電視傳送技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡

吳 斌，孫越玲

（浙江郵電職業(yè)技術(shù)學院，浙江 紹興 312366）

0 引言

新一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡采用了以“傳送和節(jié)目分開，業(yè)務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，用戶將不再依賴單一有線電視臺[1]。網(wǎng)絡結(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（Ethernet Passive Optical Network，EPON）或 吉比特無源光網(wǎng)絡（Gigabit Passive Optical Network，GPON）接入網(wǎng)，這是用戶與網(wǎng)絡相連的接入層，采用了10GEPON 或GPON 技術(shù)，為用戶提供接入服務，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)務綜合平臺支撐網(wǎng)，負責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，采用萬兆以太網(wǎng)和10GEPON 接入技術(shù)以滿足用戶需求。

1 無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

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)絡構(gòu)建基于以下兩個關(guān)鍵理念。

1.1 擴展和延伸下一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡

這個無線傳感器網(wǎng)絡被構(gòu)建為下一代有線數(shù)字電視傳送網(wǎng)絡的自然擴展和延伸。它借鑒了有線網(wǎng)絡的基本架構(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)絡的應用范圍，使其更具多功能性和適用性[2]。

1.2 提供基于無線傳感器的其他綜合服務

除了高速寬帶業(yè)務需求，這一無線傳感器網(wǎng)絡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，包括無線傳感器技術(shù)的應用，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。

2 無線傳感器網(wǎng)絡拓撲

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)絡擁有復雜而高效的結(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。

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)絡或遠程任務執(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)。這些鏈路應該是自適應的，以適應網(wǎng)絡拓撲和環(huán)境的變化。

目標感知視場是網(wǎng)絡的最終目標，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)絡任務。網(wǎng)絡拓撲結(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)絡拓撲

3 無線傳感器網(wǎng)絡協(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)的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議是一個復雜的體系，分為固定網(wǎng)絡使用的以太協(xié)議和無線網(wǎng)絡協(xié)議兩大部分。這一協(xié)議體系在網(wǎng)絡通信和數(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)絡協(xié)議體系

3.1.1 固定網(wǎng)絡使用的以太協(xié)議

固定網(wǎng)絡使用的以太協(xié)議是專門為有線網(wǎng)絡設計的，用于在有線環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)。其設計和實施已經(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)絡協(xié)議

無線網(wǎng)絡協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡的核心，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)絡進行通信。協(xié)議具體分為以下幾層。

（1）網(wǎng)絡層向高層應用。ZigBee 技術(shù)增強協(xié)議被應用于該層中，以實現(xiàn)跨節(jié)點、跨網(wǎng)絡的可靠通信。

（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)絡轉(zhuǎn)化為固定網(wǎng)絡，有利于將無線傳感器網(wǎng)絡中采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠烤W(wǎng)絡，并與其他數(shù)據(jù)進行交互[4]。

（4）網(wǎng)絡層路由協(xié)議。在網(wǎng)絡層，路由協(xié)議負責確定數(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)絡傳輸?shù)侥繕说攸c。

3.2 MAC 子層協(xié)議設計

數(shù)據(jù)鏈路層在無線傳感器網(wǎng)絡中扮演著至關(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)目煽啃浴＿@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)絡協(xié)議棧的最底部，核心職責是確保傳感器節(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)議承擔了以下兩個主要職責。

第一，網(wǎng)絡構(gòu)建控制。MAC 協(xié)議首先在網(wǎng)絡中控制構(gòu)建，幫助建立自組織的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以確保網(wǎng)絡鏈路的穩(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)議負責全網(wǎng)資源的配置，以確保網(wǎng)絡資源在各個節(jié)點之間公平分配。這有助于有效地控制網(wǎng)絡的延遲和吞吐量，以滿足不同應用場景的需求。

3.3 無線傳感器網(wǎng)絡的自發(fā)建網(wǎng)

無線傳感器網(wǎng)絡的自發(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)絡如何自動構(gòu)建，以確保網(wǎng)絡的穩(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)絡的能力，而不依賴于中心控制或預配置的設備[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)絡參數(shù)的信息，包括網(wǎng)絡地址分配、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)并同步其設置，以確保整個網(wǎng)絡的一致性和協(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，負責將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。這一決策基于網(wǎng)絡需求和節(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)絡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到有線數(shù)字電視網(wǎng)絡。

4 無線傳感器網(wǎng)絡業(yè)務擴展

4.1 人類日常活動環(huán)境的監(jiān)測和保護

通信行業(yè)是一個為用戶提供服務的關(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。

4.2 健康護理

無線傳感器網(wǎng)絡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。可穿戴傳感器技術(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，及時干預并提供指導，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。

4.3 社會事務監(jiān)測與保護

無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)涵蓋了廣泛的應用領(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)絡在社會事務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)設備的狀態(tài)監(jiān)測，涵蓋了所有方面。這些應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備和資源中，從而達到更為智能的管理和控制效果。

5 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)站在信息技術(shù)的前線，是多個學科交匯的焦點。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、電視網(wǎng)絡和計算機網(wǎng)絡的融合，它將成為網(wǎng)絡發(fā)展的新焦點，為未來網(wǎng)絡的進一步擴展和發(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，設計了網(wǎng)絡物理架構(gòu)、協(xié)議層次集合、無線網(wǎng)絡與有線數(shù)字電視網(wǎng)絡的互聯(lián)方案以及業(yè)務類別，來研究電視傳輸技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡。分析結(jié)果顯示，無線傳感器網(wǎng)絡的業(yè)務擴展可以應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的監(jiān)測和保護。