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。

時間同步化網格網絡取得了成功

近幾年，時間同步化通道跳頻網格網絡已經得到了廣泛應用。2004 年，Dust Networks 首次推出了 SmartMesh? ?系統，工業過程是最早采用該系統的領域之一。

有些工業應用的運行環境堪稱最為嚴酷，同時對數據完整性又有最為嚴格的要求，如果能保證這么高的數據完整性，就能極大地提高工業設備的效率、生產率和安全性。因為傳統的有線工業傳感器安裝費用高昂，所以在工廠中一般僅對少量可能的測量點進行測量。盡管這為無線傳感器在工業應用中的使用創造了極大的需求，但是傳統點到點無線系統缺乏所需的可靠性，而且難以安裝，從而限制了無線系統在小型和隔離應用中的使用。

隨著時間同步化網格網絡的推出，無線系統可提供通常僅有線系統才能提供的可靠性，因此低功耗無線系統的應用變成了現實。低功耗無線系統通過工業標準 ?IEC62591 (也稱為 WirelessHART) 實現了標準化，使工業過程市場上的設備實現了互操作性。大部分大型工業制造商 (例如 Emerson ?Process、西門子、ABB、Endress ?Hauser、Pepperl ?Fuchs 和 Phoenix Contact) 都在交付 ?Wireless HART 產品。如今，SmartMesh 網絡已經得到廣泛使用，在全球 120 多個國家部署了 3 ?萬多個網絡，提高了各種場所的安全性和效率，包括鋼鐵廠和煉油廠、偏遠的油田和海上鉆井平臺、以及食品和飲料廠 (注1)。

除工業過程領域，SmartMesh 系統也成功地部署在數據中心和商用寫字樓中，用以優化空調費用 (注2)。Streetline Networks (注3) ?是一家智能停車服務供應商，實時監視城區停車位的可用情況 (參見圖 ?2)。車輛檢測器安裝在停車位下方、車道的路面內。這帶來了挑戰，因為傳感器設備的天線位于地下，而且當停車位被占用時，又被金屬車體覆蓋著。這樣的應用以前被認為是不可能或不實際的，現在則可用時間同步化通道跳頻網格網絡來實現。

圖 2：Streetline Networks部署了時間同步化通道跳頻網絡以改善類似美國加州好萊塢城區的停車條件。

基于標準的環境

在網絡技術中，標準發揮著重要作用，因為最終用戶擁護基于標準開發的解決方案。一項技術如果由重要標準化組織開發并核準，用戶就有信心使用。WirelessHART ?/ IEC62591 是工業過程領域的標準，在這個市場以外，互聯網協議 (IP) 是通信標準。

連接到互聯網上的所有設備都利用 IP 相互通信。每個設備都獲得一個 IP 地址，該地址在互聯網上明白無誤地代表該設備。所交換的數據包包含一個 IP ?頭標以及一系列字節 (建立該數據包的設備之地址編碼和目的設備的地址編碼)。形成一個協議棧還需要其他許多協議 (TCP、HTTP … 等)，但 IP ?協議是共同點。用 IP 協議將低功耗網格網絡設備連接至互聯網，為促進物聯網發展做出了一大貢獻。

若干標準化組織為物聯網?(參見圖 3) ?制定了標準。挑戰是要與互聯網實現全面集成，同時納入公認的時間同步化通道跳頻網格網絡的技術。今天的互聯網使用之大多數協議都是由互聯網工程任務組 (IETF) ?制定的，該標準化組織的 CoRE 工作組已經制定了應用層協議 CoAP (Constrained Application Protocol)。CoAP 在 ?UDP 協議之上運行，而且非常容易轉換到 HTTP，以使無線傳感器節點實現類似網絡的互動。6LoWPAN 工作組制定了一個 IP 適配層協議，該協議將 IP ?數據包的大型頭標壓縮成小型無線幀或數據包，使傳感器節點能夠通過 IP ?地址單獨尋址。盡管這些上層協議實現了類似網絡的互動以及與互聯網的集成，但是決定無線傳感器網絡通信質量的是這些上層協議之下的那些協議層。

圖 3：用于低功耗、可靠無線傳感器網絡的 IP 協議棧

IETF 制定的標準一般運行在遵循 IEEE802.15.4 標準的無線芯片上。IEEE802.15.4 在數據傳送速率 (250kbps)、范圍 (10 ?至 100 米)、功耗 (發送或接收時為 5mA 至 20mA ) 和數據包大小 (高達 127 字節) 之間進行了健康的權衡。這種權衡使 ?IEEE802.15.4 非常適用于低功耗網格網絡技術，因此該標準已經成為這類網絡鏈接技術的事實標準。

2012 年，IEEE 公布了可運行在 IEEE802.15.4 兼容型無線電上之新介質訪問標準 IEEE802.15.4e。其時隙通道跳頻 (TSCH) ?模式納入了 Dust Networks 的時間同步化網格協議，以實現精確的時隙同步和 RF 通道跳頻。

盡管 IEEE802.15.4e 定義了兩個節點實現同步數據包傳送的機制，但是它沒有定義怎樣給每個節點分配時間表。該通信時間表使 TSCH ?網絡能夠靈活匹配網絡節點之間的通信需求 (參見圖 ?4)。例如，一個網絡可以配置為低數據傳送速率和極低功耗的小型網絡，就像遠程環境監視應用中常見的那樣。同樣的網絡還可以配置為大型網絡，為更快的數據傳送速率而優化。此外，自動分配但靈活的時間表使 ?TSCH 網絡能夠適應周圍環境。尤其是，通過調度可以實現自愈、路由優化和負載均衡等網絡功能，這些網絡功能對于在網絡壽命期內提供高性能是至關重要的。建立和分配 ?TSCH 時間表的解決方案可以開發出來，但是在標準出臺之前，這類解決方案不可能實現無線傳送的互操作性。

圖 4：諸如凌力爾特公司的 LTP5901-IPM 等基于 TSCH 的小型無線節點以 >99.999% 的數據可靠性提供 5 至 10 ?年的電池壽命。

不過，上述情況隨著在 IETF 的新標準化工作之開展而發生了變化，該標準又稱為 6TSCH (Deterministic IPv6 over ?IEEE802.15.4e Time Slotted Channel Hopping - ?注4)。這項標準化工作由凌力爾特和思科系統公司聯合領導，將制定目前缺少的通信協議，以使 TSCH 時間表能夠通過調度實體加以管理。

6TSCH 可填補 IP 協議棧中尚存的空白，將實現完全標準化、可互操作、基于 IP ?的無線傳感器網絡，提供通常僅有線傳感器網絡才能提供的高可靠性。網絡開發人員通過向傳感器的 IP ?地址發送網絡請求，將能夠實時獲得傳感器數據，而且下層的無線傳感器網絡將以 >99.999% ?的數據可靠性支持這類通信。通過使傳感器像網絡服務器一樣易于訪問，無線傳感器網絡將能夠向物聯網饋送真實世界的信息。