为工业物联网正确选择无线网格网络协议以实现新应用

工业物联网的最大承诺之一是，利用从无线传感器网络 (WSN) 收集的真实数据提高效率和简化业务实践。对 WSN 的需求多种多样，传感器可能遍布建筑物、城市街道、工厂、隧道和桥梁、行驶中的车辆、或者偏远地点 (例如: 沿管线放置和气象站) 等等。这类应用对工业物联网的常见要求是，WSN 功耗低，提供与有线网络类似的可靠性，而且支持种类繁多的网络形状、规模和数据速率。

无线网格网络得到了越来越广泛的采用，因为这类网络能够利用功率相对低的无线电设备在节点之间转发信息，并覆盖很大的区域，还能够使用替代的通路和途径以克服干扰问题，保持很高的可靠性。尤其是有一种称为时间同步通道跳频 (TSCH) 的网格网络技术，该技术由凌力尔特的 Dust Networks 率先提出，并已纳入 WirelessHART 工业标准。TSCH 经过实用验证，可提供工业物联网所需性能。TSCH 网络一般提供 >99.999% 的数据可靠性，而且所有无线节点 (甚至路由节点) 的小型锂电池之寿命都长达多年。相比之下，其他各种网格网络尽管采用的技术听起来类似 (例如，"频率捷变"相对于"通道跳频"，"休眠"相对于"时间同步" 网格)，但是所提供的性能却显著不同。因此，这些无线网络的不同细节决定了，协议选择对 WSN 的性能以及网络对应用的总体适用性有极大影响。

无线传感器网络面临的挑战

无线从本质上而言是不可靠的，因此重要的是了解不可靠性的来源，以考虑怎样在通信系统中应对这问题。在有线通信中，通信信号受到电缆屏蔽，不与外界接触。与此不同，RF 信号露天传播，与周围环境相互影响。因此其他 RF 信号传输源有可能对有用 RF 信号造成有效干扰。

不过，更为常见的问题是多径衰落的影响，所谓多径衰落，即 RF 信号可能因其自身从周围表面反射回来且反射信号之间相位不同而被衰减 (图 1)。手机用户每天都会遇到多径衰落问题，当在某一点手机信号强度似乎很弱时，可能只需移动几厘米，信号强度就能改善。多径衰落的影响随时间而变，因为附近的反射表面 (例如人、车、门等) 一般会移动。最终结果是，随着时间推移，任一 RF 通道的信号质量都会发生很大变化。

图 1：多径衰落  ─  无线信号在接收器端 (B) 的强度不仅受直接路径 (PD) 影响，而且受反射路径 (PM1 和 PM2) 影响，反射信号到达接收器端时，相位可能不同，从而导致显著的信号衰落。

使这种挑战更加严峻的是，多径衰落是不可预测的。按照定义，网络必须在通道性能受到多经衰落影响 (因此也要估算这种影响) 的通道上有效传送数据。因此，尽管运用简单的无源信号强度测量方法 (RSSI) 测量未用通道的概念可能有助于检测有源干扰信号，但是用这种方法却不可能预测多径衰落情况下的通道适用性。

幸运的是，既然多径衰落对每个 RF 通道的影响都不同，而且随时间推移不断变化，那么采用通道跳频实现频率多样性，就可以最大限度减小多径衰落的负面影响。WSN 协议面临的挑战是，能否在大型多跳网络上运用通道跳频技术。

在 WSN 中的常见采用方法

为了解在受到这些限制的情况下，WSN 性能有何不同，我们先要看一看，在一些无线网格网络中，为实现频率多样性并降低功耗，常常采用哪些方法。

单通道 WSN 和通道捷变  ─  在一些简单的无线网格网络中，一种常见方法是让所有节点都在单一通道上工作。既然仅用一个 RF 通道，那么按照定义，一次只能有一个设备发送信号。由于相对易于实现，网络协议栈开发人员依然常常选择单通道工作方式，而以这种方式提供的 WSN 几乎没有频率多样性。

为了应对通道中存在的有源 RF 干扰问题，有些单通道 WSN 采用了所谓的通道捷变机制。采用这种机制的网络可以向所有节点广播信息，以改变工作通道。不过，即使在通道捷变网络中，在任一时间点上，网络仍然在单一通道上工作。采用通道捷变方法的前提是，假定存在一个对整个网络都足够好的通道。然而，真实数据显示，在多径衰落的影响下，任何 RF 通道在网络寿命期内，都会经历严重的路径劣化问题，这会导致节点在几分钟甚至几小时内无法工作 (参见配文："多径