為無線傳感網(wǎng)構建做出正確的權衡

越來越多的高性價比的無線技術和可應用于更廣領域的解決方案的出現(xiàn)，帶來了無線傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應用的激增。無線系統(tǒng)制造商的目標就是提供更加靈活可靠的方案，在獲得最長的電池壽命的同時盡可能擴展網(wǎng)絡的傳輸距離。很多傳感器網(wǎng)絡都是由一些簡單的節(jié)點組成，這些節(jié)點收集數(shù)據(jù)并將之發(fā)送給集中器?；趥鹘y(tǒng)的方案，為改善性能需要折衷權衡考慮，而相比較而言，用于改善未來系統(tǒng)性能的新技術則在折衷考慮方面會有很大的不同。

傳輸速率和距離

傳輸速率是系統(tǒng)設計中一個關鍵的可變因素，它將決定整個系統(tǒng)整體性能的很多屬性。無線傳輸距離由接收機靈敏度和發(fā)射機輸出功率共同決定，兩者之間的差值我們稱之為鏈路預算。輸出功率受限于標準規(guī)范，所以只有通過提高靈敏度來增加距離，而靈敏度又受數(shù)據(jù)速率非常重要的影響。對所有的調制方式來說，越低的速率，接收機的帶寬越窄，接收靈敏度就越高。在現(xiàn)今高性價比無線收發(fā)機中應用最廣泛的調制方式是FSK或者GFSK。要進一步減小FSK系統(tǒng)的接收機帶寬，唯一可行的辦法就是提高參考晶體的精確度。雖未經檢驗過但可以預見，這很容易就會產生比接收機帶寬更寬的頻率偏差。低成本的晶體一般只有20ppm的精度，這將限制使用載波頻率為868MHz或915MHz系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率在20kbps，靈敏度在-112dBm。使用溫補晶振可以獲得更高的靈敏度，但是溫補晶振的價錢將是普通晶體的三倍。

擴頻調制方式在其他領域應用了很多年，但直到至今仍未使用于低成本的傳感網(wǎng)絡方案。在等同的數(shù)據(jù)速率條件下，商用的低成本擴頻調制方式可以獲得比傳統(tǒng)FSK調制方式高8-10dB的靈敏度。升特(Semtech)公司將推出一款新的收發(fā)機，這款收發(fā)機集成了一種名為LoRa的擴頻調制方式和傳統(tǒng)的GFSK調制方式。圖1展示了在GFSK調制和LoRa擴頻調制兩種系統(tǒng)中靈敏度相對數(shù)據(jù)速率的關系曲線。

圖1：在GFSK調制和LoRa擴頻調制兩種系統(tǒng)中靈敏度相對數(shù)據(jù)速率的關系曲線。

有些擴頻調制方式對晶體引起的頻率偏差更不敏感，這類接收機在125kHz的帶寬下使用低成本的20ppm的晶體時獲得接近-140dBm的靈敏度。與FSK系統(tǒng)相比，使用同樣低成本的晶體時這種新的擴頻方式在靈敏度上改善了30dB，理論上相當于增加了5倍的傳輸距離。通過降低速率獲得最大傳輸距離和要求最長的電池壽命之間是相互沖突的。數(shù)據(jù)速率決定了空中傳輸時間，越高的傳輸速率，系統(tǒng)發(fā)射或接收將花費越少的時間。100kbps的系統(tǒng)大約只需要50kbps的系統(tǒng)的傳輸時間的一半。更快的速率可以使更多的節(jié)點在無競爭沖突下在同一區(qū)域共存，但這將降低接收靈敏度和傳輸距離。每一種接收機都會提供多種工作和休眠的模式，且不同模式下的功耗是不同的。各節(jié)點收發(fā)占空比將決定哪些模式會對功耗產生最大的影響。例如，如果一個節(jié)點頻繁地處于接收狀態(tài)，那接收電流就非常重要。同理，如果一個節(jié)點每天只發(fā)射一次，那睡眠電流就是最重要的因素。

頻帶選擇

考慮到多種2.4GHz技術標準，包括藍牙、Wi-Fi和Zigbee，很多廠家認為他們不得不使用一種標準協(xié)議進行設計，于是2.4GHz實際上就成了無線收發(fā)機工作頻率的一種選擇。在很多應用上市場驅動廠商采取已有的標準協(xié)議，這是事實。例如，Wi-Fi提供了通用的高速連接服務，而藍牙則為大容量消費類市場比如移動電話和電腦外圍設備等提供了兼容的互連服務。盡管如此，很多應用卻只需要相當?shù)偷乃俾?，并且工作在一個封閉的無線網(wǎng)絡環(huán)境中。在這些情況下，專有協(xié)議能顯著地降低系統(tǒng)成本，能最小化所使用處理器的資源，同時避免在規(guī)范兼容測試和logo授權上的花費。有些市場已經同時使用不同的無線協(xié)議來滿足系統(tǒng)要求。以自動抄表為例，使用sub-GHz實現(xiàn)回程數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，而使用2.4GHz完成室內短距離通信。家庭安防系統(tǒng)可以使用Sub-GHz傳輸?shù)退賯鞲袛?shù)據(jù)，同時使用2.4GHz進行高速視頻傳輸。很多市場應用當涉及采用何種無線傳輸協(xié)議時仍懸而未決。例如，現(xiàn)有的家庭自動化系統(tǒng)使用Sub-GHz，但新出現(xiàn)的2.4GHz器件正在慢慢進入該市場。是使用Sub-GHz還是2.4GHz，有很多需要權衡考慮的地方。2.4GHz的主要優(yōu)點就是它是世界通用頻段，并且可以使用很小尺寸的天線。2.4GHz天線尺寸相當于900MHz天線尺寸的三分之一大小，并且因為藍牙和Wi-Fi的大量應用，2.4GHz系統(tǒng)能獲得更低的成本。2.4GHz系統(tǒng)的最主要缺點就是通信距離太短，這也限制了它在無線傳感網(wǎng)絡的應用;它的空間損耗比900MHz要高大約9dB。另外，2.4GHz頻段已經非常擁擠，會受到Wi-Fi，藍牙和微波爐等設備的嚴重干擾。圖2總結了2.4GHz和Sub-GHz兩種系統(tǒng)的優(yōu)缺點。

新的基于擴頻的調制技術將可能改變上圖中顯示的2.4GHz和Sub-GHz的特性對比。使用擴頻技術可以抵消上述9dB的自由空間損耗，從而使2.4GHz的傳輸距離能與現(xiàn)今Sub-GHz的FSK系統(tǒng)相當。由于這種調制方式的性能，擴頻比普通的FSK或GFSK調制具有更好的抗干擾魯棒性。30dB的抗同頻干擾和顯著改善的選擇性/抗阻塞性使得2.4GHz系統(tǒng)能更可靠地工作。由于擴頻系統(tǒng)使用的不同的擴頻序列是相互正交的，這就意味著它們能在一個信道中同時傳輸。與現(xiàn)有的FSK系統(tǒng)相比，這個性能能顯著地改善網(wǎng)絡系統(tǒng)容量。

網(wǎng)絡架構和協(xié)議

選擇星型網(wǎng)還是網(wǎng)狀網(wǎng)是影響整個無線網(wǎng)絡系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個關鍵因素。星型網(wǎng)是具有最低延遲的最簡單的網(wǎng)絡結構，當每個節(jié)點可以直接與集中器通信時，星型網(wǎng)是理所當然的選擇。當星型網(wǎng)使用簡單的協(xié)議時，每個節(jié)點的電池壽命是很容易估算的。當星型網(wǎng)的距離無法滿足時，就需要增加節(jié)點作為中繼來擴展距離，這就出現(xiàn)了網(wǎng)狀網(wǎng)。從節(jié)點到節(jié)點的跳轉時間增加了整個網(wǎng)狀網(wǎng)結構的復雜性，同時也增加了系統(tǒng)的延遲。在一個很龐大的系統(tǒng)中，需要的中繼數(shù)量難以預估，使得電池壽命的預測也變得不可靠。在節(jié)點之中選擇合適路由、自動識別、自我修復和保證無連接失敗的孤立節(jié)點是網(wǎng)狀網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)，但市場上已經有很多解決方案來克服這些難題。VE(Virtual Extension)【1】公司的同步洪泛方式克服了諸如節(jié)點安裝、建立和識別的難題，為大型或小型的網(wǎng)絡提供了一種簡易低功耗的網(wǎng)狀網(wǎng)解決方案。

一個網(wǎng)絡中總的節(jié)點數(shù)同樣會影響電池的壽命。如果同時有成百上千的節(jié)點競相與集中器進行連接，頻繁的通信將會導致嚴重的沖突和不斷地重新連接嘗試。不停的重新連接將會浪費很多電能，使得電池壽命預測也非常困難。要建立一個很健康可靠的傳感網(wǎng)絡的一個重要步驟就是評估競爭沖突問題。舉個例子，如果網(wǎng)絡中每個節(jié)點每天只需要發(fā)送兩次，而每次都是幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么這成百上千個節(jié)點就可以交錯地分開與集中器連接，從而減少甚至避免了沖突。相反，如果每個節(jié)點經常地要向集中器上傳一長串數(shù)據(jù)，在傳輸速率較低的情況下即使只有很少的節(jié)點也會產生大量的沖突。

遠距離、共信道同步傳輸、共信道抑制的改善和高選擇性，這些擴頻方式的優(yōu)點為傳感網(wǎng)絡提供了一種可供選擇的高性能的系統(tǒng)解決方案，而這是傳統(tǒng)FSK調制方式無法達到的。

在相同速率下擴頻調制方式所具備的優(yōu)勢可以輕易地用于改善現(xiàn)有網(wǎng)狀網(wǎng)的性能，而星形網(wǎng)也會達到最優(yōu)的系統(tǒng)性能。利用星型網(wǎng)在郊區(qū)環(huán)境可以達到8-10km距離的情況下，我們不再需要很龐大的網(wǎng)狀網(wǎng)結構來覆蓋這么寬的范圍。為了獲得較遠的傳輸距離，需要降低傳輸速率，但是很少的節(jié)點需要用到最大的鏈路預算。圖3展示了一個大型網(wǎng)絡中集中器和節(jié)點之間的典型的鏈路預算分布趨勢。如果系統(tǒng)中每個節(jié)點都使用非常低的速率傳輸，將會導致沖突問題的發(fā)生從而限制整個網(wǎng)絡容量。所以靠近集中器的的節(jié)點可以使用更高的速率，以減小傳輸時間。

一個多通道、多調制解調方式的集中器可以適應不同節(jié)點的不同速率和不同的功率，這樣就可以獲得最大的網(wǎng)絡容量和最長的電池壽命。使用不同的擴頻因子就可以改變擴頻系統(tǒng)的傳輸速率。可變的擴頻因子提高了整個網(wǎng)絡的系統(tǒng)容量，因為采用不同擴頻因子的信號可以在一個信道中共存。借助網(wǎng)絡仿真工具，我們可以很容易觀察到，與傳統(tǒng)采用固定速率的FSK系統(tǒng)相比，采用上述技術的星型網(wǎng)能容易地獲得很多優(yōu)勢，諸如95%的節(jié)點只占用10%的總能耗，同時整個系統(tǒng)的容量也將提高5-6倍。

結論

總的來說，傳輸速率、工作頻段和網(wǎng)絡拓撲結構是影響傳感網(wǎng)絡特性的三個主要參數(shù)。傳輸速率的選擇將決定系統(tǒng)的傳輸距離和電池壽命。工作頻段的選擇要折衷考慮頻段和系統(tǒng)的設計目標。而在FSK系統(tǒng)中網(wǎng)絡拓撲結構的選擇是由傳輸距離要求和系統(tǒng)需要的節(jié)點數(shù)目來決定的。升特(Semtech)公司采用新的擴頻技術的的高性價比收發(fā)機方案將會改變以往的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的系統(tǒng)而又能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命并增加系統(tǒng)容量，進而擴展你的傳感網(wǎng)絡。