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時間同步網(wǎng)狀協(xié)議的技術(shù)概述

星星科技指導(dǎo)員 ? 來源:ADI ? 作者:ADI ? 2023-03-08 15:18 ? 次閱讀
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TSMP(時間同步網(wǎng)狀協(xié)議)是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,構(gòu)成了可靠、超低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 是無線傳感器節(jié)點的自組織多跳網(wǎng)絡(luò),用于監(jiān)視和控制物理現(xiàn)象。典型的 WSN 應(yīng)用包括工業(yè)過程自動化、商業(yè)建筑氣候控制和安全報警。

TSMP在時間、頻率和空間上提供冗余和故障轉(zhuǎn)移,即使在最具挑戰(zhàn)性的無線電環(huán)境中也能確保非常高的可靠性。TSMP 還提供自組織、自我修復(fù)網(wǎng)狀路由所需的智能。其結(jié)果是,無需專門的無線專業(yè)知識即可輕松安裝網(wǎng)絡(luò),自動適應(yīng)不可預(yù)見的挑戰(zhàn),并且可以根據(jù)需要進(jìn)行擴(kuò)展,而無需復(fù)雜的規(guī)劃。

TSMP有五個關(guān)鍵組件,有助于實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)可靠性、簡單安裝和電源效率。

時間同步通信

跳 頻

自動節(jié)點加入和網(wǎng)絡(luò)形成

完全冗余的網(wǎng)狀路由

安全郵件傳輸

本白皮書提供了對 WSN 解決方案的調(diào)查,并以足夠詳細(xì)的內(nèi)容描述了 TSMP,以便為技術(shù)讀者提供協(xié)議功能的全貌。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 是一個術(shù)語,用于描述一類新興的嵌入式通信產(chǎn)品,這些產(chǎn)品在傳感器、執(zhí)行器和控制器之間提供冗余、容錯的無線連接。部署 WSN 是為了提供對以前由于物理或經(jīng)濟(jì)障礙而無法訪問的資產(chǎn)或工具的訪問。

根據(jù)字面定義,WSN是一個可以應(yīng)用于任何無線連接儀器(甚至是車庫門開啟器)的術(shù)語。在實踐中,WSN標(biāo)簽用于描述提供超越傳統(tǒng)點對點解決方案的性能的產(chǎn)品,特別是在容錯,功耗和安裝成本方面。

無線挑戰(zhàn)

雖然無線在成本和靈活性方面具有明顯的優(yōu)勢,但它也帶來了許多挑戰(zhàn)。具體來說,點對點無線電通信鏈路是出了名的可變性和不可預(yù)測性。由于環(huán)境條件、新的障礙、意想不到的干擾源和無數(shù)其他因素,今天強(qiáng)大的聯(lián)系明天可能很弱。這些因素可以歸結(jié)為三種主要的故障模式:射頻干擾、阻塞通信鏈路的物理環(huán)境變化以及單個節(jié)點的丟失。

射頻干擾:專用于通用無線通信設(shè)備的一小部分電磁頻譜擠滿了來自WiFi網(wǎng)絡(luò),無繩電話,條形碼掃描儀以及無數(shù)其他可能干擾通信的設(shè)備。由于無法預(yù)測在給定位置、頻率和時間設(shè)施中將存在哪些干擾源,因此可靠的網(wǎng)絡(luò)必須能夠持續(xù)地避開這些干擾源。

阻塞路徑:首次部署網(wǎng)絡(luò)時,會根據(jù)直接射頻環(huán)境和可用鄰居在設(shè)備之間建立無線路徑。與有線網(wǎng)絡(luò)不同,這些變量經(jīng)常變化;路徑以后可能會被新設(shè)備、重新定位的隔板、送貨卡車或設(shè)備位置的微小變化所阻塞。為了確保網(wǎng)絡(luò)生命周期的可靠性,而不僅僅是安裝后的最初幾周,需要以透明、自動的方式不斷解決這些障礙。

節(jié)點損耗:節(jié)點損耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要考慮的一個重要問題。雖然由于半導(dǎo)體或硬件故障而導(dǎo)致的節(jié)點故障很少見,但在網(wǎng)絡(luò)的生命周期中,節(jié)點可能會損壞、破壞或移除。此外,電涌、停電或掉電可能導(dǎo)致節(jié)點發(fā)生故障,除非它們具有獨立的電源。端到端可靠性需要圍繞任何單個節(jié)點丟失進(jìn)行路由的網(wǎng)絡(luò)智能。

這些問題中的任何一個都會使點對點無線鏈路中斷。但是,通過旨在防止這些問題的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),網(wǎng)絡(luò)可以隔離各個故障點并消除或減輕其影響,從而使整個網(wǎng)絡(luò)即使在發(fā)生本地故障的情況下也能保持非常高的端到端可靠性。同樣,精心設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將透明地適應(yīng)不斷變化的環(huán)境,允許零接觸維護(hù)的長期運(yùn)行。

WSN旨在通過應(yīng)用自組織和自我修復(fù)智能來不斷適應(yīng)不可預(yù)測的條件來克服這些挑戰(zhàn)。WSN技術(shù)的目標(biāo)是一次提供極高的可靠性和可預(yù)測性,而無需無線專家不斷調(diào)整。

時間同步網(wǎng)狀協(xié)議 (TSMP) 為 WSN 智能提供了一種機(jī)制。通過定義無線節(jié)點如何利用無線電頻譜、加入網(wǎng)絡(luò)、建立冗余以及與鄰居通信,TSMP 為 WSN 應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

TSMP 概述

TSMP 是一種媒體訪問和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,專為低功耗、低帶寬的可靠網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計。當(dāng)前的 TSMP 實施在 IEEE 2.4.802 無線電上的 15.4 GHz ISM 頻段和專有無線電上的 900 MHz ISM 頻段中運(yùn)行。表 1 顯示了標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)堆棧和 OSI 網(wǎng)絡(luò)堆棧中的 TSMP 元素。

TSMP 是一種基于數(shù)據(jù)包的協(xié)議,其中每個傳輸都包含一個數(shù)據(jù)包,當(dāng)數(shù)據(jù)包被接收且完整且完整時,將生成確認(rèn) (ACK)。已建立機(jī)制,以盡可能高效可靠地通過多跳網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包。所有可靠性和效率的測量都是基于每個數(shù)據(jù)包完成的。

TSMP 堆棧 標(biāo)準(zhǔn)無線堆棧 OSI 堆棧
應(yīng)用 應(yīng)用 應(yīng)用
介紹 介紹 介紹
會期 會期 會期
臺階
網(wǎng)絡(luò) 運(yùn)輸
網(wǎng)絡(luò)
媒體訪問 數(shù)據(jù)鏈路
物理的 物理的 物理的

數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

TSMP 數(shù)據(jù)包由標(biāo)頭、有效負(fù)載和尾部組成。數(shù)據(jù)包包含標(biāo)識發(fā)送節(jié)點、定義目標(biāo)、確保安全消息傳輸以及提供服務(wù)可靠性和質(zhì)量信息的字段。出于本文的目的,我們將討論 TSMP 在 IEEE 802.15.4 無線電上的實現(xiàn)。802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大數(shù)據(jù)包大小為 127 B,TSMP 保留 47 B 用于操作,剩余 80 B 用于有效負(fù)載。有關(guān) TSMP 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)的完整說明,請參閱附錄 A。


MAC 標(biāo)頭
網(wǎng)絡(luò)
標(biāo)頭
有效載荷 應(yīng)用
麥克風(fēng)
麥克
麥克
食品接觸物質(zhì)

TSMP 還定義了幾種數(shù)據(jù)包類型。這些數(shù)據(jù)包類型啟用網(wǎng)絡(luò)中的特定功能。某些數(shù)據(jù)包類型優(yōu)先于其他數(shù)據(jù)包類型;有些允許透明隧道,而另一些則需要在路由中的每個躍點進(jìn)行數(shù)據(jù)包解析。

定義

以下各節(jié)使用了幾個術(shù)語,這些術(shù)語并不常見,讀者可能不熟悉。

TSMP節(jié)點:運(yùn)行TSMP
的無線設(shè)備 TSMP網(wǎng)絡(luò):TSMP節(jié)點的網(wǎng)絡(luò) 路徑:任意兩個TSMP節(jié)點
之間的雙向單跳連接。將此視為在兩個節(jié)點之間繪制的一條線,以表示連接性。
鏈路:兩個 TSMP 節(jié)點之間的定向通信通道。每個路徑有多個鏈接。鏈路是定向的,可以在路徑中添加/刪除以增加/減少可用帶寬。
路由:將源節(jié)點連接到目標(biāo)節(jié)點的一系列路徑。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中,路由通常由多個躍點組成。
父節(jié)點:比引用節(jié)點更接近目標(biāo)一躍點的節(jié)點。父節(jié)點路由子節(jié)點的數(shù)據(jù)。
子節(jié)點:比引用節(jié)點離目標(biāo)遠(yuǎn)一跳的節(jié)點。子節(jié)點將數(shù)據(jù)傳遞給父節(jié)點。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò):所有節(jié)點
具有完全冗余路由的網(wǎng)絡(luò) 星形:終端節(jié)點和中央路由器之間具有非冗余路由的網(wǎng)絡(luò)

具有運(yùn)行 TSMP 的嵌入式微處理器的無線設(shè)備稱為 TSMP 節(jié)點。通過路徑連接的 TSMP 節(jié)點網(wǎng)絡(luò)是 TSMP 網(wǎng)絡(luò)。TSMP 網(wǎng)絡(luò)形成網(wǎng)狀拓?fù)洌渲袛?shù)據(jù)通過從源(通常是傳感器)到目標(biāo)(通常是網(wǎng)關(guān))的路由傳輸。

臺階組件

在以下幾頁中,將詳細(xì)介紹 TSMP 的每個關(guān)鍵組件。閱讀本節(jié)后,技術(shù)讀者應(yīng)該對 TSMP 節(jié)點的工作原理以及 TSMP 網(wǎng)絡(luò)的行為方式有一個很好的了解。

TSMP由五個關(guān)鍵組件組成:

時間同步通信

跳 頻

自動節(jié)點加入和網(wǎng)絡(luò)形成

完全冗余的網(wǎng)狀布線

安全郵件傳輸

時間同步通信

TSMP 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點到節(jié)點通信都在特定的時間范圍內(nèi)進(jìn)行交易。同步通信通常被稱為時分多址(TDMA),是一種經(jīng)過驗證的技術(shù),可提供可靠高效的無線數(shù)據(jù)傳輸。與節(jié)點可以通過專用線(媒體)直接連接的有線系統(tǒng)不同,在無線系統(tǒng)中,彼此范圍內(nèi)的所有設(shè)備必須共享相同的媒體。其他幾種媒體訪問控制(MAC)機(jī)制可用,包括CSMA,CDMA和TDMA。TSMP基于TDMA。

時隙和幀

在 TSMP 中,每個通信窗口稱為一個時隙。一系列時隙組成了一個幀,該幀在網(wǎng)絡(luò)的生命周期內(nèi)重復(fù)。幀長度以插槽為單位計算,是一個可配置的參數(shù) - 通過這種方式為網(wǎng)絡(luò)建立特定的刷新率。較短的幀長度可提高刷新率,增加有效帶寬并增加功耗。相反,較長的幀長度會降低刷新率,從而降低帶寬并降低功耗。一個 TSMP 節(jié)點可以同時參與多個幀,從而有效地為不同的任務(wù)提供多個刷新率。插槽和機(jī)架的概念如圖 1 所示。

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圖1.TSMP 插槽和幀。

同步

任何TDMA系統(tǒng)的一個關(guān)鍵組成部分是時間同步 - 所有節(jié)點必須共享一個共同的時間感,以便它們準(zhǔn)確地知道何時說話,傾聽或睡眠。這在 WSN 等功率受限的應(yīng)用中尤其重要,在這些應(yīng)用中,電池電源通常是唯一的選擇,更換電池可能既昂貴又麻煩。與其他 WSN 實現(xiàn)采用的“信標(biāo)”策略相比,TSMP 不會以同步信標(biāo)開始每一幀。信標(biāo)策略可能需要消耗功率的長偵聽窗口。相反,TSMP節(jié)點保持精確的時間感,并與鄰居交換偏移信息以確保對齊。這些偏移值在標(biāo)準(zhǔn) ACK 報文中沿用,不會產(chǎn)生額外的功率或開銷。

常識的時間感使許多網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢成為可能:可以預(yù)先分配帶寬,以確保極其可靠的傳輸和零自干擾;發(fā)射節(jié)點可以有效地改變每次發(fā)射的頻率,接收節(jié)點可以保持鎖步;帶寬可以以非??深A(yù)測和有條不紊的方式隨意添加和刪除,以適應(yīng)流量高峰;等等。

占空比

需要注意的是,TSMP 節(jié)點僅在三種狀態(tài)下處于活動狀態(tài):1) 向鄰居發(fā)送消息,2) 偵聽鄰居通話,以及 3) 與嵌入式傳感器或處理器接口。在所有其他時間,節(jié)點處于睡眠狀態(tài)并且功耗非常低。在無線設(shè)備中,總功率預(yù)算的大部分(通常為>95%)由無線電消耗。為了實現(xiàn)低功耗,很明顯,必須盡量減少無線電準(zhǔn)時。TDMA非常擅長這一點。時隙以毫秒為單位,在典型的WSN應(yīng)用中,這導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(包括為鄰居中繼消息的節(jié)點)的占空比小于1%。由于所有節(jié)點(包括通常稱為“路由器”)都可以主動占空比,因此TDMA是完全電池供電網(wǎng)絡(luò)的唯一實用解決方案。

跳 頻

除了跨時間對無線媒體進(jìn)行切片外,TSMP還跨頻率對其進(jìn)行切片。這在面對常見的RF干擾源時提供了強(qiáng)大的容錯能力,并提供了有效帶寬的巨大增加。通常稱為跳頻擴(kuò)頻 (FHSS),跨多個頻率跳頻是一種行之有效的方法,可以避開干擾并以敏捷性而不是蠻力克服射頻挑戰(zhàn)。

克服射頻挑戰(zhàn)的另一種技術(shù)是直接序列擴(kuò)頻(DSSS)。DSSS提供了幾dB的編碼增益,并在多路徑衰落方面有所改善。雖然有益,但面對頻段中的常見干擾源,包括 Wi-Fi 設(shè)備、雙向無線電甚至藍(lán)牙,DSSS 是不夠的(見下面的圖 2)。應(yīng)該注意的是,F(xiàn)HSS和DSSS的組合同時提供干擾抑制(FHSS)和編碼增益(DSSS)。

克服干擾的另一種技術(shù)是增加無線電功率 - 有效地“調(diào)高音量”。雖然通常有效,但調(diào)高 802.15.4 無線電的音量會耗盡電池壽命,并且不是低功耗 WSN 的理想解決方案。

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圖2.802.15.4網(wǎng)絡(luò)中的跳頻與DSSS(來源:Dust Networks)。

跳頻序列

加入網(wǎng)絡(luò)后,TSMP 節(jié)點(稱為節(jié)點 C)將發(fā)現(xiàn)可用的鄰居并與網(wǎng)絡(luò)中已有的至少兩個節(jié)點建立通信,稱它們?yōu)楦腹?jié)點 A 和父節(jié)點 B(稍后將詳細(xì)介紹)。在此過程中,節(jié)點 C 將從父節(jié)點 A 和父節(jié)點 B 接收同步信息和跳頻序列。802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)指定了 16.2-4000.2 ISM 頻段內(nèi)的 4835 個不同頻率通道 — 因此,讓我們使用 16 作為我們的數(shù)字。跳頻序列是所有可用通道的偽隨機(jī)序列。例如,序列可以是:4,15,9,7,13,2,16,8,1等。節(jié)點 C 從每個父節(jié)點接收序列中的不同起點,當(dāng)新節(jié)點加入它時,它將依次為這個新的子節(jié)點提供不同的起點。通過這種方式,確保每個成對連接在每個時隙期間位于不同的信道上,從而可以在任何一個位置廣泛使用可用頻段。

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圖3.節(jié)點 A 和 B 是節(jié)點 C 的父節(jié)點。

在操作中,每個節(jié)點到節(jié)點的傳輸(例如 C→A)的頻率與之前的傳輸頻率不同。如果傳輸被阻止,下一次傳輸將發(fā)送到不同頻率的備用父級(C→B)。結(jié)果很簡單,但在面對典型的RF干擾時具有極強(qiáng)的彈性。

帶寬和可擴(kuò)展性影響

與大多數(shù)通信機(jī)制一樣,增加不同通道的數(shù)量會成比例地增加系統(tǒng)的吞吐量。在 TSMP 的情況下,在 802.15.4 無線電之上使用 FHSS 可有效地將帶寬增加 16 倍。這是因為兩對在不同頻率上通信的節(jié)點即使在范圍內(nèi)也不會相互干擾。相反,對于低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用,這意味著即使大部分頻段被RF干擾阻擋,消息仍將找到清晰的信道并直通。無論哪種情況,F(xiàn)HSS的效果都是大大提高系統(tǒng)的可靠性。

將頻率和時間劃分組合到一個映射中可提供以下矩陣。每個垂直列是一個時隙,每個水平行是一個頻率。每個單元(盒子)都是一對TSMP節(jié)點的獨特通信機(jī)會。

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圖4.頻率/時間矩陣。

例如,每秒 802 個時隙的 15.4.60 無線電上的 TSMP 實現(xiàn)提供:

16 通道 x 60 插槽/秒 = 960 次傳輸/秒

假設(shè)有效載荷為 80 B,則有效總帶寬為:

960 次傳輸/秒 x 80 B/次傳輸 = 76.8 KB/秒

鑒于無線系統(tǒng)中的可擴(kuò)展性主要由對媒體的訪問控制,媒體訪問協(xié)議越高效,網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性就越強(qiáng)。跳頻TDMA協(xié)議是協(xié)調(diào)節(jié)點通信的一種非常有效的方法。已經(jīng)證明,超過1,000個TSMP節(jié)點可以在同一無線電空間中相互運(yùn)行,而不會影響端到端的可靠性。相比之下,使用基于沖突的協(xié)議(如CSMA(載波感知多址))的密集節(jié)點網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會遇到級聯(lián)沖突和網(wǎng)絡(luò)故障。

自動節(jié)點加入和網(wǎng)絡(luò)形成

TSMP網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵屬性是其自組織能力。事實上,這是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵原因之一。每個TSMP節(jié)點都具有發(fā)現(xiàn)鄰居,測量RF信號強(qiáng)度,獲取同步和跳頻信息,然后與鄰居建立路徑和鏈路的智能。

出于此討論的目的,請務(wù)必注意,所有 TSMP 節(jié)點都是完全有能力的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。在 TSMP 中,沒有功能縮減、非路由傳感器節(jié)點或終端節(jié)點的概念。每個 TSMP 節(jié)點都能夠根據(jù) RF 連接和/或網(wǎng)絡(luò)性能要求路由來自鄰居的流量。在安裝的生命周期中,節(jié)點可能作為終端節(jié)點加入,由于 RF 條件的變化而成為路由節(jié)點,然后恢復(fù)到終端節(jié)點。這種類型的行為在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中并不少見,必須自動發(fā)生才能提供長期的網(wǎng)絡(luò)可靠性。

節(jié)點連接

在本節(jié)中,我們將描述 TSMP 節(jié)點如何加入已建立的網(wǎng)絡(luò)。已建立的網(wǎng)絡(luò)只是一組共享網(wǎng)絡(luò) ID 和密碼并相互同步的節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)通常由網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)定種子,該網(wǎng)關(guān)節(jié)點充當(dāng)計時主節(jié)點并將配置信息中繼到所有其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

除了通過網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用程序消息的時隙之外,還有其他專用于網(wǎng)絡(luò)配置、鄰居發(fā)現(xiàn)和偵聽新加入請求的時隙。就像所有其他時隙一樣,這些時隙按照幀長度定義的刷新率進(jìn)行時間循環(huán)。此外,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相互通信時,它們會在消息中包含特殊代碼,這些代碼通告關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)設(shè)置,如幀長度、打開的偵聽槽和頻率、網(wǎng)絡(luò) ID 和當(dāng)前時間。當(dāng) TSMP 節(jié)點通電或復(fù)位時,它將開始偵聽這些代碼。

下面是一個加入節(jié)點的簡化狀態(tài)機(jī):

在頻率 A 上偵聽一段時間,在 B 上偵聽,在 C 上偵聽,...

偵聽鄰居并鎖定計時信息,然后僅在每個插槽的開頭偵聽以確定是否有要接收的消息,從而降低功耗。

偵聽此頻率一段時間。在此期間,節(jié)點正在構(gòu)建鄰居列表。這包括無線電范圍內(nèi)的節(jié)點,這些節(jié)點在此頻率的時間段內(nèi)傳輸。

報告鄰居列表,包括 RSSI。

選擇一個鄰居并發(fā)送加入請求。

從鄰居節(jié)點接收激活命令并建立鏈路。

所有 TSMP 消息都經(jīng)過加密,并包含一個網(wǎng)絡(luò) ID。網(wǎng)絡(luò) ID 用于將節(jié)點綁定到一個網(wǎng)絡(luò)中,允許多個 TSMP 網(wǎng)絡(luò)在同一無線電空間中運(yùn)行,而不會有共享數(shù)據(jù)或錯誤路由消息的風(fēng)險。如果微塵聽到的網(wǎng)絡(luò) ID 與其自己的 ID 不匹配的節(jié)點,則它不會啟動加入,而是會繼續(xù)不同步偵聽,直到聽到正確的 ID。還有一個用于加密消息的加入密鑰。如果 mote 具有錯誤的加入鍵,則父節(jié)點將不接受其加入請求,mote 將超時,并恢復(fù)為未同步偵聽。

完全冗余網(wǎng)狀路由

冗余路由在實際射頻環(huán)境中是必須的。由于天氣、新的或未知的射頻系統(tǒng)、移動設(shè)備和人口密度,條件隨著時間的推移而發(fā)生巨大變化。將此與節(jié)點放置、安裝程序?qū)嵺`以及未來網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展或重新調(diào)整用途的完全不可預(yù)測性相結(jié)合,人們可以清楚地了解射頻可靠性面臨的挑戰(zhàn)。具有自動節(jié)點加入和修復(fù)功能的全網(wǎng)狀拓?fù)涫咕W(wǎng)絡(luò)能夠在面臨這些挑戰(zhàn)的情況下保持長期的可靠性和可預(yù)測性。與水流下坡一樣,只有自組織的全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)才能通過可用的節(jié)點拓?fù)湔业讲⒗米罘€(wěn)定的路線。

完全冗余路由需要空間多樣性(嘗試其他路徑)和時間多樣性(稍后重試)。TSMP通過使每個節(jié)點能夠發(fā)現(xiàn)多個可能的父節(jié)點,然后與兩個或多個父節(jié)點建立鏈接來覆蓋空間多樣性。時間多樣性由重試和故障轉(zhuǎn)移機(jī)制處理。

空間分集 — 冗余路由

如前所述,所有 TSMP 節(jié)點都是路由器節(jié)點。這是對星形或混合星形網(wǎng)格架構(gòu)的根本性進(jìn)步。全網(wǎng)狀拓?fù)涫沁m應(yīng)不斷變化的條件的唯一方法。全網(wǎng)狀或“扁平”網(wǎng)絡(luò)(沒有更高或更低功能節(jié)點的概念)不依賴于專用路由器、基站或聚合器,也不需要其他解決方案的無線專業(yè)知識和安裝技能。無需勘測、工程,然后最終過度構(gòu)建點對點連接。安裝全網(wǎng)狀時,所有連接的節(jié)點形成一個巨大的天線,用于其他連接節(jié)點。這允許極其快速和堅固的安裝。此外,如果需要擴(kuò)展已安裝的網(wǎng)絡(luò),只有全網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)才能依靠邊緣節(jié)點自動承擔(dān)路由職責(zé),從而優(yōu)雅地容納新節(jié)點。請注意,在某些應(yīng)用中(功率非常昂貴),可能需要讓終端節(jié)點保持為終端節(jié)點,并有選擇地拒絕承擔(dān)路由職責(zé)。TSMP 通過可配置的設(shè)置支持這種類型的自定義。

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圖 5:網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/strong>

每個 TSMP 節(jié)點都維護(hù)自己的鄰居列表。此鄰居列表包括父節(jié)點和子節(jié)點。一個節(jié)點可以根據(jù)需要具有任意數(shù)量的父節(jié)點(這是一個可配置的參數(shù))。例如,一個特定的高價值節(jié)點可能有四個父節(jié)點,以確保最大的可靠性。相反,可以將價值不大的節(jié)點配置為僅獲取一個父節(jié)點,以便為其他流量保留帶寬。

TSMP全網(wǎng)狀功能的一個關(guān)鍵因素是路由器節(jié)點的有效占空比。由于路由器可以保持小于 1% 的占空比,因此它可以僅作為終端節(jié)點供電。這種設(shè)備奇偶校驗意味著安裝和調(diào)試無需考慮設(shè)備類型、電源等。

時間多樣性 — 重試和故障轉(zhuǎn)移

建立鏈路后,TSMP 將提供通信機(jī)制以確??煽窟\(yùn)行。如上所述,節(jié)點到節(jié)點的消息傳輸發(fā)生在一個頻率的一個時隙中。在一個時隙內(nèi)發(fā)送消息,發(fā)送節(jié)點切換到接收模式并等待確認(rèn) (ACK)。如果 ACK 未在時隙內(nèi)到達(dá),發(fā)送節(jié)點將在下一個可用時隙重試。這通常是針對備用父級的,并且始終處于不同的頻率。同樣,如果收到 NACK(指示未正確接收預(yù)期數(shù)據(jù)包的消息),則發(fā)送節(jié)點將在下一個可用插槽上重試。NACK 的生成方式有多種:校驗和無效 (FCS)、消息完整性代碼無效 (MIC) 或接收節(jié)點具有完整的消息隊列。

每個發(fā)送節(jié)點都會跟蹤缺失的 ACK 和 NACK。如果許多傳輸未得到確認(rèn),發(fā)送方將認(rèn)為該路徑無效,并啟動與其鄰居列表中的下一個可用節(jié)點的通信。

安全郵件傳輸

安全郵件傳輸有三個支柱:加密、身份驗證和完整性。加密可防止消息攜帶的信息被其他方讀取。身份驗證可確保發(fā)件人實際上是發(fā)件人。完整性可確保消息原封不動地傳遞。TSMP 為每個功能提供了機(jī)制。值得注意的是,跳頻本身提供了一定程度的安全性。由于每對節(jié)點維護(hù)的偽隨機(jī)跳頻序列,如果偵聽接收器確實設(shè)法聽到一個傳輸,那么它只有 1/16 的機(jī)會(對于 802.15.4 無線電)聽到下一個傳輸。

加密

TSMP 使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 128 位對稱密鑰加密來實現(xiàn)數(shù)據(jù)包有效負(fù)載的端到端機(jī)密性。共享密鑰的節(jié)點通過使用 CTR 模式密碼加密消息進(jìn)行通信。由于所有節(jié)點都是時間同步的,因此使用唯一的時間戳來生成非重復(fù)的隨機(jī)數(shù)(使用一次的數(shù)字)作為加密向量。

認(rèn)證

雖然加密提供了消息的機(jī)密性,但需要身份驗證來確保源身份。為了確保 TSMP 網(wǎng)絡(luò)中的每個數(shù)據(jù)包都由授權(quán)節(jié)點生成,TSMP 使用受 32 位消息完整性代碼 (MIC) 保護(hù)的數(shù)據(jù)包源地址。每個數(shù)據(jù)包都帶有兩個 MIC 代碼來提供身份驗證:由網(wǎng)絡(luò)層 MIC 保證的端到端源地址身份驗證,以及由 MAC 層 MIC 保證的節(jié)點到節(jié)點源地址身份驗證。MAC 層身份驗證對于保護(hù) ACK 尤為重要。

正直

驗證發(fā)送節(jié)點地址的相同 32 位消息完整性代碼 (MIC) 也用于確保內(nèi)容完整性。任何消息篡改都會使 MIC 失效,并立即被接收節(jié)點識別。

結(jié)論

在過去三年中,TSMP協(xié)議的可靠性已在具有挑戰(zhàn)性的網(wǎng)絡(luò)部署中得到證明。時間、頻率和空間多樣性的簡單而強(qiáng)大的概念提供了一個極其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,可以應(yīng)對現(xiàn)實世界的商業(yè)和工業(yè)環(huán)境的挑戰(zhàn)。嵌入式自組織和自我修復(fù)智能從根本上降低了安裝復(fù)雜性,并確保了長期可預(yù)測的行為。所有Dust Networks產(chǎn)品都建立在TSMP之上。Dust Networks目前正在與領(lǐng)先的組織合作,以標(biāo)準(zhǔn)化TSMP的核心組件。

審核編輯:郭婷

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