低功率數(shù)據(jù)包交換─采用TSCH 允許節(jié)點(diǎn)在預(yù)定的通信操作之間處于超低功耗的休眠狀態(tài)。每個(gè)設(shè)備僅在發(fā)送數(shù)據(jù)包或檢測(cè)相鄰設(shè)備是否發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)才處于工作狀態(tài)。更重要的是，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都知道自己的設(shè)定喚醒時(shí)間，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)都始終可用于轉(zhuǎn)發(fā)相鄰設(shè)備的信息。因此，TSCH網(wǎng)絡(luò)常常達(dá)到<1%的占空比，同時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)完全可用。此外，因?yàn)槊總€(gè)數(shù)據(jù)包的收發(fā)時(shí)間都是設(shè)定好的，所以在TSCH網(wǎng)絡(luò)中不存在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)包碰撞問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)可以很密集和增加規(guī)模，而不會(huì)產(chǎn)生逐漸衰減的 RF自干擾。

　　配對(duì)的通道跳頻─時(shí)間同步允許在每對(duì)發(fā)送器接收器上進(jìn)行通道跳頻，實(shí)現(xiàn)頻率多樣性。在TSCH網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)數(shù)據(jù)包交換通道都會(huì)跳頻，以避開(kāi)不可避免的RF干擾和衰落。此外，不同成對(duì)設(shè)備之間的多通道傳輸可能同時(shí)在不同的通道上發(fā)生，從而擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

　　全面的路徑和頻率多樣性─ 每個(gè)設(shè)備都有冗余路徑，以克服由干擾、物理障礙或多徑衰落引起的通信中斷問(wèn)題。如果一條路徑上的數(shù)據(jù)包傳輸失敗，那么節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)嘗試下一條可用路徑和不同的RF通道。與其他網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，TSCH網(wǎng)絡(luò)不需要由電源供電的路由器和耗費(fèi)時(shí)間的路徑再發(fā)現(xiàn)。

　　基于TSCH的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功用于多種應(yīng)用，例如智能停車應(yīng)用^[1]，在數(shù)據(jù)中心中監(jiān)視能效^[2]，用于工廠^[3]中。諸如管道監(jiān)視、橋梁及隧道的結(jié)構(gòu)監(jiān)視以及電力傳輸線監(jiān)視等很多應(yīng)用都要求無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨越很長(zhǎng)的距離。然而，跨越這么長(zhǎng)的距離建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并成功保持可靠性和低功率，需要一種更加富有挑戰(zhàn)性的拓?fù)?。按照定義，深跳網(wǎng)絡(luò)意味著，來(lái)自最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的信息需要經(jīng)過(guò)很多次跳轉(zhuǎn)，才能到達(dá)目的地。盡管這么做能夠使單一網(wǎng)絡(luò)覆蓋很大的地理范圍，而且收發(fā)器的功率相對(duì)較低，但是這種方法有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，即一個(gè)覆蓋面積很大的網(wǎng)絡(luò)是否能夠成功保持所有無(wú)線節(jié)點(diǎn)都有均勻的數(shù)據(jù)流量，以及是否能夠以可接受的延遲和電流消耗，保持這樣的數(shù)據(jù)流量。

　　案例分析—深跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

　　為了描述這類網(wǎng)絡(luò)的特征，我們用Dust Networks的SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一個(gè)100個(gè)節(jié)點(diǎn)、32跳的深跳網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)量。100個(gè)節(jié)點(diǎn)中的每一個(gè)都是每隔30秒產(chǎn)生并發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，預(yù)計(jì)每個(gè)數(shù)據(jù)包的接收都在30秒的延遲時(shí)間內(nèi)完成 (即在同一節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生下一個(gè)數(shù)據(jù)包之前完成)。

　　該深跳網(wǎng)絡(luò)是由真實(shí)的無(wú)線設(shè)備構(gòu)成的，其中7款設(shè)備(以編號(hào)1~7表示)直接與管理器通信。設(shè)備8~10通過(guò)上述7個(gè)節(jié)點(diǎn)通信，其余設(shè)備(設(shè)備 11~101)在編號(hào)位于其前后3 個(gè)設(shè)備的覆蓋范圍之內(nèi)。例如，設(shè)備50在設(shè)備47、48、49、51、52和53的覆蓋范圍之內(nèi)。在這種拓?fù)渲?，到達(dá)設(shè)備101 的最小傳輸(跳轉(zhuǎn))次數(shù)為32，盡管實(shí)際上大多數(shù)數(shù)據(jù)包需要更多跳轉(zhuǎn)次數(shù)。

　　截至本文截稿時(shí)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行52天?？偣步邮樟?700萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)包，由于跳轉(zhuǎn)深度和重試，所以進(jìn)行了總數(shù)超過(guò)4億次的單獨(dú)傳輸。在所發(fā)送的1700萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)包中，一個(gè)都沒(méi)丟，因此數(shù)據(jù)傳輸可靠性達(dá)到了 100%。在這些數(shù)據(jù)包中，約針對(duì)2.5 萬(wàn)個(gè)提交了“健康報(bào)告”，即節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送的診斷信息。

　　對(duì)延遲和電流消耗的分析

　　每個(gè)數(shù)據(jù)包在傳感器節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生時(shí)以及在管理器上接收時(shí)，都有時(shí)間戳，因此每個(gè)數(shù)據(jù)包的延遲都可以監(jiān)視。圖3所示是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)超過(guò)90分鐘的時(shí)段內(nèi)的數(shù)據(jù)分布情況。正如所預(yù)期的那樣，編號(hào)較大的那些節(jié)點(diǎn)，即處于網(wǎng)絡(luò)較深處的節(jié)點(diǎn)，延遲時(shí)間較長(zhǎng)，每個(gè)數(shù)據(jù)包的變化也較大，因?yàn)槁窂竭x擇隨深度加大而成指數(shù)上升。盡管這樣，來(lái)自最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn) (編號(hào)101)的數(shù)據(jù)包全部在不到30秒的預(yù)定延遲時(shí)間內(nèi)到達(dá)了目的地。

　　所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)部都保持一份所消耗電池電量的數(shù)據(jù)，并周期性地向管理器報(bào)告這一信息。從這一信息中，可以畫出整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平均電流曲線，如圖4所示。編號(hào)較小的節(jié)點(diǎn)之電流消耗最大，因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)需要傳輸來(lái)自較遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流量。如圖4所示，在這個(gè)32跳的深跳網(wǎng)絡(luò)中，即使負(fù)載最重的路由器，平均電流消耗也僅為幾百微安。既然電流消耗這么低，那么路由節(jié)點(diǎn)就可以用一對(duì)D-cell鋰電池供電，可持續(xù)工作超過(guò)15年。

　　結(jié)論

　　在富有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用中，基于時(shí)間同步通道跳頻的SmartMesh IP網(wǎng)絡(luò)通常提供>99.999%的數(shù)據(jù)可靠性，功耗也非常低。因?yàn)橛孟喈?dāng)小的鋰電池可工作10至15年，所以無(wú)線傳感器實(shí)際上可以放置在任何地方，從而可實(shí)現(xiàn)真正城市級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：
　　[1]Streetline[R/OL].www.linear.com/docs/41387
　　[2]Vigilent[R/OL].www.linear.com/docs/41384
　　[3]Emerson Process[R/OL].www.linear.com/docs/41383