實現(xiàn)低功率的系統(tǒng)化方法

通過更全面地考察能量在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的消耗方式，我們可以看到，功耗可以看作是以下的函數(shù)：數(shù)據(jù)流量、發(fā)送數(shù)據(jù)包所需能量、從一個節(jié)點向另一個節(jié)點成功發(fā)送數(shù)據(jù)包所需的重試次數(shù)。

就每一個數(shù)據(jù)包所耗能量而言，通過采用對每次重試都提供時間、通路和頻率多樣性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 (因此減少了每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包所需的平均重試次數(shù))，可以實現(xiàn)低電流消耗，因為這樣可以提高整個系統(tǒng)的效率，而不是在應(yīng)用層上造成損失。TSCH 網(wǎng)絡(luò)中的通信時間表是高度可配置的，而且通信時隙可以基于應(yīng)用需求自動分配。TSCH 網(wǎng)絡(luò)可以配置為低數(shù)據(jù)速率，以最大限度降低所需功率，而且這種網(wǎng)絡(luò)有潛力采用能量收集技術(shù)。同樣，TSCH 網(wǎng)絡(luò)可以配置為支持不同的數(shù)據(jù)報告速率，就像在工廠中常見的那樣，工廠中有變化慢的變量 (例如水箱水位) 和變化較快的變量 (管道中的流量)。TSCH 網(wǎng)絡(luò)會自動給網(wǎng)絡(luò)的各個部分分配其所需的時隙。因此 TSCH 網(wǎng)絡(luò)不是迫使用戶定制其應(yīng)用以滿足網(wǎng)絡(luò)要求，而是可以被定制以滿足種類繁多的應(yīng)用需求。

實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

TSCH 已經(jīng)成為 WirelessHART (IEC62591) 等現(xiàn)有工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件，也是新出現(xiàn)的 IEEE802.15.4e 等 IP 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的組成部分1。IETF 6TiSCH 工作組也在進(jìn)行 TSCH 鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)化工作2。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采用 TSCH 將有助于 TSCH 繼續(xù)得到更加廣泛的采用。

目前已經(jīng)證實，在工業(yè)流程監(jiān)視3、圍欄線周邊安全4、數(shù)據(jù)中心能效5、城市規(guī)模的智能停車解決方案6 等廣泛和要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，TSCH 網(wǎng)絡(luò)的電池壽命能夠長達(dá)多年，而且數(shù)據(jù)可靠性 >99.999%。TSCH 網(wǎng)絡(luò)提供高度可靠、高度可配置的低功率無線網(wǎng)絡(luò)，非常適合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

圖 3：針對 TSCH 進(jìn)行了優(yōu)化的硬件之優(yōu)勢。本圖顯示了數(shù)據(jù)包發(fā)送和鏈路層確認(rèn)接收期間的電流消耗。采用 TSCH 進(jìn)行了優(yōu)化的硬件后 (例如凌力爾特公司的 LTC5800-IPM)，各個數(shù)據(jù)收發(fā)操作所需電荷量可以低至 54.5µC。

1 適用于物聯(lián)網(wǎng)的可靠、低功率 WSN - http://www.linear.com/docs/44202

2 https://datatracker.ietf.org/wg/6tisch/charter/

3 艾默生過程控制 – http://cds.linear.com/docs/cn/case-study/Dust_Case_Study_Emerson_chs.pdf

4 Integrated Security公司 – www.isc-hydra.com

5 Vigilent公司 - http://cds.linear.com/docs/cn/case-study/Dust_Case_Study_Vigilent_chs.pdf

6 Streetline公司 - http://cds.linear.com/docs/cn/case-study/Dust_Case_Study_Streetline_chs.pdf

配文：

多徑衰落對無線通信的影響

多徑衰落取決于環(huán)境中每一種物體的位置和性能，在任何實際系統(tǒng)中都是不可預(yù)測的。不過好的一面是，圖 A1 中所繪圖形隨頻率不同而變化。也就是說，如果由于多徑衰落而未接收到數(shù)據(jù)包，那么以不同頻率重新發(fā)送，成功的可能性會很高。

圖 A1：多徑衰落導(dǎo)致鏈路質(zhì)量劇烈變化，甚至僅將接收器移動幾厘米，鏈路質(zhì)量都會大不相同。

因為環(huán)境中的物體不是靜態(tài)的 (例如，汽車經(jīng)過、大門開關(guān)等)，所以多徑衰落的影響也隨時間推移而變化。圖 A2 顯示了在 26 天時間內(nèi)對一個 16 通道系統(tǒng)中每一通道的觀察結(jié)果，給出了兩個工業(yè)傳感器之間單一無線通路的數(shù)據(jù)包交付率�？梢钥闯觯�其周期以周為單位，工作日和周末都清晰可見。在任意給定時間，有些通道質(zhì)量良好 (高交付率)，另一些則很差，還有一些處于高度變化之中。通道 17 盡管一般都處于良好狀態(tài)，但至少有一段時間交付率為零。網(wǎng)絡(luò)中的每條通路質(zhì)量都類似，但顯示了獨(dú)特的通道性能，可以看出，沒有任何一條通道能在網(wǎng)絡(luò)各處都適用。

圖 A2：無線鏈路的數(shù)據(jù)包交付率隨時間不同而變化

由于干擾和多徑衰落的存在，所以搭建可靠無線系統(tǒng)的關(guān)鍵是實現(xiàn)通道和通路的多樣性。