基于下一代電視傳送技術的無線傳感器網絡*

孫友偉

（西安郵電學院，陜西 西安 710121）

1 引言

下一代有線數字電視傳送網絡以 “傳送與節(jié)目分離、業(yè)務提供與用戶駐地分離”為基本建網理念，有線電視臺不依賴于唯一的傳送網絡，用戶不依賴于唯一的有線電視臺。在網絡結構設計上劃分為光傳送城域骨干網[1]、10GEPON或GPON接入網[2]、用戶駐地網和有線電視增值業(yè)務綜合平臺支撐網3部分[3]。下一代有線數字電視傳送網絡的協(xié)議基于以太網協(xié)議加強[4]。城域骨干傳送網絡物理層采用光分組交換協(xié)議[5]，以保證高清電視數據流按用戶請求的質量要求傳送。下一代有線數字電視傳送網絡的調度、管理、計費等由BOSS構架規(guī)劃[6]。用戶駐地網和有線電視增值業(yè)務綜合平臺支撐網由萬兆以太網和10GEPON接入技術完成[7]。

為適應未來市場的需要，下一代有線數字電視傳送網絡應能接入多種傳感器信息并實現物物相連，因此，無線傳感器網絡技術的引入成為必然。無線傳感器網絡是信息技術的前沿和交叉領域，正處于起步階段，將成為電話網、電視網、計算機網三網融合之后網絡向前延伸過程中新的競爭亮點。到目前為止，無線傳感器網絡在家庭生活、社會管理、工農業(yè)生產等領域的應用仍然處于探索階段，隨著技術的不斷進步，無線傳感器網絡將滲透到社會生活的各個方面。

2 無線傳感器網絡結構

基于下一代有線數字電視傳送技術的無線傳感器網絡結構如圖1所示，其構建原則為：1）是下一代有線數字電視傳送網絡的擴展和延伸；2）可提供用戶在生活、生產中除高速寬帶業(yè)務需求之外的基于無線傳感器的其他綜合服務。

網絡由有線環(huán)境和無線環(huán)境兩部分構成。有線環(huán)境以光纖網絡為物理傳媒，以Ethernet協(xié)議為基礎，以高清電視、網絡電話和網絡數據為基本業(yè)務，透明地傳送多種信息與Internet互通。由于傳感器業(yè)務相對其他業(yè)務信息量并不大，速率要求也不高，因此對已經構成的有線環(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用，它由多個相互平等的節(jié)點自組網構成，分布在家庭環(huán)境或生產場所，每個節(jié)點既可作轉發(fā)，也可作終端。為了最大限度地發(fā)揮下一代有線數字電視網絡的高速寬帶優(yōu)勢，在有線與無線的接口設置一個特殊的接入點，以便良好地適配高速業(yè)務的無線接入和傳感器低速業(yè)務的無線接入。

3 無線傳感器網絡拓撲

基于下一代有線數字電視傳送技術的無線傳感器網絡由傳感節(jié)點、匯聚（Sink）節(jié)點、自組網鏈路以及目標感知視場4要素組成，通過定義外部網絡和遠程任務來完成系統(tǒng)任務。網絡采用異構節(jié)點組成的、層次化的自組織方式構造，大量傳感節(jié)點隨機部署，協(xié)同形成對目標的感知視場?；谙乱淮芯€數字電視傳送技術的無線傳感器網絡拓撲如圖2所示。

自組網鏈接描述了網絡的根本屬性，其節(jié)點不需要預先安裝或預先決定位置，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)點以多跳傳輸的方式發(fā)送信息，一直到達觀測節(jié)點，同時計算并選擇需轉發(fā)的信息的路徑[8]。

目標感知視場描述了分布的傳感節(jié)點所服務的范圍，它隨著傳感器的增減和移動而發(fā)生變化，根據任務部署要求來決定它的大小。這里定義目標為服務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，傳感器節(jié)點通過收集獲取目標產生的震動波或熱輻射波以及聲、光、電波等信息，來判斷監(jiān)測對象的運動以及與之有關的速度和方向等參數，或者讀取并判斷監(jiān)測對象自身屬性的變化參數。眾多傳感器節(jié)點構成的一個對目標監(jiān)測服務的范圍稱為該節(jié)點的感知視場，當傳感器檢測到的目標所發(fā)出的信息超過監(jiān)測預定的值時，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)、運動系統(tǒng)以及發(fā)電裝置等。傳感節(jié)點完成原始數據采集并作本地信息處理，實現無線數據傳輸并與其他節(jié)點協(xié)同的工作，依據應用需求還可能攜帶多種中間件模塊來完成綜合任務。

匯聚節(jié)點最為特殊。一方面，在無線傳感器網絡內作為接收者和控制者，被授權監(jiān)聽和處理網絡的事件消息和數據，可向傳感器網絡發(fā)布查詢請求或派發(fā)任務；另一方面，面對Internet外作為中繼和網關完成傳感器網絡與外部網絡間信令和數據的轉換，是連接傳感器網絡與其他網絡的橋梁。

4 無線傳感器網絡協(xié)議體系

基于下一代有線數字電視傳送技術的無線傳感器網絡協(xié)議由固定網絡使用的以太協(xié)議和無線網絡協(xié)議兩大部分構成，其協(xié)議體系如圖3所示。

圖3 無線傳感器網絡協(xié)議體系

固定網絡使用的以太網增強協(xié)議設計已經完成[5]，本文不再討論。傳感節(jié)點通過自組網鏈接與匯聚節(jié)點之間的無線通信協(xié)議，網絡層到高層應用基于Zigbee技術增強[9]，主要完成跨節(jié)點和跨網之間的可靠通信。數據鏈路層和物理層基于IEEE802.15.4協(xié)議標準增強。匯聚節(jié)點加裝IEEE802.15.4到802.3協(xié)議轉換，以完成無線網絡到固定網絡的轉換。

網絡層控制傳感節(jié)點接收和發(fā)送過程中特殊的多跳無線路由協(xié)議。以自組網方式構成的無線傳感器網絡，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。為防止廣播風暴的出現，協(xié)議中要設定多跳壽命，若超過多跳壽命還沒有找到目標時，播出的信息將被丟棄。另外，無線傳感器網絡對目標感知視場的監(jiān)測是以確定的閾值為基礎的，因此，只需要對比閾值門限，而不必一定關注無線傳感器收集的數據細節(jié)。

數據鏈路層負責無線傳感器數據由一個節(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，除了對數據幀進行檢測、對媒體接入進行控制之外，數據鏈路層設計的重點是MAC子層[10]。

MAC子層協(xié)議處于無線傳感器網絡協(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絡的性能，成為無線傳感器網絡有效通信的關鍵網絡協(xié)議之一[11]。典型的MAC子層協(xié)議首先控制網絡構建，其次為全網配置資源，前者為自組網結構建立穩(wěn)定的鏈路基礎，后者為各個節(jié)點平等地分配網絡資源，以便有效地控制網絡延遲和吞吐量。因此，設計一個性能優(yōu)越的MAC協(xié)議算法成為無線傳感器網絡研究的一個熱點問題。

物理層定義了無線傳感器網絡的傳輸介質，可以是空氣、水、電纜和光纜等，無線傳感器網絡主要使用空氣介質以無線方式傳輸。

無線傳感器網絡自發(fā)建網示意圖如圖4所示。上電啟動以后，自組網的建立由所有節(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)點無線傳感器網絡參數。對端節(jié)點收到beacon幀后，分配自己控制的網絡資源，包括開辟寄存器地址，確定網絡信道標號和其他軟硬件參數。當通信進程發(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)議轉換和與有線數字電視網絡連接的功能。

圖4 無線傳感器網絡自發(fā)建網示意圖

5 無線傳感器網絡業(yè)務擴展

無線傳感器網絡將開拓通信網絡中物物互聯的全新業(yè)務。現在的通信網絡實現的是人人互聯，而無線傳感器網絡解決的是物物互聯。著名法國咨詢機構IDATE提供的報告顯示，2006年全球范圍內基于傳感器網絡的物物互聯市場容量已達200億歐元，而到2010年將達到2200億歐元，年復合增長率達49%。

基于下一代有線數字電視傳送技術的無線傳感器網絡，主要服務于家庭環(huán)境和生產場所，除有線數字電視、電話、數據這三大傳統(tǒng)業(yè)務之外，無線傳感器網絡擴展的業(yè)務主要集中在以下領域：

1）人類日常活動環(huán)境的監(jiān)測和保護。通信業(yè)是直接服務于用戶的行業(yè)，人類日?；顒迎h(huán)境包括了生活、生產環(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)境的關注程度越高，需要監(jiān)測的環(huán)境數據也越多。大體分兩類，環(huán)境適宜和安全防護。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)，并且控制相應的設備以使環(huán)境達到適宜程度，包括溫度、濕度、光照、噪聲等。可控制的設備包括空調、冰箱、熱水器、燈光等全部家用電器。安全防護主要監(jiān)視非法入侵、火水災害、放射性、有害氣體和液體等，可控制的設備包括各種報警系統(tǒng)和救助系統(tǒng)。

2）健康護理。無線傳感器網絡進一步向用戶延伸，將體現在對用戶的健康探測與護理。進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，更加精確地管理用戶的治療和康復[12]。

3）社會事務監(jiān)測與保護。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，冰箱內食物的缺量配送以及家用電器或生產設備的運轉狀態(tài)等。這些無線傳感器可以鑲嵌在設備之中，幫助用戶有效地管理社會事務。

6 小結

第三代移動通信技術承載無線傳感器網絡信息的瓶頸效應漸漸顯現?；谙乱淮芯€數字電視傳送技術的無線傳感器網絡不失為一種新的途徑，既可發(fā)揮固網光纖的寬帶優(yōu)勢，又能顯著的提高網絡的增值效益。系統(tǒng)的組建包括固定網絡和無線網絡兩部分，仔細地設計無線傳感器網絡MAC子層協(xié)議以及有效解決無線網絡與有線網絡的互聯成為設計的關鍵。本文設計了網絡構架和協(xié)議體系，并且配置了部分業(yè)務，為下一步網絡仿真建立基礎。有關網元和協(xié)議細節(jié)將另文討論。

[1]孫友偉.下一代有線數字電視傳送網絡構建[J].電視技術，2009，33（3）：43-44.

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

[3]孫友偉.下一代有線數字電視用戶駐地網結構仿真[J].電視技術，2008，32（1）：8-10.

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

[5]孫友偉，孫書娜.有線數字電視光分組交換網絡構成[J].電視技術，2005，29（6）：62-66.

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

[7]孫友偉，孫書娜.CATV以太網組網方案[J].西安郵電學院學報，2005，10（3）：88-91.

[8]孫友偉.現代通信新技術新業(yè)務[M].北京：北京郵電大學出版社，2004.

[9]王銳華，于全.淺析 ZigBee 技術[J].電視技術，2004，28（6）：33-35.

[10]馬新華，容曉峰.無線傳感器網絡實時性能分析[J].西安郵電學院學報，2009，14（1）：112-115.

[11]崔遜成，趙諶.無線傳感器網絡的領域應用與設計技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[12]馬新華.一種基于Agent的無線傳感器網絡醫(yī)學監(jiān)控模型[J].西安郵電學院學報，2008，13（5）：108-110.