吳 斌，孫越玲

（浙江郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312366）

0 引言

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(tái)[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(wú)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(hào)；三是用戶駐地網(wǎng)和有線電視增值業(yè)務(wù)綜合平臺(tái)支撐網(wǎng)，負(fù)責(zé)連接用戶的住宅或商業(yè)地點(diǎn)，支持有線電視的增值業(yè)務(wù)，采用萬(wàn)兆以太網(wǎng)和10GEPON 接入技術(shù)以滿足用戶需求。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建基于以下兩個(gè)關(guān)鍵理念。

1.1 擴(kuò)展和延伸下一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡(luò)

這個(gè)無(wú)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(kuò)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(shí)現(xiàn)多種優(yōu)勢(shì)，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(hào)質(zhì)量。用戶可以在無(wú)線環(huán)境中獲得與有線數(shù)字電視一樣卓越的體驗(yàn)，同時(shí)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]。

1.2 提供基于無(wú)線傳感器的其他綜合服務(wù)

除了高速寬帶業(yè)務(wù)需求，這一無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)重要目標(biāo)是提供用戶在生活和生產(chǎn)中的其他綜合服務(wù)，包括無(wú)線傳感器技術(shù)的應(yīng)用，用于監(jiān)測(cè)、控制和實(shí)時(shí)反饋，還包括智能家居系統(tǒng)、工業(yè)自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)測(cè)及醫(yī)療保健等多個(gè)領(lǐng)域。

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無(wú)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(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、自組網(wǎng)鏈路以及目標(biāo)感知視場(chǎng)等要素組成。

傳感節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的基本構(gòu)建塊，通常以大量的隨機(jī)部署方式分布在感知區(qū)域內(nèi)。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)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(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等信息。傳感節(jié)點(diǎn)在感知視場(chǎng)內(nèi)相互協(xié)同工作，共同構(gòu)建出一個(gè)廣泛的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。

匯聚節(jié)點(diǎn)用于匯集從傳感節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)，然后將其傳輸?shù)酵獠烤W(wǎng)絡(luò)或遠(yuǎn)程任務(wù)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)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(diǎn)之間和傳感節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信連接，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵部分，使節(jié)點(diǎn)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?fù)浜铜h(huán)境的變化。

目標(biāo)感知視場(chǎng)是網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)，由傳感節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的感知視場(chǎng)覆蓋了特定區(qū)域。這個(gè)視場(chǎng)用于監(jiān)測(cè)和感知目標(biāo)對(duì)象或環(huán)境的變化。當(dāng)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)入視場(chǎng)內(nèi)，傳感節(jié)點(diǎn)將收集相關(guān)數(shù)據(jù)并將其傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)和感知[3]。

基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是異構(gòu)節(jié)點(diǎn)組成的，意味著不同類型的節(jié)點(diǎn)（傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)等）協(xié)同工作以完成網(wǎng)絡(luò)任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系

3.1 協(xié)議結(jié)構(gòu)

基于下一代有線數(shù)字電視傳送技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一個(gè)復(fù)雜的體系，分為固定網(wǎng)絡(luò)使用的以太協(xié)議和無(wú)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(duì)其中的關(guān)鍵部分進(jìn)行擴(kuò)展說(shuō)明。

圖2 無(wú)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(jì)的，用于在有線環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)。其設(shè)計(jì)和實(shí)施已經(jīng)完成，因此本文不再詳細(xì)討論。這些協(xié)議通常包括以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)，用于傳輸數(shù)字電視和其他數(shù)據(jù)。

3.1.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，用于傳輸傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)，以及與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(qiáng)協(xié)議被應(yīng)用于該層中，以實(shí)現(xiàn)跨節(jié)點(diǎn)、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(huì)（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)版本。利用這些協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)鏈路與物理層之間的通信進(jìn)行管理，以保證數(shù)據(jù)完整可靠。

（3）匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)增加IEEE 802.15.4協(xié)議向802.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換器，將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為固定網(wǎng)絡(luò)，有利于將無(wú)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(jìn)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(fù)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(gè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥繕?biāo)地點(diǎn)。

3.2 MAC 子層協(xié)議設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)鏈路層在無(wú)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(gè)節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＿@個(gè)級(jí)別通?？梢员徊鸱譃檫壿嬫溌房刂疲↙ogical Link Control，LLC）和媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）兩個(gè)子層。數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計(jì)主要聚焦MAC 子層，而不僅僅是檢測(cè)數(shù)據(jù)幀和控制媒體的接入。MAC子層協(xié)議位于無(wú)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)之間建立連接、確定通信順序和協(xié)調(diào)通信活動(dòng)，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(fù)責(zé)全網(wǎng)資源的配置，以確保網(wǎng)絡(luò)資源在各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(chǎng)景的需求。

3.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自發(fā)建網(wǎng)

無(wú)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(dòng)后無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)如何自動(dòng)構(gòu)建，以確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。以下是對(duì)圖3 內(nèi)容的擴(kuò)展說(shuō)明。

圖3 無(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)初始化過程中，所有節(jié)點(diǎn)平等地發(fā)起自組網(wǎng)建立。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備啟動(dòng)和維護(hù)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(cè)（Energy Detection，ED）幀。為了評(píng)估周圍消耗最少能量的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)首先向其相鄰的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信道ED 幀。這些幀用于測(cè)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(diǎn)。這個(gè)節(jié)點(diǎn)將被選擇作為首選信道，因?yàn)樗诰W(wǎng)絡(luò)中具備相對(duì)較低的能量消耗。

（3）信標(biāo)請(qǐng)求幀（beacon）。一旦確定了首選信道，節(jié)點(diǎn)向該信道發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求幀（beacon）。這個(gè)幀的主要目的是進(jìn)行互動(dòng)，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(biāo)號(hào)的確定和其他軟硬件參數(shù)的配置。通過這種方式，節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)調(diào)并同步其設(shè)置，以確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一致性和協(xié)同工作。

（4）節(jié)點(diǎn)角色決定。在通信過程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要確定自己是Sink 節(jié)點(diǎn)還是終端節(jié)點(diǎn)。Sink 節(jié)點(diǎn)通常充當(dāng)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)收集、聚合和傳輸傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)則是普通的數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。這一決策基于網(wǎng)絡(luò)需求和節(jié)點(diǎn)的位置。

（5）匯聚節(jié)點(diǎn)功能。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)被指定為匯聚節(jié)點(diǎn)，它需要具備多項(xiàng)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(wú)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)。

4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)擴(kuò)展

4.1 人類日?；顒?dòng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)

通信行業(yè)是一個(gè)為用戶提供服務(wù)的關(guān)鍵領(lǐng)域，滿足了人們?cè)谌粘Ｉ钪械耐ㄐ判枨蟆＿@些活動(dòng)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(gè)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(duì)環(huán)境的關(guān)心和重視也逐漸增強(qiáng)。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(hù)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(gè)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(gè)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(lái)調(diào)整各種參數(shù)，從而為自己打造一個(gè)更加宜居的居住環(huán)境。

4.2 健康護(hù)理

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正延伸到用戶的健康探測(cè)與護(hù)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(lái)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(cè)的利器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的健康問題。特別是對(duì)于患有慢性疾病的用戶，可穿戴傳感器還將開啟遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)的新紀(jì)元。醫(yī)療專業(yè)人員可以遠(yuǎn)程監(jiān)控患者的健康狀況，及時(shí)干預(yù)并提供指導(dǎo)，為老年人、慢性病患者和居住在偏遠(yuǎn)地區(qū)的人提供更好的醫(yī)療服務(wù)。

4.3 社會(huì)事務(wù)監(jiān)測(cè)與保護(hù)

無(wú)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(cè)、安全防護(hù)和健康管理，還擴(kuò)展到了生活和生產(chǎn)中的各個(gè)方面。這意味著這些網(wǎng)絡(luò)在社會(huì)事務(wù)的管理中將扮演更加重要的角色。無(wú)線傳感器技術(shù)不僅用于監(jiān)測(cè)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(wú)觸點(diǎn)抄送，到冰箱內(nèi)的食物庫(kù)存管理，再到家用電器和生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，涵蓋了所有方面。這些應(yīng)用都需要使用大量的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。用戶可以通過將無(wú)線傳感器集成到多種設(shè)備和資源中，從而達(dá)到更為智能的管理和控制效果。

5 結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)站在信息技術(shù)的前線，是多個(gè)學(xué)科交匯的焦點(diǎn)。目前，這項(xiàng)技術(shù)還處于初級(jí)發(fā)展階段，但隨著電話網(wǎng)絡(luò)、電視網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的融合，它將成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的新焦點(diǎn)，為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步擴(kuò)展和發(fā)展創(chuàng)造寶貴的機(jī)遇。本文通過構(gòu)建用戶端的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)、協(xié)議層次集合、無(wú)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(lái)研究電視傳輸技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。分析結(jié)果顯示，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展可以應(yīng)用于人類日?；顒?dòng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù)、健康護(hù)理以及社會(huì)事務(wù)的監(jiān)測(cè)和保護(hù)。