時(shí)間同步網(wǎng)狀協(xié)議的技術(shù)概述

TSMP（時(shí)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(diǎn)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(dòng)化、商業(yè)建筑氣候控制和安全報(bào)警。

TSMP在時(shí)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(dòng)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(gè)關(guān)鍵組件，有助于實(shí)現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)可靠性、簡單安裝和電源效率。

時(shí)間同步通信

跳 頻

自動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(gè)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(cuò)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(gè)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(shí)踐中，WSN標(biāo)簽用于描述提供超越傳統(tǒng)點(diǎn)對點(diǎn)解決方案的性能的產(chǎn)品，特別是在容錯(cuò)，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(diǎn)對點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shí)，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(dòng)的方式不斷解決這些障礙。

節(jié)點(diǎn)損耗：節(jié)點(diǎn)損耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要考慮的一個(gè)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(diǎn)故障很少見，但在網(wǎng)絡(luò)的生命周期中，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)生故障，除非它們具有獨(dú)立的電源。端到端可靠性需要圍繞任何單個(gè)節(jié)點(diǎn)丟失進(jìn)行路由的網(wǎng)絡(luò)智能。

這些問題中的任何一個(gè)都會使點(diǎn)對點(diǎn)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(gè)故障點(diǎn)并消除或減輕其影響，從而使整個(gè)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(jì)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(shí)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(diǎn)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(jiān)實(shí)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(jì)。當(dāng)前的 TSMP 實(shí)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(gè)傳輸都包含一個(gè)數(shù)據(jù)包，當(dāng)數(shù)據(jù)包被接收且完整且完整時(shí)，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(gè)數(shù)據(jù)包完成的。

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(diǎn)、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(shí)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。

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(gè)躍點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包解析。

定義

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

TSMP節(jié)點(diǎn)：運(yùn)行TSMP
的無線設(shè)備 TSMP網(wǎng)絡(luò)：TSMP節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò) 路徑：任意兩個(gè)TSMP節(jié)點(diǎn)
之間的雙向單跳連接。將此視為在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間繪制的一條線，以表示連接性。
鏈路：兩個(gè) TSMP 節(jié)點(diǎn)之間的定向通信通道。每個(gè)路徑有多個(gè)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(diǎn)連接到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的一系列路徑。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，路由通常由多個(gè)躍點(diǎn)組成。
父節(jié)點(diǎn)：比引用節(jié)點(diǎn)更接近目標(biāo)一躍點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。父節(jié)點(diǎn)路由子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。
子節(jié)點(diǎn)：比引用節(jié)點(diǎn)離目標(biāo)遠(yuǎn)一跳的節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳遞給父節(jié)點(diǎn)。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：所有節(jié)點(diǎn)
具有完全冗余路由的網(wǎng)絡(luò) 星形：終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。通過路徑連接的 TSMP 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)是 TSMP 網(wǎng)絡(luò)。TSMP 網(wǎng)絡(luò)形成網(wǎng)狀拓?fù)?，其中?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(gè)關(guān)鍵組件。閱讀本節(jié)后，技術(shù)讀者應(yīng)該對 TSMP 節(jié)點(diǎn)的工作原理以及 TSMP 網(wǎng)絡(luò)的行為方式有一個(gè)很好的了解。

TSMP由五個(gè)關(guān)鍵組件組成：

時(shí)間同步通信

跳 頻

自動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(shí)間同步通信

TSMP 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)通信都在特定的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行交易。同步通信通常被稱為時(shí)分多址（TDMA），是一種經(jīng)過驗(yàn)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(diǎn)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(shí)隙和幀

在 TSMP 中，每個(gè)通信窗口稱為一個(gè)時(shí)隙。一系列時(shí)隙組成了一個(gè)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(jì)算，是一個(gè)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(gè) TSMP 節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)參與多個(gè)幀，從而有效地為不同的任務(wù)提供多個(gè)刷新率。插槽和機(jī)架的概念如圖 1 所示。

圖1.TSMP 插槽和幀。

同步

任何TDMA系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分是時(shí)間同步 - 所有節(jié)點(diǎn)必須共享一個(gè)共同的時(shí)間感，以便它們準(zhǔn)確地知道何時(shí)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(shí)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(diǎn)保持精確的時(shí)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(bào)文中沿用，不會產(chǎn)生額外的功率或開銷。

常識的時(shí)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(diǎn)可以有效地改變每次發(fā)射的頻率，接收節(jié)點(diǎn)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(diǎn)僅在三種狀態(tài)下處于活動(dòng)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(shí)間，節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)低功耗，很明顯，必須盡量減少無線電準(zhǔn)時(shí)。TDMA非常擅長這一點(diǎn)。時(shí)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(diǎn)（包括為鄰居中繼消息的節(jié)點(diǎn)）的占空比小于1%。由于所有節(jié)點(diǎn)（包括通常稱為“路由器”）都可以主動(dòng)占空比，因此TDMA是完全電池供電網(wǎng)絡(luò)的唯一實(shí)用解決方案。

跳 頻

除了跨時(shí)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(shí)提供了強(qiáng)大的容錯(cuò)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(gè)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(shí)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。

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(diǎn)（稱為節(jié)點(diǎn) 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(gè)節(jié)點(diǎn)建立通信，稱它們?yōu)楦腹?jié)點(diǎn) A 和父節(jié)點(diǎn) B（稍后將詳細(xì)介紹）。在此過程中，節(jié)點(diǎn) C 將從父節(jié)點(diǎn) A 和父節(jié)點(diǎn) 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(gè)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(diǎn) C 從每個(gè)父節(jié)點(diǎn)接收序列中的不同起點(diǎn)，當(dāng)新節(jié)點(diǎn)加入它時(shí)，它將依次為這個(gè)新的子節(jié)點(diǎn)提供不同的起點(diǎn)。通過這種方式，確保每個(gè)成對連接在每個(gè)時(shí)隙期間位于不同的信道上，從而可以在任何一個(gè)位置廣泛使用可用頻段。

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

在操作中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)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(shí)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?yàn)閮蓪υ诓煌l率上通信的節(jié)點(diǎn)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(shí)間劃分組合到一個(gè)映射中可提供以下矩陣。每個(gè)垂直列是一個(gè)時(shí)隙，每個(gè)水平行是一個(gè)頻率。每個(gè)單元（盒子）都是一對TSMP節(jié)點(diǎn)的獨(dú)特通信機(jī)會。

圖4.頻率/時(shí)間矩陣。

例如，每秒 802 個(gè)時(shí)隙的 15.4.60 無線電上的 TSMP 實(shí)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(diǎn)通信的一種非常有效的方法。已經(jīng)證明，超過1，000個(gè)TSMP節(jié)點(diǎn)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(diǎn)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會遇到級聯(lián)沖突和網(wǎng)絡(luò)故障。

自動(dòng)節(jié)點(diǎn)加入和網(wǎng)絡(luò)形成

TSMP網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵屬性是其自組織能力。事實(shí)上，這是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵原因之一。每個(gè)TSMP節(jié)點(diǎn)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(diǎn)都是完全有能力的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。在 TSMP 中，沒有功能縮減、非路由傳感器節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)的概念。每個(gè) TSMP 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可能作為終端節(jié)點(diǎn)加入，由于 RF 條件的變化而成為路由節(jié)點(diǎn)，然后恢復(fù)到終端節(jié)點(diǎn)。這種類型的行為在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中并不少見，必須自動(dòng)發(fā)生才能提供長期的網(wǎng)絡(luò)可靠性。

節(jié)點(diǎn)連接

在本節(jié)中，我們將描述 TSMP 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)通常由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)定種子，該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)計(jì)時(shí)主節(jié)點(diǎn)并將配置信息中繼到所有其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

除了通過網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用程序消息的時(shí)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(shí)隙。就像所有其他時(shí)隙一樣，這些時(shí)隙按照幀長度定義的刷新率進(jìn)行時(shí)間循環(huán)。此外，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相互通信時(shí)，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(shí)間。當(dāng) TSMP 節(jié)點(diǎn)通電或復(fù)位時(shí)，它將開始偵聽這些代碼。

下面是一個(gè)加入節(jié)點(diǎn)的簡化狀態(tài)機(jī)：

在頻率 A 上偵聽一段時(shí)間，在 B 上偵聽，在 C 上偵聽,...

偵聽鄰居并鎖定計(jì)時(shí)信息，然后僅在每個(gè)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(shí)間。在此期間，節(jié)點(diǎn)正在構(gòu)建鄰居列表。這包括無線電范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)在此頻率的時(shí)間段內(nèi)傳輸。

報(bào)告鄰居列表，包括 RSSI。

選擇一個(gè)鄰居并發(fā)送加入請求。

從鄰居節(jié)點(diǎn)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(gè)網(wǎng)絡(luò) ID。網(wǎng)絡(luò) ID 用于將節(jié)點(diǎn)綁定到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，允許多個(gè) 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(cuò)誤路由消息的風(fēng)險(xiǎn)。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(diǎn)，則它不會啟動(dòng)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(gè)用于加密消息的加入密鑰。如果 mote 具有錯(cuò)誤的加入鍵，則父節(jié)點(diǎn)將不接受其加入請求，mote 將超時(shí)，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(shí)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(dòng)設(shè)備和人口密度，條件隨著時(shí)間的推移而發(fā)生巨大變化。將此與節(jié)點(diǎn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)間多樣性（稍后重試）。TSMP通過使每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)多個(gè)可能的父節(jié)點(diǎn)，然后與兩個(gè)或多個(gè)父節(jié)點(diǎn)建立鏈接來覆蓋空間多樣性。時(shí)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(diǎn)都是路由器節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)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(diǎn)對點(diǎn)連接。安裝全網(wǎng)狀時(shí)，所有連接的節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)巨大的天線，用于其他連接節(jié)點(diǎn)。這允許極其快速和堅(jiān)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(diǎn)自動(dòng)承擔(dān)路由職責(zé)，從而優(yōu)雅地容納新節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)保持為終端節(jié)點(diǎn)，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。

圖 5：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/strong>