为无线传感网构建做出正确的权衡

越来越多的高性价比的无线技术和可应用于更广领域的解决方案的出现，带来了无线传感网和物联网应用的激增。无线系统制造商的目标就是提供更加灵活可靠的方案，在获得最长的电池寿命的同时尽可能扩展网络的传输距离。很多传感器网络都是由一些简单的节点组成，这些节点收集数据并将之发送给集中器。基于传统的方案，为改善性能需要折衷权衡考虑，而相比较而言，用于改善未来系统性能的新技术则在折衷考虑方面会有很大的不同。

传输速率和距离

传输速率是系统设计中一个关键的可变因素，它将决定整个系统整体性能的很多属性。无线传输距离由接收机灵敏度和发射机输出功率共同决定，两者之间的差值我们称之为链路预算。输出功率受限于标准规范，所以只有通过提高灵敏度来增加距离，而灵敏度又受数据速率非常重要的影响。对所有的调制方式来说，越低的速率，接收机的带宽越窄，接收灵敏度就越高。在现今高性价比无线收发机中应用最广泛的调制方式是FSK或者GFSK。要进一步减小FSK系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度。虽未经检验过但可以预见，这很容易就会产生比接收机带宽更宽的频率偏差。低成本的晶体一般只有20ppm的精度，这将限制使用载波频率为868MHz或915MHz系统的最大数据传输速率在20kbps，灵敏度在-112dBm。使用温补晶振可以获得更高的灵敏度，但是温补晶振的价钱将是普通晶体的三倍。

扩频调制方式在其他领域应用了很多年，但直到至今仍未使用于低成本的传感网络方案。在等同的数据速率条件下，商用的低成本扩频调制方式可以获得比传统FSK调制方式高8-10dB的灵敏度。升特(Semtech)公司将推出一款新的收发机，这款收发机集成了一种名为LoRa的扩频调制方式和传统的GFSK调制方式。图1展示了在GFSK调制和LoRa扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。

图1：在GFSK调制和LoRa扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。

有些扩频调制方式对晶体引起的频率偏差更不敏感，这类接收机在125kHz的带宽下使用低成本的20ppm的晶体时获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比，使用同样低成本的晶体时这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，理论上相当于增加了5倍的传输距离。通过降低速率获得最大传输距离和要求最长的电池寿命之间是相互冲突的。数据速率决定了空中传输时间，越高的传输速率，系统发射或接收将花费越少的时间。100kbps的系统大约只需要50kbps的系统的传输时间的一半。更快的速率可以使更多的节点在无竞争冲突下在同一区域共存，但这将降低接收灵敏度和传输距离。每一种接收机都会提供多种工作和休眠的模式，且不同模式下的功耗是不同的。各节点收发占空比将决定哪些模式会对功耗产生最大的影响。例如，如果一个节点频繁地处于接收状态，那接收电流就非常重要。同理，如果一个节点每天只发射一次，那睡眠电流就是最重要的因素。

频带选择

考虑到多种2.4GHz技术标准，包括蓝牙、Wi-Fi和Zigbee，很多厂家认为他们不得不使用一种标准协议进行设计，于是2.4GHz实际上就成了无线收发机工作频率的一种选择。在很多应用上市场驱动厂商采取已有的标准协议，这是事实。例如，Wi-Fi提供了通用的高速连接服务，而蓝牙则为大容量消费类市场比如移动电话和电脑外围设备等提供了兼容的互连服务。尽管如此，很多应用却只需要相当低的速率，并且工作在一个封闭的无线网络环境中。在这些情况下，专有协议能显著地降低系统成本，能最小化所使用处理器的资源，同时避免在规范兼容测试和logo授权上的花费。有些市场已经同时使用不同的无线协议来满足系统要求。以自动抄表为例，使用sub-GHz实现回程数据的远距离传输，而使用2.4GHz完成室内短距离通信。家庭安防系统可以使用Sub-GHz传输低速传感数据，同时使用2.4GHz进行高速视频传输。很多市场应用当涉及采用何种无线传输协议时仍悬而未决。例如，现有的家庭自动化系统使用Sub-GHz，但新出现的2.4GHz器件正在慢慢进入该市场。是使用Sub-GHz还是2.4GHz，有很多需要权衡考虑的地方。2.4GHz的主要优点就是它是世界通用频段，并且可以使用很小尺寸的天线。2.4GHz天线尺寸相当于900MHz天线尺寸的三分之一大小，并且因为蓝牙和Wi-Fi的大量应用，2.4GHz系统能获得更低的成本。2.4GHz系统的最主要缺点就是通信距离太短，这也限制了它在无线传感网络的应用;它的空间损耗比900MHz要高大约9dB。另外，2.4GHz频段已经非常拥挤，会受到Wi-Fi，蓝牙和微波炉等设备的严重干扰。图2总结了2.4GHz和Sub-GHz两种系统的优缺点。

新的基于扩频的调制技术将可能改变上图中显示的2.4GHz和Sub-GHz的特性对比。使用扩频技术可以抵消上述9dB的自由空间损耗，从而使2.4GHz的传输距离能与现今Sub-GHz的FSK系统相当。由于这种调制方式的性能，扩频比普通的FSK或GFSK调制具有更好的抗干扰鲁棒性。30dB的抗同频干扰和显著改善的选择性/抗阻塞性使得2.4GHz系统能更可靠地工作。由于扩频系统使用的不同的扩频序列是相互正交的，这就意味着它们能在一个信道中同时传输。与现有的FSK系统相比，这个性能能显著地改善网络系统容量。

网络架构和协议

选择星型网还是网状网是影响整个无线网络系统性能优劣的一个关键因素。星型网是具有最低延迟的最简单的网络结构，当每个节点可以直接与集中器通信时，星型网是理所当然的选择。当星型网使用简单的协议时，每个节点的电池寿命是很容易估算的。当星型网的距离无法满足时，就需要增加节点作为中继来扩展距离，这就出现了网状网。从节点到节点的跳转时间增加了整个网状网结构的复杂性，同时也增加了系统的延迟。在一个很庞大的系统中，需要的中继数量难以预估，使得电池寿命的预测也变得不可靠。在节点之中选择合适路由、自动识别、自我修复和保证无连接失败的孤立节点是网状网的主要挑战，但市场上已经有很多解决方案来克服这些难题。VE(Virtual Extension)【1】公司的同步洪泛方式克服了诸如节点安装、建立和识别的难题，为大型或小型的网络提供了一种简易低功耗的网状网解决方案。

一个网络中总的节点数同样会影响电池的寿命。如果同时有成百上千的节点竞相与集中器进行连接，频繁的通信将会导致严重的冲突和不断地重新连接尝试。不停的重新连接将会浪费很多电能，使得电池寿命预测也非常困难。要建立一个很健康可靠的传感网络的一个重要步骤就是评估竞争冲突问题。举个例子，如果网络中每个节点每天只需要发送两次，而每次都是几个字节的数据，那么这成百上千个节点就可以交错地分开与集中器连接，从而减少甚至避免了冲突。相反，如果每个节点经常地要向集中器上传一长串数据，在传输速率较低的情况下即使只有很少的节点也会产生大量的冲突。

远距离、共信道同步传输、共信道抑制的改善和高选择性，这些扩频方式的优点为传感网络提供了一种可供选择的高性能的系统解决方案，而这是传统FSK调制方式无法达到的。

在相同速率下扩频调制方式所具备的优势可以轻易地用于改善现有网状网的性能，而星形网也会达到最优的系统性能。利用星型网在郊区环境可以达到8-10km距离的情况下，我们不再需要很庞大的网状网结构来覆盖这么宽的范围。为了获得较远的传输距离，需要降低传输速率，但是很少的节点需要用到最大的链路预算。图3展示了一个大型网络中集中器和节点之间的典型的链路预算分布趋势。如果系统中每个节点都使用非常低的速率传输，将会导致冲突问题的发生从而限制整个网络容量。所以靠近集中器的的节点可以使用更高的速率，以减小传输时间。

一个多通道、多调制解调方式的集中器可以适应不同节点的不同速率和不同的功率，这样就可以获得最大的网络容量和最长的电池寿命。使用不同的扩频因子就可以改变扩频系统的传输速率。可变的扩频因子提高了整个网络的系统容量，因为采用不同扩频因子的信号可以在一个信道中共存。借助网络仿真工具，我们可以很容易观察到，与传统采用固定速率的FSK系统相比，采用上述技术的星型网能容易地获得很多优势，诸如95%的节点只占用10%的总能耗，同时整个系统的容量也将提高5-6倍。

结论

总的来说，传输速率、工作频段和网络拓扑结构是影响传感网络特性的三个主要参数。传输速率的选择将决定系统的传输距离和电池寿命。工作频段的选择要折衷考虑频段和系统的设计目标。而在FSK系统中网络拓扑结构的选择是由传输距离要求和系统需要的节点数目来决定的。升特(Semtech)公司采用新的扩频技术的的高性价比收发机方案将会改变以往的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的系统而又能实现远距离、长电池寿命并增加系统容量，进而扩展你的传感网络。