无线网络架构分析 - 为无线传感网构建做出正确的权衡

　　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。