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移动通信网络和传感器网络的融合

'移动通信网络和传感器网络的融合'
MS T T N o v e mb e r 2 0 0 8 e a tru e s 技术专题 F · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 移动通信网络和传感器网络的融合 沈 嘉 信息产业部电信研究院通信标准研究所高级工程师 摘要: 未来移动通信技术的研发, 将向扩展终 端数量的方向发展, 以移动通信手段广泛替代 各种传统生产、 生活方式, 从而保证移动通信 产业的持续快速发展。移动通信网络和无线传 感器网络的结合可以充分发挥两者的优势, 成 为无线机器间通信的一种很具吸引力的实现 方式。 关键词: 传感器, 移动通信, 融合 Abstract: Extend the number of terminals is the development aspect for mobile communication R&D, changing traditional production and life style. Combination mobile communication and sensornetworkcouldgivefullplaytothe advantages from both mobile communication and sensor network, and M2M will be an attractive implement mode. KeyWords:sensor,mobilecommunication, convergence 在 I M T - A d v a n c e d 技术 (俗称 4 G ) 即将开始标准化的今 天, 移动通信产业下一步的发展既面临机遇, 也面对挑战。 4 G之后 , 5 G是什么?从网 络发 展 方 面 , 范 在 网 络 (U b i q u i t o u s N e t w o r k ) 可能成为 5 G无线通信系统的主要特 征, 但范在网络的确切内涵尚不明朗。 从 3 G开始,移动通信产业的发展思路是不断提高数 据率, 增强多媒体业务提供能力, 吸引用户投入更高的通信 费用。 但令人略感失望的是, 移动用户的 A R P U值却呈现下 降的趋势。普通用户出于对通信费用在家庭支出中的比例 限制, 并不一定愿意为更高数据率的业务付出更多金钱。 再 加上运营商之间的价格竞争,“以高带宽换取高话费”的商 业模式不一定会顺利实现。 因此, 若想保持移动通信产业的 快速发展, 必须在向 “更高、 更快、 更强” 目标推进的同时, 向 “更广” 发展, 即扩展通信的应用范围, 向社会生活各个领域 渗透, 增加移动终端数量。 传统手机用户渗透率已渐趋饱和,移动通信产业发展 不可能长期依赖移动通信用户数量的高增长率扩大产业规 模。因此, 移动通信产业应致力于增加 “非人” 终端的数量, 大力发展机器间 (M 2 M ) 通信。 M 2 M通信就是通信的一端或两端是设备,而不是人。 各种设备, 如传感器、 计算机外设、 测试仪表等都可以构成 M 2 M通信终端, 传感器网络是 M 2 M通信最典型的范例。 潜 在需要无线互联的机器的数量至少比人口数量大一个数量 级, 如果相当一部分机器可以成为移动通信终端, 即使这些 M 2 M终端的平均 A R P U值略少于人类用户终端, 也将构成 一个巨大的新增市场。 30 OD E R NS C I E NC E&T E C H NOL OGYOFT E L E C OMMUNI C A T I ONS 现代电信科技 M · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 现代电信科技2 0 0 8年1 1月第 1 1期 高级 低级 频率 1频率 2 簇簇头簇成员 图 3 分层 WSN 结构 部署 建立路由/开始通信自动识别/自组网 唤醒/自配置 图 1 传统的无线传感器网络形成过程 汇聚 节点 簇头 传感节点 簇 监测区域 图 2 WSN 节点的汇聚和 “簇” 的形成 1无线传感器网概念、 架构和应用 传统的无线传感器网络 (WS N ) 是完全不依赖 其他通信手段, 只依靠 WS N节点之间的 A d H o c 互 联形成的 “无中心” 的、“自组织” 的网络, 这和传感器 网络初期用于军事用途 (战场监控 ) 有关。如图 1 所 示, WS N的形成步骤如下: (1 )部署: WS N节点可以根据被监控的环境需 要灵活放置。 (2 )唤醒和自检测: WS N节点被唤醒,自动配 置。 (3 )自动识别和自组网: WS N节点互相自动识 别, 通过学习相互的位置关系, 自动组成 WS N 。 (4 )建立路由和开始通信: 基于自动形成 WS N 网络拓扑和周边信道条件,自动建立路由和数据流 向, 并开始向外传送信息。 但是, 需要说明的是, 这种最传统的 WS N , 是针 对最原始、 最恶劣的部署环境和特殊的用途设计的。 也就是说,在部署的区域既无其他通信网络可以依 靠, 也无法人为的进行网络规划, 假设 WS N完全处 于 “孤立无援” 陌生环境中, 不得不完全 “自配置、 自 识别、 自组网、 自路由” 。这在某些特殊应用场景 (如 战场环境 ) 是唯一可行的组网方式, 但在常规应用场 景中, 这种纯粹 “无中心” 的自组织网络势必是低效 率的。因此目前采用的 WS N都引入了一定的中心 控制的概念,即附近的若干个 WS N节点形成一个 “簇” ,簇内各节点的信息汇聚到某一个节点———簇 头, 再通过簇头向上传送簇内收集到的信息, 如图 2 所示。 由于 WS N节点的传输距离短、一个簇的规模 不可能很大,而有线 I P网络的覆盖又非常有限, 很 难保证在一个簇覆盖的范围内总能找到有线 I P网 络的接口。因此为了形成较大的 WS N , 就必须在多 个簇头之间再进行 A d H o c 组网, 这样就形成了分层 的 WS N , 如图 3 所示。 上层的簇头互联后, 信息汇聚 到更高一层的簇头向上传递, 以此类推, 直至某一个 簇头进入了有线 I P网络的覆盖范围, 这个簇头就可 以成为 1 个 “WS N网关”(可称为 “S i n k ” ) , 将该 WS N 收集的所有信息回传到 I P网络。通过这种分层 WS N结构,从理论上讲就可以无限扩展 WS N的规 模, 构成 “无所不在” 的泛在网络。 但实际上,由于 WS N本身的缺陷,只靠 WS N 本身很难形成真正 “无所不在” 的覆盖: (1 )首先是 WS N层数增多带来的传输延迟的 增大, 不仅是每个簇头引入一定的处理时延, 层和层 之间由于共享相同的空中接口资源,很多情况下还 必须采用时分复用的方式传输,更加剧的时延的扩 31 MS T T N o v e mb e r 2 0 0 8 e a tru e s 技术专题 F · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 图 4 WSN 从单 Sink 向多 Sink 演化
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