吳小軍 沈士根 趙金皓(東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 上海 060) (東華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 上海 060)

0 引 言

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN融合了現(xiàn)代感應(yīng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了從信息獲取、傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理都集成到一塊集成電路上來(lái)完成，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理世界的數(shù)字感知。WSN在國(guó)防軍事、環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)、智能交通及商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1]。

移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)逐步實(shí)現(xiàn)了區(qū)域的有效覆蓋，除了基本的語(yǔ)音通話功能外，隨著由2G向3G、4G的演進(jìn)，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎唾|(zhì)量也逐步提高，當(dāng)前高速率的接入可以由LTE(3G，4G)來(lái)提供，中低速率的可以由2G網(wǎng)絡(luò)來(lái)提供。學(xué)術(shù)界已經(jīng)對(duì)將蜂窩網(wǎng)絡(luò)用作各種不同功能的WSN的數(shù)據(jù)接入進(jìn)行了研究并取得一批研究成果[2-4]。但在實(shí)際應(yīng)用中由于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)區(qū)域部署還不均衡,人口密度較低地區(qū)還不能實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，且同一蜂窩支持接入的容量有限，單接入點(diǎn)芯片和使用費(fèi)用較高。因此直接將移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模直接應(yīng)用到WSN中進(jìn)行數(shù)據(jù)接入目前還不現(xiàn)實(shí)。

由于WSN對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)的特定需求，對(duì)于能夠滿足WSN的低成本、低功耗、廣覆蓋和大容量需求的接入網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)受到廣泛關(guān)注，如Lora、Sigfox等協(xié)議。由我國(guó)華為、中興等公司牽頭全球多家企業(yè)共同參與制訂的基于移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT在多種標(biāo)準(zhǔn)中脫穎而出。標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議核心部分已于2016年通過3GPP標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)估，移動(dòng)通信公司已啟動(dòng)NB-IoT的商業(yè)化應(yīng)用。

1 NB-IoT的優(yōu)勢(shì)及其部署場(chǎng)景

1.1 NB-IoT的優(yōu)勢(shì)

NB-IoT能夠滿足WSN地域分布廣、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)量有限的需求。NB-IoT依托于已經(jīng)覆蓋全球90%的人口和超過50%的地理區(qū)域的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了低速窄帶寬環(huán)境下物聯(lián)網(wǎng)的高效組建。與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)相比，NB-IoT對(duì)于移動(dòng)蜂窩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使用使得NB-IoT在只占用180 kHz 頻帶的情況下就可以進(jìn)行部署。以犧牲一定速率、時(shí)延、移動(dòng)性等特性，換取了低功耗廣域網(wǎng)的承載能力，極大地控制系統(tǒng)的建設(shè)開發(fā)成本，減少了不必要的資源浪費(fèi)與人力損耗。這使得NB-IoT滿足了智能交通如極大數(shù)量的共享單車、固定建筑或裝置設(shè)備監(jiān)測(cè)、分布廣泛的城市公用事業(yè)如自來(lái)水表遠(yuǎn)程抄表等對(duì)于物聯(lián)通信技術(shù)的使用需求[3]。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具備四大特點(diǎn)[5]：

(1) 覆蓋更廣更深。鏈路預(yù)算為164 dB，大大優(yōu)于GSM、 LTE 系統(tǒng)，穿透能力強(qiáng)，提供更廣更深的覆蓋。在開闊區(qū)域，一個(gè)NB-IoT基站可提供7 倍于傳統(tǒng)蜂窩的覆蓋面積。從覆蓋深度角度看，可以覆蓋到位于地下室或隧道中的終端。

(2) 容量大。依據(jù)3GPP 45.820業(yè)務(wù)模型，NB-IoT系統(tǒng)具備“海量”連接的能力，即同一個(gè)扇區(qū)在24小時(shí)內(nèi)能夠支持約5萬(wàn)個(gè)終端連接。

(3) 能耗低。終端超低能量消耗，NB-IoT 模組的理論待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年。

(4) 低成本。極低的模組成本，目前單個(gè)模組的價(jià)格已經(jīng)降到5美元以下，隨著大規(guī)模的推廣使用未來(lái)還將繼續(xù)降低成本。

1.2 NB-IoT 部署場(chǎng)景

NB-IoT的射頻發(fā)射帶寬為180 kHz，共有 3 種部署方式：獨(dú)立部署、保護(hù)帶部署、帶內(nèi)部署，分別如圖1-圖3 所示[6]。

(1) 獨(dú)立模式：可以利用單獨(dú)的頻帶，在GSM頻段中統(tǒng)一固定分配出一部分給NB-IoT。

(2) 保護(hù)帶模式：可以充分利用LTE系統(tǒng)中邊緣的無(wú)用頻帶。

(3) 帶內(nèi)模式：可以定義利用LTE 載波中間的任何資源塊。

圖1 NB-IoT部署的獨(dú)立部署模式

圖2 NB-IoT部署的保護(hù)帶部署模式

圖3 NB-IoT部署的帶內(nèi)部署模式

2 無(wú)線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

2.1 典型WSN的組成結(jié)構(gòu)

WSN由無(wú)線連接的匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)接入等幾部分構(gòu)成。工作原理是[7]:隨機(jī)地把眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在某個(gè)指定的監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。通過無(wú)線傳輸方式將采集到的數(shù)據(jù)信息以多跳接力的方式傳輸給應(yīng)用管理系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)遠(yuǎn)程終端的監(jiān)測(cè)和后續(xù)處理。組成結(jié)構(gòu)分為不分層單跳結(jié)構(gòu)、不分層多跳和分層多跳結(jié)構(gòu)共3種組網(wǎng)方式[8-9]，分別如圖4-圖6所示。

圖4 不分層單跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖5 不分層平面多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖6 分層多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

2.2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

單個(gè)WSN傳感器節(jié)點(diǎn)主要由以下幾部分組成[10]：一個(gè)采集被監(jiān)測(cè)區(qū)域的特定指標(biāo)數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)傳感芯片；一個(gè)用于執(zhí)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)指令的中央處理器；一個(gè)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信、收發(fā)數(shù)據(jù)并交換控制信息的射頻收發(fā)器。傳感器節(jié)點(diǎn)由自身電池供電，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的生存周期一般為幾個(gè)月到幾年。WSN中的傳感器節(jié)點(diǎn)具備以下特點(diǎn)：小體積、低成本和少能耗。圖7為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖7 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 WSN的關(guān)鍵技術(shù)

作為當(dāng)今信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，WSN的關(guān)鍵技術(shù)具有多項(xiàng)技術(shù)融合、多學(xué)科交叉等特征。目前WSN的關(guān)鍵技術(shù)研究在節(jié)能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑼ㄐ艆f(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全、時(shí)間同步、定位技術(shù)、數(shù)據(jù)融合等諸多方面[11]。

1) 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。WSN與傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)有很大的不同：節(jié)點(diǎn)相對(duì)固定；數(shù)據(jù)包更小，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸開銷更大；節(jié)點(diǎn)自身的計(jì)算、存儲(chǔ)、通信能力有限；節(jié)點(diǎn)因能量耗盡而易失效；節(jié)點(diǎn)通信的能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)計(jì)算；節(jié)點(diǎn)數(shù)眾多但沒有類似TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一編碼。WSN的上述特點(diǎn)使得眾多傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議不能直接應(yīng)用，需要單獨(dú)設(shè)計(jì)一種WSN協(xié)議負(fù)責(zé)在匯聚節(jié)點(diǎn)和其余節(jié)點(diǎn)間可靠地傳輸數(shù)據(jù)。其中紫蜂協(xié)議(ZigBee)作為一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議被廣泛使用[12]。該協(xié)議共分物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等5層。

2) 數(shù)據(jù)融合技術(shù)。不同于一般數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，WSN的顯著特點(diǎn)就是通過處理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。大量密集的傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)重復(fù)性很高，通過在網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合能夠減少帶寬的占用，減少了重復(fù)的數(shù)據(jù)傳輸量，降低能量消耗，從而延長(zhǎng)該WSN的生命周期。如何有效地在節(jié)點(diǎn)、簇頭、會(huì)聚點(diǎn)或應(yīng)用軟件之間分配數(shù)據(jù)融合任務(wù)，設(shè)計(jì)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的融合路徑機(jī)制對(duì)WSN的高效運(yùn)行至關(guān)重要。

2.4 WSN的不足之處

1) 傳輸效率低。分層的WSN需要在數(shù)據(jù)傳輸中進(jìn)行標(biāo)識(shí),如果是多層結(jié)構(gòu)需要在數(shù)據(jù)簇頭增加較多的高層簇頭，將導(dǎo)致傳輸效率的降低，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣认陆怠?/p>

2) 安全問題突出。傳感器節(jié)點(diǎn)要通過多次路由轉(zhuǎn)發(fā)才能將數(shù)據(jù)傳到相關(guān)的監(jiān)測(cè)管理應(yīng)用，容易存在數(shù)據(jù)被中途竊取、丟失等問題。

3) 接入困難。由于采用有線接入，WSN的實(shí)施區(qū)域受到較大局限，現(xiàn)有有線網(wǎng)絡(luò)的分布在不同的區(qū)域是不均衡的，有些需要部署WSN的區(qū)域與有線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之間的距離遙遠(yuǎn)。這種情況下僅僅依靠無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)到達(dá)有線IP的邊界是不現(xiàn)實(shí)的。

3 基于NB-IoT的WSN組網(wǎng)設(shè)計(jì)

隨著WSN技術(shù)的發(fā)展，智能家庭、智能醫(yī)療等應(yīng)用的不斷成熟，WSN的移動(dòng)性越來(lái)越多的受到專家和學(xué)者的關(guān)注。而蜂窩網(wǎng)能夠?yàn)榻尤虢K端提供低延時(shí)和低能耗的平滑切換。NB-IoT技術(shù)借助于各大運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了廣域的覆蓋和無(wú)線的移動(dòng)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和芯片成本的降低，NB-IoT技術(shù)將在WSN的組網(wǎng)中得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用，現(xiàn)提出以下3種組網(wǎng)方案。

3.1 方案1：NB-IoT用于無(wú)線傳感網(wǎng)接入應(yīng)用的通道

此方案中NB-IoT用于替換原先的有線網(wǎng)絡(luò)接入，大大降低原先有線網(wǎng)布網(wǎng)的難度，實(shí)現(xiàn)快速組建無(wú)線傳感網(wǎng)。如圖8所示。

圖8 NB-IoT應(yīng)用方案1示意圖

3.2 方案2：NB-IoT作為雙模匯聚節(jié)點(diǎn)

對(duì)原先WSN中的Sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行改造，讓該節(jié)點(diǎn)既能夠作為匯聚節(jié)點(diǎn)，又作為數(shù)據(jù)輸出的連接點(diǎn)。這樣的雙模節(jié)點(diǎn)能夠簡(jiǎn)化WSN，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，減少冗余數(shù)據(jù)傳輸。如圖9所示。

圖9 NB-IoT應(yīng)用方案2示意圖

3.3 方案3：NB-IoT集成到傳感器

待NB-IoT大規(guī)模推廣后，核心芯片及模組的單價(jià)大幅度下降，且集成度更高后，各類傳感器可以直接通過NB-IoT接入到應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)(NB-IoT無(wú)線傳感器)。這將使得無(wú)線傳感器技術(shù)發(fā)展到更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化階段，擺脫對(duì)WSN的依賴。如圖10所示。

圖10 NB-IoT應(yīng)用方案3示意圖

3.4 方案比較分析

如表1所分析，在現(xiàn)有系統(tǒng)改造升級(jí)時(shí)，選擇方案1代價(jià)最小，快速實(shí)現(xiàn)。在新建WSN時(shí)，選擇方案2,網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化，代價(jià)低，是當(dāng)前建設(shè)和升級(jí)WSN的最佳選擇。未來(lái)NB-IoT芯片和模組得到大規(guī)模應(yīng)用成本大幅度降低后，可以將NB-IoT芯片直接集成到傳感器，開發(fā)出新一代智能無(wú)線傳感器，實(shí)現(xiàn)方案3。

表1 傳統(tǒng)方案與3種方案的比較

4 NB-IoT-WSN網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)融合方案

4.1 NB-IoT-WSN信息轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)方案

雙模網(wǎng)關(guān)是WSN傳感器數(shù)據(jù)的匯聚點(diǎn)，也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用系統(tǒng)的上傳通道。網(wǎng)關(guān)將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用系統(tǒng)，由應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的融合處理。

4.2 NB-IoT-WSN網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議融合方案

通過對(duì)NB-IoT協(xié)議棧中部分協(xié)議的修改，或者對(duì)WSN中廣泛使用的協(xié)議(如ZigBee)進(jìn)行修改，使得NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和WSN內(nèi)部使用的協(xié)議能夠進(jìn)行信息互通。

4.3 NB-IoT-WSN數(shù)據(jù)融合網(wǎng)關(guān)方案

該網(wǎng)關(guān)在以上方案的基礎(chǔ)上，不僅轉(zhuǎn)發(fā)信息，而且能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，網(wǎng)關(guān)需要對(duì)各傳感器進(jìn)行管理，對(duì)傳送任務(wù)進(jìn)行管理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該方案易于實(shí)現(xiàn)，不必對(duì)協(xié)議進(jìn)行修改。在本文后續(xù)的方案設(shè)計(jì)中采用該方案實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和融合處理。

5 基于NB-IoT的WSN組網(wǎng)設(shè)計(jì)

5.1 網(wǎng)關(guān)硬件構(gòu)造

NB-IoT-WSN網(wǎng)關(guān)由微處理器模塊、無(wú)線通信模塊、電源模塊和相關(guān)輔助模塊構(gòu)成。微處理器模塊主要作用是對(duì)ZigBee和NB-IoT異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[13]。如圖11所示。無(wú)線通信模塊包括ZigBee模塊和NB-IoT模塊，分別與WSN網(wǎng)絡(luò)和基于移動(dòng)通信平臺(tái)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

圖11 NB-IoT-WSN網(wǎng)關(guān)示意圖

5.2 數(shù)據(jù)幀格式

NB-IoT的下行采用正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)，幀結(jié)構(gòu)與無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的LTE幀結(jié)構(gòu)相同[14]，見表2。ZigBee幀格式見表3。1個(gè)時(shí)常為10 ms無(wú)線幀包含了10個(gè)長(zhǎng)度為1 ms的子幀，采用15 kHz的子載波間隔。NB-IoT上行采用單載波頻分多址(SC-FDMA)技術(shù)，終端支持單子載波和多子載波技術(shù)，對(duì)應(yīng)兩種幀結(jié)構(gòu)，子載波帶寬為15 kHz的幀結(jié)構(gòu)與LTE的下行幀結(jié)構(gòu)相同，為NB-IoT新設(shè)計(jì)的一種幀結(jié)構(gòu)是子載波帶寬為3.75 kHz的幀結(jié)構(gòu)。

表2 NB-IoT幀格式

表3 ZigBee幀格式

5.3 傳輸過程

數(shù)據(jù)傳輸時(shí)分為上行傳輸和下行傳輸。由NB-IoT-WSN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)換，在NB-IoT與ZigBee之間形成協(xié)調(diào)器[15]。串口接收的數(shù)據(jù)由DMA 通道以透明傳輸?shù)姆绞絺魅?在網(wǎng)關(guān)建立Socket 服務(wù)器,協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)傳入，并通過一定的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。最后由串口進(jìn)行發(fā)送。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文在對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)及WSN深入研究的基礎(chǔ)上，提出了3種利用NB-IoT技術(shù)來(lái)為WSN進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｐ?。并選擇其中一種當(dāng)前比較可行的模型進(jìn)行了雙模網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)在不同網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，也能夠有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)融合減少冗余數(shù)據(jù)。隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)LTE的不斷演進(jìn)和覆蓋密度的增強(qiáng)，以及相關(guān)芯片、模組的成熟，NB-IoT可以在WSN應(yīng)用領(lǐng)域得到進(jìn)一步的深入應(yīng)用。研究的下一步工作是編寫網(wǎng)關(guān)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和融合的程序代碼，并對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、傳輸效率、安全性等進(jìn)行分析。

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