吳 斌,孫越玲
(浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 紹興 312366)
新一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡(luò)采用了以“傳送和節(jié)目分開,業(yè)務(wù)提供和用戶駐地也分開”為基礎(chǔ)的建網(wǎng)基本理念,意味著有線電視將不再依賴單一傳送網(wǎng)絡(luò),用戶將不再依賴單一有線電視臺[1]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3 大部分:一是光傳送城域骨干網(wǎng),這是網(wǎng)絡(luò)的核心部分,用于傳送高清電視數(shù)據(jù)流,物理層采用光分組交換協(xié)議,以確保數(shù)據(jù)以高質(zhì)量傳送,滿足用戶需求;二是10 Gb 以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(Ethernet Passive Optical Network,EPON)或 吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)(Gigabit Passive Optical Network,GPON)接入網(wǎng),這是用戶與網(wǎng)絡(luò)相連的接入層,采用了10GEPON 或GPON 技術(shù),為用戶提供接入服務(wù),使用戶能夠接收數(shù)字電視信號;三是用戶駐地網(wǎng)和有線電視增值業(yè)務(wù)綜合平臺支撐網(wǎng),負責(zé)連接用戶的住宅或商業(yè)地點,支持有線電視的增值業(yè)務(wù),采用萬兆以太網(wǎng)和10GEPON 接入技術(shù)以滿足用戶需求。
基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建基于以下兩個關(guān)鍵理念。
這個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被構(gòu)建為下一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡(luò)的自然擴展和延伸。它借鑒了有線網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)和技術(shù),以便更好地滿足用戶的通信需求。這種緊密的集成可以實現(xiàn)多種優(yōu)勢,包括更大的覆蓋范圍、更高的數(shù)據(jù)傳輸速度和更穩(wěn)定的信號質(zhì)量。用戶可以在無線環(huán)境中獲得與有線數(shù)字電視一樣卓越的體驗,同時拓展了數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍,使其更具多功能性和適用性[2]。
除了高速寬帶業(yè)務(wù)需求,這一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個重要目標是提供用戶在生活和生產(chǎn)中的其他綜合服務(wù),包括無線傳感器技術(shù)的應(yīng)用,用于監(jiān)測、控制和實時反饋,還包括智能家居系統(tǒng)、工業(yè)自動化、環(huán)境監(jiān)測及醫(yī)療保健等多個領(lǐng)域。
基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁有復(fù)雜而高效的結(jié)構(gòu),由傳感節(jié)點、匯聚節(jié)點、自組網(wǎng)鏈路以及目標感知視場等要素組成。
傳感節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中的基本構(gòu)建塊,通常以大量的隨機部署方式分布在感知區(qū)域內(nèi)。每個傳感節(jié)點都配備有傳感器設(shè)備,用于收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、光線強度、運動檢測等信息。傳感節(jié)點在感知視場內(nèi)相互協(xié)同工作,共同構(gòu)建出一個廣泛的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。
匯聚節(jié)點用于匯集從傳感節(jié)點收集的數(shù)據(jù),然后將其傳輸?shù)酵獠烤W(wǎng)絡(luò)或遠程任務(wù)執(zhí)行節(jié)點,起到數(shù)據(jù)聚合和轉(zhuǎn)發(fā)的作用,有助于減少網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)冗余,提高數(shù)據(jù)傳輸效率。通常,匯聚節(jié)點位于感知區(qū)域的邊緣或中心位置。
自組網(wǎng)鏈路是傳感節(jié)點之間和傳感節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的通信連接,是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵部分,使節(jié)點之間能夠相互通信、協(xié)作和傳輸數(shù)據(jù)。這些鏈路應(yīng)該是自適應(yīng)的,以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲和環(huán)境的變化。
目標感知視場是網(wǎng)絡(luò)的最終目標,由傳感節(jié)點構(gòu)成的感知視場覆蓋了特定區(qū)域。這個視場用于監(jiān)測和感知目標對象或環(huán)境的變化。當目標對象進入視場內(nèi),傳感節(jié)點將收集相關(guān)數(shù)據(jù)并將其傳遞給匯聚節(jié)點,從而實現(xiàn)對目標的監(jiān)測和感知[3]。
基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)通常是異構(gòu)節(jié)點組成的,意味著不同類型的節(jié)點(傳感節(jié)點、匯聚節(jié)點等)協(xié)同工作以完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲
基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一個復(fù)雜的體系,分為固定網(wǎng)絡(luò)使用的以太協(xié)議和無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議兩大部分。這一協(xié)議體系在網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)傳輸中起到至關(guān)重要的作用,具體的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖2 所示。以下將對其中的關(guān)鍵部分進行擴展說明。
圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系
3.1.1 固定網(wǎng)絡(luò)使用的以太協(xié)議
固定網(wǎng)絡(luò)使用的以太協(xié)議是專門為有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的,用于在有線環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)。其設(shè)計和實施已經(jīng)完成,因此本文不再詳細討論。這些協(xié)議通常包括以太網(wǎng)等標準,用于傳輸數(shù)字電視和其他數(shù)據(jù)。
3.1.2 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心,用于傳輸傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù),以及與外部網(wǎng)絡(luò)進行通信。協(xié)議具體分為以下幾層。
(1)網(wǎng)絡(luò)層向高層應(yīng)用。ZigBee 技術(shù)增強協(xié)議被應(yīng)用于該層中,以實現(xiàn)跨節(jié)點、跨網(wǎng)絡(luò)的可靠通信。
(2)數(shù)據(jù)鏈路層與物理層。這兩層使用電氣與電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)802.15.4 協(xié)議標準增強版本。利用這些協(xié)議對數(shù)據(jù)鏈路與物理層之間的通信進行管理,以保證數(shù)據(jù)完整可靠。
(3)匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點增加IEEE 802.15.4協(xié)議向802.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換器,將無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為固定網(wǎng)絡(luò),有利于將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠烤W(wǎng)絡(luò),并與其他數(shù)據(jù)進行交互[4]。
(4)網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)層,路由協(xié)議負責(zé)確定數(shù)據(jù)的最佳傳輸路徑,以確保數(shù)據(jù)能夠跨越多個節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥繕说攸c。
數(shù)據(jù)鏈路層在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中扮演著至關(guān)重要的角色,確保從一個節(jié)點到另一個節(jié)點之間的無線傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。這個級別通常可以被拆分為邏輯鏈路控制(Logical Link Control,LLC)和媒體訪問控制(Media Access Control,MAC)兩個子層。數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計主要聚焦MAC 子層,而不僅僅是檢測數(shù)據(jù)幀和控制媒體的接入。MAC子層協(xié)議位于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的最底部,核心職責(zé)是確保傳感器節(jié)點間能夠公平且高效地共享通信資源。典型的MAC 子層協(xié)議承擔(dān)了以下兩個主要職責(zé)。
第一,網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建控制。MAC 協(xié)議首先在網(wǎng)絡(luò)中控制構(gòu)建,幫助建立自組織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以確保網(wǎng)絡(luò)鏈路的穩(wěn)定性和可靠性,包括協(xié)助節(jié)點之間建立連接、確定通信順序和協(xié)調(diào)通信活動,從而建立穩(wěn)定的鏈路基礎(chǔ)。
第二,資源配置和管理。MAC 協(xié)議負責(zé)全網(wǎng)資源的配置,以確保網(wǎng)絡(luò)資源在各個節(jié)點之間公平分配。這有助于有效地控制網(wǎng)絡(luò)的延遲和吞吐量,以滿足不同應(yīng)用場景的需求。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)建網(wǎng)如圖3 所示。圖3描述了上電啟動后無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如何自動構(gòu)建,以確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。以下是對圖3 內(nèi)容的擴展說明。
圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自發(fā)建網(wǎng)示意圖
(1)自組網(wǎng)初始化。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)初始化過程中,所有節(jié)點平等地發(fā)起自組網(wǎng)建立。每個節(jié)點都具備啟動和維護網(wǎng)絡(luò)的能力,而不依賴于中心控制或預(yù)配置的設(shè)備[5]。
(2)信道能量檢測(Energy Detection,ED)幀。為了評估周圍消耗最少能量的節(jié)點,每個節(jié)點首先向其相鄰的節(jié)點發(fā)送信道ED 幀。這些幀用于測量周圍的信道質(zhì)量和能量狀況,以確定最適合通信的近鄰節(jié)點。這個節(jié)點將被選擇作為首選信道,因為它在網(wǎng)絡(luò)中具備相對較低的能量消耗。
(3)信標請求幀(beacon)。一旦確定了首選信道,節(jié)點向該信道發(fā)送信標請求幀(beacon)。這個幀的主要目的是進行互動,以交換關(guān)于網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的信息,包括網(wǎng)絡(luò)地址分配、信道標號的確定和其他軟硬件參數(shù)的配置。通過這種方式,節(jié)點能夠協(xié)調(diào)并同步其設(shè)置,以確保整個網(wǎng)絡(luò)的一致性和協(xié)同工作。
(4)節(jié)點角色決定。在通信過程中,每個節(jié)點需要確定自己是Sink 節(jié)點還是終端節(jié)點。Sink 節(jié)點通常充當數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點,負責(zé)收集、聚合和傳輸傳感器節(jié)點收集的數(shù)據(jù)。終端節(jié)點則是普通的數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點,負責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。這一決策基于網(wǎng)絡(luò)需求和節(jié)點的位置。
(5)匯聚節(jié)點功能。如果一個節(jié)點被指定為匯聚節(jié)點,它需要具備多項功能。除了上述作用之外,它還需要執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換,將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到有線數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)。
通信行業(yè)是一個為用戶提供服務(wù)的關(guān)鍵領(lǐng)域,滿足了人們在日常生活中的通信需求。這些活動覆蓋了人們的日常生活和工作環(huán)境,為用戶的日常生活和工作提供了核心框架。盡管各個地區(qū)的生活品質(zhì)有所差異,但隨著生活水平的上升,人們對環(huán)境的關(guān)心和重視也逐漸增強。用戶所需監(jiān)控和管理的環(huán)境信息主要可以歸納為環(huán)境適應(yīng)性和安全保護措施兩大類別。這種類型的監(jiān)控主要是為了確保人們所處的生活環(huán)境是最理想的,從而為人們提供一個更為舒適和宜居的環(huán)境。這些數(shù)據(jù)涵蓋了溫度、濕度、光線以及噪音等多個方面。用戶能夠利用如空調(diào)、冰箱、熱水器和燈光這樣的可控設(shè)備來調(diào)整各種參數(shù),從而為自己打造一個更加宜居的居住環(huán)境。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正延伸到用戶的健康探測與護理領(lǐng)域,這代表了技術(shù)在醫(yī)療和健康領(lǐng)域的潛力。這一延伸意味著未來可穿戴傳感器技術(shù)將發(fā)揮更加關(guān)鍵的作用,從而改善用戶的生活質(zhì)量、提高健康管理的精確性和有效性??纱┐鱾鞲衅骷夹g(shù)將成為用戶健康監(jiān)測的利器,實時監(jiān)測生命體征,如心率、血壓、體溫及氧飽和度等,有助于用戶更好地了解自身健康狀況,及時發(fā)現(xiàn)潛在的健康問題。特別是對于患有慢性疾病的用戶,可穿戴傳感器還將開啟遠程醫(yī)療監(jiān)護的新紀元。醫(yī)療專業(yè)人員可以遠程監(jiān)控患者的健康狀況,及時干預(yù)并提供指導(dǎo),為老年人、慢性病患者和居住在偏遠地區(qū)的人提供更好的醫(yī)療服務(wù)。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)涵蓋了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,不僅僅包括環(huán)境監(jiān)測、安全防護和健康管理,還擴展到了生活和生產(chǎn)中的各個方面。這意味著這些網(wǎng)絡(luò)在社會事務(wù)的管理中將扮演更加重要的角色。無線傳感器技術(shù)不僅用于監(jiān)測環(huán)境參數(shù),還用于跟蹤和控制各種設(shè)備和資源,從電表、水表、氣表的無觸點抄送,到冰箱內(nèi)的食物庫存管理,再到家用電器和生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測,涵蓋了所有方面。這些應(yīng)用都需要使用大量的傳感器進行數(shù)據(jù)采集并傳送給遠程監(jiān)控中心。用戶可以通過將無線傳感器集成到多種設(shè)備和資源中,從而達到更為智能的管理和控制效果。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)站在信息技術(shù)的前線,是多個學(xué)科交匯的焦點。目前,這項技術(shù)還處于初級發(fā)展階段,但隨著電話網(wǎng)絡(luò)、電視網(wǎng)絡(luò)和計算機網(wǎng)絡(luò)的融合,它將成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新焦點,為未來網(wǎng)絡(luò)的進一步擴展和發(fā)展創(chuàng)造寶貴的機遇。本文通過構(gòu)建用戶端的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)、協(xié)議層次集合、無線網(wǎng)絡(luò)與有線數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)方案以及業(yè)務(wù)類別,來研究電視傳輸技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。分析結(jié)果顯示,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)擴展可以應(yīng)用于人類日常活動環(huán)境的監(jiān)測和保護、健康護理以及社會事務(wù)的監(jiān)測和保護。