孫友偉

（西安郵電學(xué)院，陜西 西安 710121）

1 引言

下一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡(luò)以 “傳送與節(jié)目分離、業(yè)務(wù)提供與用戶駐地分離”為基本建網(wǎng)理念，有線電視臺不依賴于唯一的傳送網(wǎng)絡(luò)，用戶不依賴于唯一的有線電視臺。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計上劃分為光傳送城域骨干網(wǎng)[1]、10GEPON或GPON接入網(wǎng)[2]、用戶駐地網(wǎng)和有線電視增值業(yè)務(wù)綜合平臺支撐網(wǎng)3部分[3]。下一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議基于以太網(wǎng)協(xié)議加強(qiáng)[4]。城域骨干傳送網(wǎng)絡(luò)物理層采用光分組交換協(xié)議[5]，以保證高清電視數(shù)據(jù)流按用戶請求的質(zhì)量要求傳送。下一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度、管理、計費等由BOSS構(gòu)架規(guī)劃[6]。用戶駐地網(wǎng)和有線電視增值業(yè)務(wù)綜合平臺支撐網(wǎng)由萬兆以太網(wǎng)和10GEPON接入技術(shù)完成[7]。

為適應(yīng)未來市場的需要，下一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能接入多種傳感器信息并實現(xiàn)物物相連，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引入成為必然。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)的前沿和交叉領(lǐng)域，正處于起步階段，將成為電話網(wǎng)、電視網(wǎng)、計算機(jī)網(wǎng)三網(wǎng)融合之后網(wǎng)絡(luò)向前延伸過程中新的競爭亮點。到目前為止，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在家庭生活、社會管理、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的應(yīng)用仍然處于探索階段，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將滲透到社會生活的各個方面。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其構(gòu)建原則為：1）是下一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和延伸；2）可提供用戶在生活、生產(chǎn)中除高速寬帶業(yè)務(wù)需求之外的基于無線傳感器的其他綜合服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)由有線環(huán)境和無線環(huán)境兩部分構(gòu)成。有線環(huán)境以光纖網(wǎng)絡(luò)為物理傳媒，以Ethernet協(xié)議為基礎(chǔ)，以高清電視、網(wǎng)絡(luò)電話和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基本業(yè)務(wù)，透明地傳送多種信息與Internet互通。由于傳感器業(yè)務(wù)相對其他業(yè)務(wù)信息量并不大，速率要求也不高，因此對已經(jīng)構(gòu)成的有線環(huán)境沒有影響。無線接入環(huán)境將最大限度地提供用戶在多種場景中的靈活應(yīng)用，它由多個相互平等的節(jié)點自組網(wǎng)構(gòu)成，分布在家庭環(huán)境或生產(chǎn)場所，每個節(jié)點既可作轉(zhuǎn)發(fā)，也可作終端。為了最大限度地發(fā)揮下一代有線數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的高速寬帶優(yōu)勢，在有線與無線的接口設(shè)置一個特殊的接入點，以便良好地適配高速業(yè)務(wù)的無線接入和傳感器低速業(yè)務(wù)的無線接入。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感節(jié)點、匯聚（Sink）節(jié)點、自組網(wǎng)鏈路以及目標(biāo)感知視場4要素組成，通過定義外部網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程任務(wù)來完成系統(tǒng)任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)采用異構(gòu)節(jié)點組成的、層次化的自組織方式構(gòu)造，大量傳感節(jié)點隨機(jī)部署，協(xié)同形成對目標(biāo)的感知視場?；谙乱淮芯€數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

自組網(wǎng)鏈接描述了網(wǎng)絡(luò)的根本屬性，其節(jié)點不需要預(yù)先安裝或預(yù)先決定位置，具有自組織、自愈、多跳等特點，任何一個傳感節(jié)點的退出或進(jìn)入都不影響其他節(jié)點的正常通信。自組織方式的最大特點是每個節(jié)點既是終端，也是發(fā)節(jié)點，它們按照協(xié)議和策略，向離自己最近的節(jié)點以多跳傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送信息，一直到達(dá)觀測節(jié)點，同時計算并選擇需轉(zhuǎn)發(fā)的信息的路徑[8]。

目標(biāo)感知視場描述了分布的傳感節(jié)點所服務(wù)的范圍，它隨著傳感器的增減和移動而發(fā)生變化，根據(jù)任務(wù)部署要求來決定它的大小。這里定義目標(biāo)為服務(wù)對象所能感覺的屬性，這種屬性有時會以不同的信號方式體現(xiàn)，傳感器節(jié)點通過收集獲取目標(biāo)產(chǎn)生的震動波或熱輻射波以及聲、光、電波等信息，來判斷監(jiān)測對象的運(yùn)動以及與之有關(guān)的速度和方向等參數(shù)，或者讀取并判斷監(jiān)測對象自身屬性的變化參數(shù)。眾多傳感器節(jié)點構(gòu)成的一個對目標(biāo)監(jiān)測服務(wù)的范圍稱為該節(jié)點的感知視場，當(dāng)傳感器檢測到的目標(biāo)所發(fā)出的信息超過監(jiān)測預(yù)定的值時，就把這一信息提交給匯聚節(jié)點，這一節(jié)點被定義為有效節(jié)點。

傳感節(jié)點由傳感單元、處理單元、通信單元以及電源部分4個基本單元組成。此外，可以選擇的其他功能單元，包括定位系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)以及發(fā)電裝置等。傳感節(jié)點完成原始數(shù)據(jù)采集并作本地信息處理，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸并與其他節(jié)點協(xié)同的工作，依據(jù)應(yīng)用需求還可能攜帶多種中間件模塊來完成綜合任務(wù)。

匯聚節(jié)點最為特殊。一方面，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)作為接收者和控制者，被授權(quán)監(jiān)聽和處理網(wǎng)絡(luò)的事件消息和數(shù)據(jù)，可向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請求或派發(fā)任務(wù)；另一方面，面對Internet外作為中繼和網(wǎng)關(guān)完成傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)間信令和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)的橋梁。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議由固定網(wǎng)絡(luò)使用的以太協(xié)議和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兩大部分構(gòu)成，其協(xié)議體系如圖3所示。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

固定網(wǎng)絡(luò)使用的以太網(wǎng)增強(qiáng)協(xié)議設(shè)計已經(jīng)完成[5]，本文不再討論。傳感節(jié)點通過自組網(wǎng)鏈接與匯聚節(jié)點之間的無線通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層到高層應(yīng)用基于Zigbee技術(shù)增強(qiáng)[9]，主要完成跨節(jié)點和跨網(wǎng)之間的可靠通信。數(shù)據(jù)鏈路層和物理層基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)。匯聚節(jié)點加裝IEEE802.15.4到802.3協(xié)議轉(zhuǎn)換，以完成無線網(wǎng)絡(luò)到固定網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換。

網(wǎng)絡(luò)層控制傳感節(jié)點接收和發(fā)送過程中特殊的多跳無線路由協(xié)議。以自組網(wǎng)方式構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在上電啟動之初，路由器是空白且動態(tài)生成的。首先以廣播的方式向相鄰傳感器節(jié)點發(fā)送偵測信息，并且計算出最佳路由。為防止廣播風(fēng)暴的出現(xiàn)，協(xié)議中要設(shè)定多跳壽命，若超過多跳壽命還沒有找到目標(biāo)時，播出的信息將被丟棄。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)感知視場的監(jiān)測是以確定的閾值為基礎(chǔ)的，因此，只需要對比閾值門限，而不必一定關(guān)注無線傳感器收集的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。

數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)無線傳感器數(shù)據(jù)由一個節(jié)點到另一個節(jié)點之間的可靠通信，可分解為邏輯鏈路控制（LLC）子層和媒體訪問控制（MAC）子層，除了對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行檢測、對媒體接入進(jìn)行控制之外，數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計的重點是MAC子層[10]。

MAC子層協(xié)議處于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的底層部分，用于在傳感器節(jié)點間公平有效地共享通信媒介，直接影響著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效通信的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一[11]。典型的MAC子層協(xié)議首先控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，其次為全網(wǎng)配置資源，前者為自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)建立穩(wěn)定的鏈路基礎(chǔ)，后者為各個節(jié)點平等地分配網(wǎng)絡(luò)資源，以便有效地控制網(wǎng)絡(luò)延遲和吞吐量。因此，設(shè)計一個性能優(yōu)越的MAC協(xié)議算法成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的一個熱點問題。

物理層定義了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)，可以是空氣、水、電纜和光纜等，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要使用空氣介質(zhì)以無線方式傳輸。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自發(fā)建網(wǎng)示意圖如圖4所示。上電啟動以后，自組網(wǎng)的建立由所有節(jié)點平等地發(fā)起。首先向相鄰所有節(jié)點發(fā)送信道能量（ED）檢測幀，以評估周圍消耗最小節(jié)點，這個節(jié)點即為近鄰節(jié)點，以它作為首選信道，并且向該信道發(fā)送信標(biāo)請求幀beacon，該幀的主要作用是交互近鄰節(jié)點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。對端節(jié)點收到beacon幀后，分配自己控制的網(wǎng)絡(luò)資源，包括開辟寄存器地址，確定網(wǎng)絡(luò)信道標(biāo)號和其他軟硬件參數(shù)。當(dāng)通信進(jìn)程發(fā)起以后，還要判斷自己是Sink節(jié)點還是終端節(jié)點，以決定是向匯聚節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)還是接收。如果是匯聚節(jié)點，既要起到上述作用，還要發(fā)揮協(xié)議轉(zhuǎn)換和與有線數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)連接的功能。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自發(fā)建網(wǎng)示意圖

5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)擴(kuò)展

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將開拓通信網(wǎng)絡(luò)中物物互聯(lián)的全新業(yè)務(wù)?，F(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的是人人互聯(lián)，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決的是物物互聯(lián)。著名法國咨詢機(jī)構(gòu)IDATE提供的報告顯示，2006年全球范圍內(nèi)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的物物互聯(lián)市場容量已達(dá)200億歐元，而到2010年將達(dá)到2200億歐元，年復(fù)合增長率達(dá)49%。

基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要服務(wù)于家庭環(huán)境和生產(chǎn)場所，除有線數(shù)字電視、電話、數(shù)據(jù)這三大傳統(tǒng)業(yè)務(wù)之外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的業(yè)務(wù)主要集中在以下領(lǐng)域：

1）人類日?；顒迎h(huán)境的監(jiān)測和保護(hù)。通信業(yè)是直接服務(wù)于用戶的行業(yè)，人類日常活動環(huán)境包括了生活、生產(chǎn)環(huán)境，是用戶活動的承載主體。生活水平越高的區(qū)域，對環(huán)境的關(guān)注程度越高，需要監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)也越多。大體分兩類，環(huán)境適宜和安全防護(hù)。環(huán)境適宜主要監(jiān)視人們的生活環(huán)境是否在最佳狀態(tài)，并且控制相應(yīng)的設(shè)備以使環(huán)境達(dá)到適宜程度，包括溫度、濕度、光照、噪聲等?？煽刂频脑O(shè)備包括空調(diào)、冰箱、熱水器、燈光等全部家用電器。安全防護(hù)主要監(jiān)視非法入侵、火水災(zāi)害、放射性、有害氣體和液體等，可控制的設(shè)備包括各種報警系統(tǒng)和救助系統(tǒng)。

2）健康護(hù)理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步向用戶延伸，將體現(xiàn)在對用戶的健康探測與護(hù)理。進(jìn)一步的可穿戴傳感器將幫助用戶監(jiān)測重要的生命體征，了解慢性病用戶的血壓、血糖、血脂等多項指標(biāo)，更加精確地管理用戶的治療和康復(fù)[12]。

3）社會事務(wù)監(jiān)測與保護(hù)。包括了除環(huán)境、安全、健康之外的所有事物，電表、水表、氣表的無接觸抄送，冰箱內(nèi)食物的缺量配送以及家用電器或生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等。這些無線傳感器可以鑲嵌在設(shè)備之中，幫助用戶有效地管理社會事務(wù)。

6 小結(jié)

第三代移動通信技術(shù)承載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息的瓶頸效應(yīng)漸漸顯現(xiàn)?；谙乱淮芯€數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不失為一種新的途徑，既可發(fā)揮固網(wǎng)光纖的寬帶優(yōu)勢，又能顯著的提高網(wǎng)絡(luò)的增值效益。系統(tǒng)的組建包括固定網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩部分，仔細(xì)地設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC子層協(xié)議以及有效解決無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)成為設(shè)計的關(guān)鍵。本文設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和協(xié)議體系，并且配置了部分業(yè)務(wù)，為下一步網(wǎng)絡(luò)仿真建立基礎(chǔ)。有關(guān)網(wǎng)元和協(xié)議細(xì)節(jié)將另文討論。

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[2]孫友偉.基于GPON技術(shù)的下一代數(shù)字有線電視接入網(wǎng)絡(luò)[J].電視技術(shù)，2008，32（10）：51-53.

[3]孫友偉.下一代有線數(shù)字電視用戶駐地網(wǎng)結(jié)構(gòu)仿真[J].電視技術(shù)，2008，32（1）：8-10.

[4]孫友偉.有線數(shù)字電視光分組交換網(wǎng)絡(luò)物理層協(xié)議配置[J].電視技術(shù)，2006，30（3）：61-65.

[5]孫友偉，孫書娜.有線數(shù)字電視光分組交換網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[J].電視技術(shù)，2005，29（6）：62-66.

[6]孫友偉.下一代有線數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)BOSS的安全策略[J].電視技術(shù)，2005，29（9）：1-3.

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