總體適用性有極大影響。

無線傳感器網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)

無線從本質(zhì)上而言是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的來源，以考慮怎樣在通信系統(tǒng)中應對這問題。在有線通信中，通信信號受到電纜屏蔽，不與外界接觸。與此不同，RF 信號露天傳播，與周圍環(huán)境相互影響。因此其他 RF 信號傳輸源有可能對有用 RF 信號造成有效干擾。

不過，更為常見的問題是多徑衰落的影響，所謂多徑衰落，即 RF 信號可能因其自身從周圍表面反射回來且反射信號之間相位不同而被衰減 (圖 1)。手機用戶每天都會遇到多徑衰落問題，當在某一點手機信號強度似乎很弱時，可能只需移動幾厘米，信號強度就能改善。多徑衰落的影響隨時間而變，因為附近的反射表面 (例如人、車、門等) 一般會移動。最終結果是，隨著時間推移，任一 RF 通道的信號質(zhì)量都會發(fā)生很大變化。

圖 1：多徑衰落 ─ 無線信號在接收器端 (B) 的強度不僅受直接路徑 (PD) 影響，而且受反射路徑 (PM1 和 PM2) 影響，反射信號到達接收器端時，相位可能不同，從而導致顯著的信號衰落。

使這種挑戰(zhàn)更加嚴峻的是，多徑衰落是不可預測的。按照定義，網(wǎng)絡必須在通道性能受到多經(jīng)衰落影響 (因此也要估算這種影響) 的通道上有效傳送數(shù)據(jù)。因此，盡管運用簡單的無源信號強度測量方法 (RSSI) 測量未用通道的概念可能有助于檢測有源干擾信號，但是用這種方法卻不可能預測多徑衰落情況下的通道適用性。

幸運的是，既然多徑衰落對每個 RF 通道的影響都不同，而且隨時間推移不斷變化，那么采用通道跳頻實現(xiàn)頻率多樣性，就可以最大限度減小多徑衰落的負面影響。WSN 協(xié)議面臨的挑戰(zhàn)是，能否在大型多跳網(wǎng)絡上運用通道跳頻技術。

在 WSN 中的常見采用方法

為了解在受到這些限制的情況下，WSN 性能有何不同，我們先要看一看，在一些無線網(wǎng)格網(wǎng)絡中，為實現(xiàn)頻率多樣性并降低功耗，常常采用哪些方法。

單通道 WSN 和通道捷變 ─ 在一些簡單的無線網(wǎng)格網(wǎng)絡中，一種常見方法是讓所有節(jié)點都在單一通道上工作。既然僅用一個 RF 通道，那么按照定義，一次只能有一個設備發(fā)送信號。由于相對易于實現(xiàn)，網(wǎng)絡協(xié)議棧開發(fā)人員依然常常選擇單通道工作方式，而以這種方式提供的 WSN 幾乎沒有頻率多樣性。

為了應對通道中存在的有源 RF 干擾問題，有些單通道 WSN 采用了所謂的通道捷變機制。采用這種機制的網(wǎng)絡可以向所有節(jié)點廣播信息，以改變工作通道。不過，即使在通道捷變網(wǎng)絡中，在任一時間點上，網(wǎng)絡仍然在單一通道上工作。采用通道捷變方法的前提是，假定存在一個對整個網(wǎng)絡都足夠好的通道。然而，真實數(shù)據(jù)顯示，在多徑衰落的影響下，任何 RF 通道在網(wǎng)絡壽命期內(nèi)，都會經(jīng)歷嚴重的路徑劣化問題，這會導致節(jié)點在幾分鐘甚至幾小時內(nèi)無法工作 (參見配文：“多徑衰落對無線通信的影響”)。盡管采用通道捷變方法的網(wǎng)絡可以改變通道，避開某個有源干擾信號，但是既然該網(wǎng)絡仍然在單一通道上工作，那么就仍然易于受到多徑衰落的災難性影響。

全網(wǎng)絡休眠動態(tài)占空比 (Duty Cycling by Network Wide Sleeping) ─ 為了以低功率運行，無線傳感器網(wǎng)絡進行某種形式的占空比調(diào)節(jié)，以最大限度減少有效運行 (例如發(fā)送、接收等，這時通常消耗數(shù) mA 功率) 時間所占百分比，同時最大限度增大低功耗休眠模式 (一般吸取 1mA 或更小的電流) 在時間上所占百分比。有些無線傳感器網(wǎng)絡采用了全網(wǎng)絡休眠方法 (有時稱為“休眠型”網(wǎng)格網(wǎng)絡)，采用這種方法時，網(wǎng)絡中的所有節(jié)點會在較長時間內(nèi)同時處于低功耗休眠狀態(tài)，并幾乎在開始發(fā)送 / 接收 / 轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡流量的同時喚醒。采用這種休眠方法時，網(wǎng)絡在待用期間完全不能用于通信。例如，如果一個 WSN 在 1 小時喚醒一次，那么在這 1 小時中，該網(wǎng)絡不能發(fā)送報警信息，也不能接收來自控制器的信息，因此無法打開所附的報警指示器。還有一點也很重要，即需要考慮全網(wǎng)絡休眠方法對 WSN 應對真實運行情況的能力有哪些影響。在較長的休眠期內(nèi)，周圍 RF 環(huán)境仍然是動態(tài)變化的。在網(wǎng)絡休眠時，任何信號通路出現(xiàn)不穩(wěn)定，都只能等網(wǎng)絡喚醒以后才能修復。更加麻煩的是，休眠型網(wǎng)絡往往是單通道網(wǎng)絡，這在網(wǎng)絡運行期間進一步給網(wǎng)絡增加了壓力，同時增加了通信不穩(wěn)定的風險。