基于下一代电视传送技术的无线传感器网络*

孙友伟

（西安邮电学院，陕西 西安 710121）

1 引言

下一代有线数字电视传送网络以 “传送与节目分离、业务提供与用户驻地分离”为基本建网理念，有线电视台不依赖于唯一的传送网络，用户不依赖于唯一的有线电视台。在网络结构设计上划分为光传送城域骨干网[1]、10GEPON或GPON接入网[2]、用户驻地网和有线电视增值业务综合平台支撑网3部分[3]。下一代有线数字电视传送网络的协议基于以太网协议加强[4]。城域骨干传送网络物理层采用光分组交换协议[5]，以保证高清电视数据流按用户请求的质量要求传送。下一代有线数字电视传送网络的调度、管理、计费等由BOSS构架规划[6]。用户驻地网和有线电视增值业务综合平台支撑网由万兆以太网和10GEPON接入技术完成[7]。

为适应未来市场的需要，下一代有线数字电视传送网络应能接入多种传感器信息并实现物物相连，因此，无线传感器网络技术的引入成为必然。无线传感器网络是信息技术的前沿和交叉领域，正处于起步阶段，将成为电话网、电视网、计算机网三网融合之后网络向前延伸过程中新的竞争亮点。到目前为止，无线传感器网络在家庭生活、社会管理、工农业生产等领域的应用仍然处于探索阶段，随着技术的不断进步，无线传感器网络将渗透到社会生活的各个方面。

2 无线传感器网络结构

基于下一代有线数字电视传送技术的无线传感器网络结构如图1所示，其构建原则为：1）是下一代有线数字电视传送网络的扩展和延伸；2）可提供用户在生活、生产中除高速宽带业务需求之外的基于无线传感器的其他综合服务。

网络由有线环境和无线环境两部分构成。有线环境以光纤网络为物理传媒，以Ethernet协议为基础，以高清电视、网络电话和网络数据为基本业务，透明地传送多种信息与Internet互通。由于传感器业务相对其他业务信息量并不大，速率要求也不高，因此对已经构成的有线环境没有影响。无线接入环境将最大限度地提供用户在多种场景中的灵活应用，它由多个相互平等的节点自组网构成，分布在家庭环境或生产场所，每个节点既可作转发，也可作终端。为了最大限度地发挥下一代有线数字电视网络的高速宽带优势，在有线与无线的接口设置一个特殊的接入点，以便良好地适配高速业务的无线接入和传感器低速业务的无线接入。

3 无线传感器网络拓扑

基于下一代有线数字电视传送技术的无线传感器网络由传感节点、汇聚（Sink）节点、自组网链路以及目标感知视场4要素组成，通过定义外部网络和远程任务来完成系统任务。网络采用异构节点组成的、层次化的自组织方式构造，大量传感节点随机部署，协同形成对目标的感知视场。基于下一代有线数字电视传送技术的无线传感器网络拓扑如图2所示。

自组网链接描述了网络的根本属性，其节点不需要预先安装或预先决定位置，具有自组织、自愈、多跳等特点，任何一个传感节点的退出或进入都不影响其他节点的正常通信。自组织方式的最大特点是每个节点既是终端，也是发节点，它们按照协议和策略，向离自己最近的节点以多跳传输的方式发送信息，一直到达观测节点，同时计算并选择需转发的信息的路径[8]。

目标感知视场描述了分布的传感节点所服务的范围，它随着传感器的增减和移动而发生变化，根据任务部署要求来决定它的大小。这里定义目标为服务对象所能感觉的属性，这种属性有时会以不同的信号方式体现，传感器节点通过收集获取目标产生的震动波或热辐射波以及声、光、电波等信息，来判断监测对象的运动以及与之有关的速度和方向等参数，或者读取并判断监测对象自身属性的变化参数。众多传感器节点构成的一个对目标监测服务的范围称为该节点的感知视场，当传感器检测到的目标所发出的信息超过监测预定的值时，就把这一信息提交给汇聚节点，这一节点被定义为有效节点。

传感节点由传感单元、处理单元、通信单元以及电源部分4个基本单元组成。此外，可以选择的其他功能单元，包括定位系统、运动系统以及发电装置等。传感节点完成原始数据采集并作本地信息处理，实现无线数据传输并与其他节点协同的工作，依据应用需求还可能携带多种中间件模块来完成综合任务。

汇聚节点最为特殊。一方面，在无线传感器网络内作为接收者和控制者，被授权监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器网络发布查询请求或派发任务；另一方面，面对Internet外作为中继和网关完成传感器网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接传感器网络与其他网络的桥梁。

4 无线传感器网络协议体系

基于下一代有线数字电视传送技术的无线传感器网络协议由固定网络使用的以太协议和无线网络协议两大部分构成，其协议体系如图3所示。

图3 无线传感器网络协议体系

固定网络使用的以太网增强协议设计已经完成[5]，本文不再讨论。传感节点通过自组网链接与汇聚节点之间的无线通信协议，网络层到高层应用基于Zigbee技术增强[9]，主要完成跨节点和跨网之间的可靠通信。数据链路层和物理层基于IEEE802.15.4协议标准增强。汇聚节点加装IEEE802.15.4到802.3协议转换，以完成无线网络到固定网络的转换。

网络层控制传感节点接收和发送过程中特殊的多跳无线路由协议。以自组网方式构成的无线传感器网络，在上电启动之初，路由器是空白且动态生成的。首先以广播的方式向相邻传感器节点发送侦测信息，并且计算出最佳路由。为防止广播风暴的出现，协议中要设定多跳寿命，若超过多跳寿命还没有找到目标时，播出的信息将被丢弃。另外，无线传感器网络对目标感知视场的监测是以确定的阈值为基础的，因此，只需要对比阈值门限，而不必一定关注无线传感器收集的数据细节。

数据链路层负责无线传感器数据由一个节点到另一个节点之间的可靠通信，可分解为逻辑链路控制（LLC）子层和媒体访问控制（MAC）子层，除了对数据帧进行检测、对媒体接入进行控制之外，数据链路层设计的重点是MAC子层[10]。

MAC子层协议处于无线传感器网络协议的底层部分，用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，直接影响着无线传感器网络的性能，成为无线传感器网络有效通信的关键网络协议之一[11]。典型的MAC子层协议首先控制网络构建，其次为全网配置资源，前者为自组网结构建立稳定的链路基础，后者为各个节点平等地分配网络资源，以便有效地控制网络延迟和吞吐量。因此，设计一个性能优越的MAC协议算法成为无线传感器网络研究的一个热点问题。

物理层定义了无线传感器网络的传输介质，可以是空气、水、电缆和光缆等，无线传感器网络主要使用空气介质以无线方式传输。

无线传感器网络自发建网示意图如图4所示。上电启动以后，自组网的建立由所有节点平等地发起。首先向相邻所有节点发送信道能量（ED）检测帧，以评估周围消耗最小节点，这个节点即为近邻节点，以它作为首选信道，并且向该信道发送信标请求帧beacon，该帧的主要作用是交互近邻节点无线传感器网络参数。对端节点收到beacon帧后，分配自己控制的网络资源，包括开辟寄存器地址，确定网络信道标号和其他软硬件参数。当通信进程发起以后，还要判断自己是Sink节点还是终端节点，以决定是向汇聚节点转发还是接收。如果是汇聚节点，既要起到上述作用，还要发挥协议转换和与有线数字电视网络连接的功能。

图4 无线传感器网络自发建网示意图

5 无线传感器网络业务扩展

无线传感器网络将开拓通信网络中物物互联的全新业务。现在的通信网络实现的是人人互联，而无线传感器网络解决的是物物互联。著名法国咨询机构IDATE提供的报告显示，2006年全球范围内基于传感器网络的物物互联市场容量已达200亿欧元，而到2010年将达到2200亿欧元，年复合增长率达49%。

基于下一代有线数字电视传送技术的无线传感器网络，主要服务于家庭环境和生产场所，除有线数字电视、电话、数据这三大传统业务之外，无线传感器网络扩展的业务主要集中在以下领域：

1）人类日常活动环境的监测和保护。通信业是直接服务于用户的行业，人类日常活动环境包括了生活、生产环境，是用户活动的承载主体。生活水平越高的区域，对环境的关注程度越高，需要监测的环境数据也越多。大体分两类，环境适宜和安全防护。环境适宜主要监视人们的生活环境是否在最佳状态，并且控制相应的设备以使环境达到适宜程度，包括温度、湿度、光照、噪声等。可控制的设备包括空调、冰箱、热水器、灯光等全部家用电器。安全防护主要监视非法入侵、火水灾害、放射性、有害气体和液体等，可控制的设备包括各种报警系统和救助系统。

2）健康护理。无线传感器网络进一步向用户延伸，将体现在对用户的健康探测与护理。进一步的可穿戴传感器将帮助用户监测重要的生命体征，了解慢性病用户的血压、血糖、血脂等多项指标，更加精确地管理用户的治疗和康复[12]。

3）社会事务监测与保护。包括了除环境、安全、健康之外的所有事物，电表、水表、气表的无接触抄送，冰箱内食物的缺量配送以及家用电器或生产设备的运转状态等。这些无线传感器可以镶嵌在设备之中，帮助用户有效地管理社会事务。

6 小结

第三代移动通信技术承载无线传感器网络信息的瓶颈效应渐渐显现。基于下一代有线数字电视传送技术的无线传感器网络不失为一种新的途径，既可发挥固网光纤的宽带优势，又能显著的提高网络的增值效益。系统的组建包括固定网络和无线网络两部分，仔细地设计无线传感器网络MAC子层协议以及有效解决无线网络与有线网络的互联成为设计的关键。本文设计了网络构架和协议体系，并且配置了部分业务，为下一步网络仿真建立基础。有关网元和协议细节将另文讨论。

[1]孙友伟.下一代有线数字电视传送网络构建[J].电视技术，2009，33（3）：43-44.

[2]孙友伟.基于GPON技术的下一代数字有线电视接入网络[J].电视技术，2008，32（10）：51-53.

[3]孙友伟.下一代有线数字电视用户驻地网结构仿真[J].电视技术，2008，32（1）：8-10.

[4]孙友伟.有线数字电视光分组交换网络物理层协议配置[J].电视技术，2006，30（3）：61-65.

[5]孙友伟，孙书娜.有线数字电视光分组交换网络构成[J].电视技术，2005，29（6）：62-66.

[6]孙友伟.下一代有线数字电视网络BOSS的安全策略[J].电视技术，2005，29（9）：1-3.

[7]孙友伟，孙书娜.CATV以太网组网方案[J].西安邮电学院学报，2005，10（3）：88-91.

[8]孙友伟.现代通信新技术新业务[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.

[9]王锐华，于全.浅析 ZigBee 技术[J].电视技术，2004，28（6）：33-35.

[10]马新华，容晓峰.无线传感器网络实时性能分析[J].西安邮电学院学报，2009，14（1）：112-115.

[11]崔逊成，赵谌.无线传感器网络的领域应用与设计技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

[12]马新华.一种基于Agent的无线传感器网络医学监控模型[J].西安邮电学院学报，2008，13（5）：108-110.