解析Dust Networks無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

解析DustNetworks無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)DustNetworks位于加州海沃德(Hayward,CA)，由KrisPister博士創(chuàng)辦。DustNetworks率先推出SmartMesh?網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)負(fù)責(zé)收集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的自成形網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)(或“微塵”)與一個(gè)用于監(jiān)視和管理網(wǎng)絡(luò)性能并向主機(jī)應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)管理器組成。如今，該技術(shù)已成為眾多創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。DustNetworks技術(shù)的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了低功率、基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的射頻技術(shù)、時(shí)間分集、頻率分集和物理分集的完美組合，可確?？煽啃?、可擴(kuò)展性、無線電源靈活性及易用性。SmartMesh網(wǎng)絡(luò)中的所有微塵(甚至包括路由節(jié)點(diǎn))均為可通過電池運(yùn)行數(shù)年而設(shè)計(jì)，從而使需要通過低成本的“即撕即貼”型安裝可準(zhǔn)確地安放傳感器的場合實(shí)現(xiàn)了最終靈活性。無線市場的潛力可謂無限，可是無線技術(shù)的可靠性以及通信標(biāo)準(zhǔn)一直制約著無線市場的發(fā)展。對于一個(gè)創(chuàng)新型的IC企業(yè)來說，解決這些技術(shù)瓶頸將會(huì)使其立于不敗之地。而對于Dust

Networks來說，它自創(chuàng)辦以來就已經(jīng)站在了無線領(lǐng)域的最前沿：采用全網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高了無線傳輸?shù)目煽啃?，其高屋建瓴之作TSMP奠定了無線通信標(biāo)準(zhǔn)，而它開發(fā)的系列產(chǎn)品成本低廉性能可靠更是深受OEM廠商們的信賴。

要想深入了解這么一家無線傳感器網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商，毫無疑問就得先從它領(lǐng)先技術(shù)的了解開始，本文就將以這個(gè)為切入點(diǎn)探討Dust

Networks的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的未來——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)首先來初步認(rèn)識一下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這個(gè)概念，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless

Sensor

Network,

WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism

System,

MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC，System

on

Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless

Sensor

Networks,

WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場變革。

Dust

Networks公司在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的領(lǐng)先技術(shù)確保了無線傳感器能夠無縫地嵌入到一個(gè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，并使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能夠很好地運(yùn)行。Dust

Networks公司最領(lǐng)先的技術(shù)無疑是它的TSMP（時(shí)間網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）協(xié)議，它也是本文的重點(diǎn)。走近Dust

Networks的TSMPDust

Networks的核心技術(shù)TSMP得到了無線HART協(xié)議的采納以及艾默生和通用等流程控制設(shè)備制造商的廣泛支持,這使得基于全網(wǎng)格拓?fù)涞腡SMP協(xié)議能成為廣泛應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境的無線短程網(wǎng)協(xié)議。當(dāng)前的TSMP是在IEEE

802.15.4的射頻2.4GHz

ISM頻帶和專用射頻900MHz

ISM頻帶上實(shí)現(xiàn)的。圖1顯示了在標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和OSI網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中TSMP所對應(yīng)的部分。圖1

無線協(xié)議比較TSMP

協(xié)議包括了5個(gè)關(guān)鍵要素，包括了時(shí)間同步通信、跳頻、節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入和網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)構(gòu)成、全冗余網(wǎng)格路由，以及安全消息傳送。而最具創(chuàng)新設(shè)計(jì)的當(dāng)數(shù)TSMP

協(xié)議中的時(shí)間同步通信、跳頻和全冗余網(wǎng)格路由技術(shù)。讓無線同步呼吸-----時(shí)間同步通信在TSMP網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的所有通信都是在一個(gè)特定的時(shí)間段執(zhí)行的。對于每一個(gè)的TSMP節(jié)點(diǎn)，它可以同時(shí)處理多個(gè)數(shù)據(jù)幀,而數(shù)據(jù)幀里面又包括了若干個(gè)的時(shí)間槽。數(shù)據(jù)幀有一個(gè)重要的組態(tài)參數(shù)----幀長度。幀長度的長短直接影響著TSMP網(wǎng)絡(luò)的輸送能力：幀長度越短，網(wǎng)絡(luò)的刷新率就越高，隨之有效帶寬也增加，功耗也跟著增大；反過來，幀長度越長，那么刷新率就越低，有效帶寬以及功耗也相應(yīng)的降低。

TSMP協(xié)議的成功之處還在于解決了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成節(jié)點(diǎn)共享發(fā)送、接收和休眠的精確時(shí)間同步這個(gè)關(guān)鍵問題。為什么時(shí)間同步顯得那么重要呢？無線設(shè)備不像有線設(shè)備可以一直接著電源而不用擔(dān)心電源用盡，它只能使用自帶電源提供自己的能量補(bǔ)充，因此尤其是在對電池功耗有嚴(yán)格要求的場合（如WSN），保證全部節(jié)點(diǎn)能同步喚醒和同步休眠就意味著延長了電池的使用壽命。TSMP使用與其它WSN所不同的信標(biāo)策略，它不是在每個(gè)數(shù)據(jù)幀的起始處設(shè)立同步信標(biāo)，而是按照TSMP節(jié)點(diǎn)來保持精確時(shí)間的讀出，為了保證時(shí)間同步TSMP還通過相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交換以補(bǔ)償信息。這種設(shè)計(jì)的高明之處就是它使帶寬可以預(yù)先配置，確保了信息發(fā)送的可靠性和零干擾，同時(shí)節(jié)點(diǎn)在每次發(fā)送時(shí)可以有效地改變頻率且讓接收節(jié)點(diǎn)保持鎖步，通過對帶寬進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)了數(shù)據(jù)流的突增或突減。讓無線更靈活-----跳頻技術(shù)

與其它一些協(xié)議單純使用DSSS或FHSS所不同的是TSMP將FHSS和DSSS組合在一起進(jìn)行使用，這使得它同時(shí)具有了FHSS避免射頻干擾的能力和DSSS提高編碼增益的性能。

TSMP還在規(guī)定的2.4000-2.4835MHz

ISM頻道內(nèi)，巧妙地利用偽隨機(jī)序列在802.15.4規(guī)范下制定16個(gè)信道進(jìn)行跳頻。如圖2所示,當(dāng)TSMP節(jié)點(diǎn)C加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它至少能發(fā)現(xiàn)兩個(gè)已處在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)（稱之為A

節(jié)點(diǎn)和B節(jié)點(diǎn)）并與之建立通信關(guān)系。在這個(gè)過程中，C節(jié)點(diǎn)會(huì)收到作為父節(jié)點(diǎn)A和B發(fā)來的同步信息和跳頻序列。當(dāng)又有新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，C節(jié)點(diǎn)也會(huì)給它的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送另外一個(gè)不同頻率起點(diǎn)的跳頻序列。當(dāng)一個(gè)父節(jié)點(diǎn)傳輸信號受到射頻干擾后，另一個(gè)父節(jié)點(diǎn)就會(huì)選擇以另一個(gè)信道的頻率與子節(jié)點(diǎn)通信。這種傳輸路徑的選擇相當(dāng)簡單同時(shí)又不失靈活性。圖2

A節(jié)點(diǎn)和B節(jié)點(diǎn)為C節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)對大多數(shù)通信機(jī)制而言，增加信道數(shù)就意味著成正比例的增加了系統(tǒng)的通信能力。而TSMP在802.15.4的射頻范圍內(nèi)取16個(gè)信道并采用跳頻擴(kuò)頻，使之有效帶寬提高了整整16倍。當(dāng)然信道數(shù)的增加會(huì)影響到系統(tǒng)的通信能力以及穩(wěn)定性，下圖是dust

networks官方網(wǎng)給出的不同信道數(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的比較。圖3

不同信道數(shù)穩(wěn)定性的比較讓無線更智能-----網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)構(gòu)成

TSMP網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵屬性還在于其具有自我組織的功能。那么如何理解一個(gè)已建立的TSMP網(wǎng)絡(luò)呢？事實(shí)上可以簡單地把TSMP網(wǎng)絡(luò)看為一組可以共享網(wǎng)絡(luò)識別號ID和關(guān)鍵字，且彼此間能保持同步的節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)TSMP節(jié)點(diǎn)都具有發(fā)現(xiàn)其相鄰節(jié)點(diǎn)，測量射頻信號的強(qiáng)度，獲取同步和跳頻信息以及建立與相鄰節(jié)點(diǎn)的連接路徑的能力。而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是TSMP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)源地，它執(zhí)行著向所有其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接力傳輸組態(tài)信息和發(fā)出主時(shí)序信號的服務(wù)。除了承載著應(yīng)用消息的那個(gè)時(shí)間槽外，還有其它一些時(shí)間槽是用來執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、發(fā)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)和偵聽新加入節(jié)點(diǎn)請求的，這些時(shí)間槽也是組成幀長度的一部分。當(dāng)TSMP節(jié)點(diǎn)被喚醒或復(fù)位時(shí)，它便開始偵聽這些代碼并確認(rèn)這些節(jié)點(diǎn)的加入請求。讓無線更安全------安全消息傳送所有的TSMP消息包括網(wǎng)絡(luò)ID都被打成為一個(gè)數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)ID將所有具有同一ID的節(jié)點(diǎn)都綁定在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里，這樣一來多個(gè)TSMP網(wǎng)絡(luò)可以在同一個(gè)無線空間內(nèi)運(yùn)行，這樣也避免了消息路由至其它網(wǎng)絡(luò)的情況。節(jié)點(diǎn)偵聽的方式是對自己所在網(wǎng)絡(luò)的ID進(jìn)行非同步的偵聽，一旦它偵聽到ID與自己相匹配的節(jié)點(diǎn)，它就會(huì)發(fā)出讓其參與的初始化指令。此外對消息進(jìn)行打包時(shí)還增加了一個(gè)參與密鑰，如果節(jié)點(diǎn)的密鑰有誤，它參與的請求就不會(huì)被其父節(jié)點(diǎn)所接受，那么該節(jié)點(diǎn)將會(huì)超時(shí)，接著又返回到非同步偵聽中去。以上所述的措施確保了節(jié)點(diǎn)間消息安全迅捷的傳送。讓無線更有可靠------完全冗余路徑

一個(gè)具有節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入和自我修復(fù)的全網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能保證的網(wǎng)絡(luò)保持長期的可靠性和可預(yù)測性，即使是射頻環(huán)境隨著時(shí)間可能發(fā)生很大的變化也不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的失效。TSMP采用的是讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能發(fā)現(xiàn)多個(gè)可用的父節(jié)點(diǎn)并建立兩個(gè)以上的鏈接以達(dá)到空間上的多種變化。而時(shí)間上的多種變化則是由重發(fā)和避免失效的機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。這種自組織、全網(wǎng)格拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)能夠發(fā)現(xiàn)可供使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜屠么蠖鄶?shù)穩(wěn)定的路由，從而達(dá)到了資源的合理優(yōu)化配置。

Dust

Networks的這一系列創(chuàng)新技術(shù)使得其能在這一領(lǐng)域保持多年的穩(wěn)定地位。迄今為止，有10多家公司（大約占據(jù)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場的90％）展示的可互操作無線設(shè)備都是采用了Dust

Networks的TSMP技術(shù)，這包括了艾默森、霍尼維爾、ABB、西門子和橫河等。而據(jù)市場調(diào)研公司ONWorld近期發(fā)布的一份報(bào)告，預(yù)計(jì)到2011年，世界市場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）系統(tǒng)與服務(wù)將飛升至約46億美元，比現(xiàn)在大概增長5億美元，毫無疑義Dust

Networks仍將在這一