傳感器為眾多的軍用系統(tǒng)提供了實際接口，從監(jiān)控和武器控制一直到遙控運載器等均在其列;而在幕后，部署了成百甚至上千的傳感器用于監(jiān)視軍事裝備或設(shè)施。傳統(tǒng)上，這些大型傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全和可靠連接需要進(jìn)行硬連線安裝，而如今的無線技術(shù)則有可能提供一種靈活性更高且成本更低的解決方案。

無線傳輸挑戰(zhàn)

鑒于這篇文章的寫作目的，我們將縮小重點討論的范圍，以飛機或船舶上的健康狀況監(jiān)測采用“機載或艦載”傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用為研究對象。此類網(wǎng)絡(luò)通常具有低數(shù)據(jù)速率的特點，其中傳感器被安放在固定和有可能不易接近的位置，負(fù)責(zé)測量諸如振動、溫度、壓力、應(yīng)變和加速度等物理條件?，F(xiàn)行的有線傳感器解決方案提供了一定的傳感器覆蓋率，可是，電線安裝成本高昂，而且布線會造成重量增加，這兩個因素共同作用的結(jié)果導(dǎo)致傳感器的使用范圍僅限于期望覆蓋區(qū)域的一小部分。無線解決方案要想切實可行，就必須滿足這種苛刻環(huán)境的嚴(yán)格要求。

理想情況下，典型傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備中的壽命將達(dá) 10 年，而設(shè)備本身在 30 年或更長的時間里也許需要進(jìn)行數(shù)次整修或升級。傳感器和無線電線路應(yīng)當(dāng)是免維護(hù)的，而且最好是具有非常低的功耗以便采用電池和能量收集技術(shù)來供電，從而實現(xiàn)“無電纜式”安裝。

保密和安全自然是非常重要;如果無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要取代有線網(wǎng)絡(luò)，則其必須具備安全的消息傳遞能力以及針對非法入侵和欺詐式外部攻擊而作出防護(hù)能力。

消息傳遞的可靠性也是至關(guān)緊要;具有錯綜復(fù)雜的金屬艙和密閉空間的典型機載或艦載軍事環(huán)境對無線傳輸提出了一些重大的挑戰(zhàn)。眾所周知，點對點無線電通信具有不可預(yù)知性，而且將受到 RF 干擾、多徑衰落、路徑阻塞以及特殊情況下節(jié)點徹底失效的影響。當(dāng)節(jié)點以網(wǎng)格配置時，如果采用多個頻道以避開干擾就可以解決這些問題，而且能識別阻塞的路徑和缺失的節(jié)點，并自動重新配置傳送路徑。

如果可以利用一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來滿足上述要求，帶來的好處將是巨大的。單單是安裝成本的節(jié)省常常就足以證明使用無線技術(shù)的合理性，因為電纜的鋪設(shè)成本可達(dá)傳感器自身成本的 10 倍以上。此外，隨著傳感器覆蓋區(qū)域的擴(kuò)大，機器健康狀況監(jiān)測可大幅縮減系統(tǒng)故障停機時間、改善機械效率并實現(xiàn)可預(yù)知的維護(hù)。

無線技術(shù)選擇

可供考慮的技術(shù)選擇有幾種;衛(wèi)星和蜂窩技術(shù)可適用于傳感器間距很大的戶外應(yīng)用，但在封閉的機載或艦載環(huán)境中則不適合。另外，它們還具有最高的每數(shù)據(jù)包能量成本，而且或許要求數(shù)據(jù)通過第三方網(wǎng)絡(luò)運營商，這可能使安全問題復(fù)雜化。

另一種選擇是 WiFi (IEEE 802.11b, g)，其提供的每數(shù)據(jù)包能量成本比衛(wèi)星或蜂窩技術(shù)低得多，但與傳統(tǒng)的移動數(shù)據(jù)使用相比，它通常需要較高的接入點密度以利用固定傳感器實現(xiàn)可靠的通信。作為折衷，在采用較少數(shù)目而較高功率節(jié)點比采用大量的低功率節(jié)點更為可取時，此類解決方案會很適合。

還有不少基于 LR-WPAN (低速率無線個人局域網(wǎng)) 標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.15.4 的解決方案，包括凌力爾特的 Dust Networks® 產(chǎn)品線。802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)非常適合于具有相對較低數(shù)據(jù)速率 (250kbps 以下) 和短數(shù)據(jù)包長度的低功耗、短程傳感器網(wǎng)絡(luò)運作。

各種呈競爭態(tài)勢的 IEEE 802.15.4 解決方案以這樣一種方式來利用互連節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，即是可通過不同的路徑傳送數(shù)據(jù)包，以提高傳輸?shù)目煽啃浴ust Networks 產(chǎn)品在傳統(tǒng)的網(wǎng)格配置基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，并率先運用了一種時間同步化通道跳頻 (TSCH) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，該協(xié)議已經(jīng)成為諸如 IEC62591 (WirelessHART) 和 IEEE 802.15.4E 等主要無線網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。ZigBee Pro 提供了一種替代方案，但其不能在末端節(jié)點上支持完整的網(wǎng)格實施方案，而且 CSMA (載波偵聽多路訪問) 技術(shù)的使用必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)包沖突，因為消息在同一個時域中競爭。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，這將成為一個日益嚴(yán)重的問題，而且由于節(jié)點在一個隨機延遲周期之后必須重新嘗試消息傳送，所以會造成能量的浪費。ZigBee Pro 并非專為在所有節(jié)點上實現(xiàn)超低功耗而優(yōu)化，而且稍后我們將會看到，被稱為“Snap”和“Digi-Mesh”(ZigBee Pro 的變種) 的替代解決方案雖然試圖克服這一問題，但無法與 SmartMesh IP 解決方案的性能或安全性相匹敵。[!--empirenews.page--]

Dust Networks 解決方案

SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)由一個自形成的多跳節(jié)點網(wǎng)格和一個網(wǎng)絡(luò)管理器組成，前者被稱為“微塵”(mote)，負(fù)責(zé)收集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);后者則用于監(jiān)視和管理網(wǎng)絡(luò)性能和安全性，并與主機應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。

SmartMesh 微塵和管理器是完整的嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案。它們把基于 Dust Networks Eterna® 片上系統(tǒng)技術(shù)的硬件與一個時間同步通道跳頻鏈路層及完整的網(wǎng)絡(luò)軟件相組合，以在最嚴(yán)苛的 RF 環(huán)境中提供 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性，并為網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點 (包括路由節(jié)點) 提供 10 年以上的電池壽命。

低功耗

在理想的情況下，無線傳感器不應(yīng)要求外部饋電，從而實現(xiàn)“即撕即貼型”安裝的概念。SmartMesh IP 采用 7.5ms 的集中管理預(yù)定義時隙，以實現(xiàn)節(jié)點之間數(shù)據(jù)包通信的同步。時隙根據(jù)應(yīng)用的帶寬要求進(jìn)行分配，但一個 >1% 的占空比是常見的。節(jié)點僅在預(yù)定的時間喚醒，因而提供了超低的功耗。路由節(jié)點消耗的平均電流通常 < 50μA，故可依靠兩節(jié) AA 鋰電池運行 5~10 年。

由于路由節(jié)點在接收模式中連續(xù)供電 (因而需要線路功率級別)，所以ZigBee Pro 方案的功耗較高。Snap 和 Digi-Mesh 雖然提供了低功耗路由器，但依賴于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)里的 “信標(biāo)” 特性，此時是整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入睡眠狀態(tài)和被喚醒，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的帶寬限制。

安全性

SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)包都在每一層上進(jìn)行鑒定，并實施端到端加密。在鏈路層上，采用一個運行時間密鑰和一個基于時間的計數(shù)器在每一跳上對數(shù)據(jù)包進(jìn)行鑒定。此外，還采用運行時間會話密鑰和一個共享計數(shù)器對數(shù)據(jù)包實施鑒定和端到端加密。這些鑒定層共同提供了針對重放攻擊和中間人攻擊的防護(hù)作用。

利用一種基于會話的 128 位 AES 對稱密鑰加密為數(shù)據(jù)包載荷提供了竊聽保護(hù)。新的節(jié)點最初采用一個特殊的連接密鑰，然后使用一個隨機數(shù)發(fā)生器將多個密鑰分配至該新節(jié)點。利用多個此類加密密鑰，一個節(jié)點的妥協(xié)折衷就不會危及網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點的安全性。SmartMesh 的安全性大大強于 Snap 和 Digi-Mesh 解決方案，后兩者都只為整個網(wǎng)絡(luò)采用了單一的加密密鑰。

可靠性

Dust Networks SmartMesh IP™ 協(xié)議采用 16 通道 FHSS (跳頻擴(kuò)頻) 實現(xiàn)了時隙同步消息傳送與頻率分集的組合，通?？商峁?>99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性。每對節(jié)點采用一個 16 通道的偽隨機序列，這里，通道的使用由網(wǎng)絡(luò)管理器來分配以避免干擾相鄰的節(jié)點。FHSS 不僅實際上使帶寬增加了 16 倍，而且還最大限度地提高了消息傳遞的機會，即使當(dāng)大多數(shù)頻段皆被 RF 干擾所阻塞的時候也不例外。相比之下，ZigBee Pro 在任何時間點上都使整個網(wǎng)絡(luò)在單一頻道上運作，因而使其容易遭受多徑衰落的不良影響。

結(jié)論

Dust Networks SmartMesh IP 產(chǎn)品系列建立在 IEEE 802.15.4 LR-WPAN 標(biāo)準(zhǔn)上，以超低功耗全面實現(xiàn)了自愈、自優(yōu)化時間同步網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)。[!--empirenews.page--]

通過將時間同步時隙與跳頻和強加密組合起來，就能實現(xiàn)一個消息傳遞可靠性 >99.999% 的安全無線網(wǎng)絡(luò)，從而令其成為有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種現(xiàn)實的替代方案。

對于下一代軍用設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，SmartMesh IP 產(chǎn)品有可能形成其技術(shù)平臺的基礎(chǔ)，并在節(jié)省成本、縮短構(gòu)建時間和改善運作靈活性方面提供巨大的潛力。