时间同步网状协议的技术概述

TSMP（时间同步网状协议）是一种网络协议，构成了可靠、超低功耗无线传感器网络的基础。无线传感器网络 （WSN） 是无线传感器节点的自组织多跳网络，用于监视和控制物理现象。典型的 WSN 应用包括工业过程自动化、商业建筑气候控制和安全报警。

TSMP在时间、频率和空间上提供冗余和故障转移，即使在最具挑战性的无线电环境中也能确保非常高的可靠性。TSMP 还提供自组织、自我修复网状路由所需的智能。其结果是，无需专门的无线专业知识即可轻松安装网络，自动适应不可预见的挑战，并且可以根据需要进行扩展，而无需复杂的规划。

TSMP有五个关键组件，有助于实现端到端网络可靠性、简单安装和电源效率。

时间同步通信

跳 频

自动节点加入和网络形成

完全冗余的网状路由

安全邮件传输

本白皮书提供了对 WSN 解决方案的调查，并以足够详细的内容描述了 TSMP，以便为技术读者提供协议功能的全貌。

无线传感器网络

无线传感器网络 （WSN） 是一个术语，用于描述一类新兴的嵌入式通信产品，这些产品在传感器、执行器和控制器之间提供冗余、容错的无线连接。部署 WSN 是为了提供对以前由于物理或经济障碍而无法访问的资产或工具的访问。

根据字面定义，WSN是一个可以应用于任何无线连接仪器（甚至是车库门开启器）的术语。在实践中，WSN标签用于描述提供超越传统点对点解决方案的性能的产品，特别是在容错，功耗和安装成本方面。

无线挑战

虽然无线在成本和灵活性方面具有明显的优势，但它也带来了许多挑战。具体来说，点对点无线电通信链路是出了名的可变性和不可预测性。由于环境条件、新的障碍、意想不到的干扰源和无数其他因素，今天强大的联系明天可能很弱。这些因素可以归结为三种主要的故障模式：射频干扰、阻塞通信链路的物理环境变化以及单个节点的丢失。

射频干扰：专用于通用无线通信设备的一小部分电磁频谱挤满了来自WiFi网络，无绳电话，条形码扫描仪以及无数其他可能干扰通信的设备。由于无法预测在给定位置、频率和时间设施中将存在哪些干扰源，因此可靠的网络必须能够持续地避开这些干扰源。

阻塞路径：首次部署网络时，会根据直接射频环境和可用邻居在设备之间建立无线路径。与有线网络不同，这些变量经常变化;路径以后可能会被新设备、重新定位的隔板、送货卡车或设备位置的微小变化所阻塞。为了确保网络生命周期的可靠性，而不仅仅是安装后的最初几周，需要以透明、自动的方式不断解决这些障碍。

节点损耗：节点损耗是无线传感器网络需要考虑的一个重要问题。虽然由于半导体或硬件故障而导致的节点故障很少见，但在网络的生命周期中，节点可能会损坏、破坏或移除。此外，电涌、停电或掉电可能导致节点发生故障，除非它们具有独立的电源。端到端可靠性需要围绕任何单个节点丢失进行路由的网络智能。

这些问题中的任何一个都会使点对点无线链路中断。但是，通过旨在防止这些问题的网络架构，网络可以隔离各个故障点并消除或减轻其影响，从而使整个网络即使在发生本地故障的情况下也能保持非常高的端到端可靠性。同样，精心设计的无线网络架构将透明地适应不断变化的环境，允许零接触维护的长期运行。

WSN旨在通过应用自组织和自我修复智能来不断适应不可预测的条件来克服这些挑战。WSN技术的目标是一次提供极高的可靠性和可预测性，而无需无线专家不断调整。

时间同步网状协议 （TSMP） 为 WSN 智能提供了一种机制。通过定义无线节点如何利用无线电频谱、加入网络、建立冗余以及与邻居通信，TSMP 为 WSN 应用奠定了坚实的基础。

TSMP 概述

TSMP 是一种媒体访问和网络协议，专为低功耗、低带宽的可靠网络而设计。当前的 TSMP 实施在 IEEE 2.4.802 无线电上的 15.4 GHz ISM 频段和专有无线电上的 900 MHz ISM 频段中运行。表 1 显示了标准无线网络堆栈和 OSI 网络堆栈中的 TSMP 元素。

TSMP 是一种基于数据包的协议，其中每个传输都包含一个数据包，当数据包被接收且完整且完整时，将生成确认 （ACK）。已建立机制，以尽可能高效可靠地通过多跳网络传输数据包。所有可靠性和效率的测量都是基于每个数据包完成的。

TSMP 堆栈	标准无线堆栈	OSI 堆栈
应用	应用	应用
介绍	介绍	介绍
会期	会期	会期
台阶	网络	运输
		网络
	媒体访问	数据链路
物理的	物理的	物理的

数据包结构

TSMP 数据包由标头、有效负载和尾部组成。数据包包含标识发送节点、定义目标、确保安全消息传输以及提供服务可靠性和质量信息的字段。出于本文的目的，我们将讨论 TSMP 在 IEEE 802.15.4 无线电上的实现。802.15.4 标准规定最大数据包大小为 127 B，TSMP 保留 47 B 用于操作，剩余 80 B 用于有效负载。有关 TSMP 数据包结构的完整说明，请参阅附录 A。

MAC 标头

网络 标头

有效载荷

应用 麦克风

麦克 麦克

食品接触物质

TSMP 还定义了几种数据包类型。这些数据包类型启用网络中的特定功能。某些数据包类型优先于其他数据包类型;有些允许透明隧道，而另一些则需要在路由中的每个跃点进行数据包解析。

定义

以下各节使用了几个术语，这些术语并不常见，读者可能不熟悉。

TSMP节点：运行TSMP
的无线设备 TSMP网络：TSMP节点的网络 路径：任意两个TSMP节点
之间的双向单跳连接。将此视为在两个节点之间绘制的一条线，以表示连接性。
链路：两个 TSMP 节点之间的定向通信通道。每个路径有多个链接。链路是定向的，可以在路径中添加/删除以增加/减少可用带宽。
路由：将源节点连接到目标节点的一系列路径。在网状网络中，路由通常由多个跃点组成。
父节点：比引用节点更接近目标一跃点的节点。父节点路由子节点的数据。
子节点：比引用节点离目标远一跳的节点。子节点将数据传递给父节点。
网状网络：所有节点
具有完全冗余路由的网络 星形：终端节点和中央路由器之间具有非冗余路由的网络

具有运行 TSMP 的嵌入式微处理器的无线设备称为 TSMP 节点。通过路径连接的 TSMP 节点网络是 TSMP 网络。TSMP 网络形成网状拓扑，其中数据通过从源（通常是传感器）到目标（通常是网关）的路由传输。

台阶组件

在以下几页中，将详细介绍 TSMP 的每个关键组件。阅读本节后，技术读者应该对 TSMP 节点的工作原理以及 TSMP 网络的行为方式有一个很好的了解。

TSMP由五个关键组件组成：

时间同步通信

跳 频

自动节点加入和网络形成

完全冗余的网状布线

安全邮件传输

时间同步通信

TSMP 网络中的所有节点到节点通信都在特定的时间范围内进行交易。同步通信通常被称为时分多址（TDMA），是一种经过验证的技术，可提供可靠高效的无线数据传输。与节点可以通过专用线（媒体）直接连接的有线系统不同，在无线系统中，彼此范围内的所有设备必须共享相同的媒体。其他几种媒体访问控制（MAC）机制可用，包括CSMA，CDMA和TDMA。TSMP基于TDMA。

时隙和帧

在 TSMP 中，每个通信窗口称为一个时隙。一系列时隙组成了一个帧，该帧在网络的生命周期内重复。帧长度以插槽为单位计算，是一个可配置的参数 - 通过这种方式为网络建立特定的刷新率。较短的帧长度可提高刷新率，增加有效带宽并增加功耗。相反，较长的帧长度会降低刷新率，从而降低带宽并降低功耗。一个 TSMP 节点可以同时参与多个帧，从而有效地为不同的任务提供多个刷新率。插槽和机架的概念如图 1 所示。

图1.TSMP 插槽和帧。

同步

任何TDMA系统的一个关键组成部分是时间同步 - 所有节点必须共享一个共同的时间感，以便它们准确地知道何时说话，倾听或睡眠。这在 WSN 等功率受限的应用中尤其重要，在这些应用中，电池电源通常是唯一的选择，更换电池可能既昂贵又麻烦。与其他 WSN 实现采用的“信标”策略相比，TSMP 不会以同步信标开始每一帧。信标策略可能需要消耗功率的长侦听窗口。相反，TSMP节点保持精确的时间感，并与邻居交换偏移信息以确保对齐。这些偏移值在标准 ACK 报文中沿用，不会产生额外的功率或开销。

常识的时间感使许多网络优势成为可能：可以预先分配带宽，以确保极其可靠的传输和零自干扰;发射节点可以有效地改变每次发射的频率，接收节点可以保持锁步;带宽可以以非常可预测和有条不紊的方式随意添加和删除，以适应流量高峰;等等。

占空比

需要注意的是，TSMP 节点仅在三种状态下处于活动状态：1） 向邻居发送消息，2） 侦听邻居通话，以及 3） 与嵌入式传感器或处理器接口。在所有其他时间，节点处于睡眠状态并且功耗非常低。在无线设备中，总功率预算的大部分（通常为>95%）由无线电消耗。为了实现低功耗，很明显，必须尽量减少无线电准时。TDMA非常擅长这一点。时隙以毫秒为单位，在典型的WSN应用中，这导致网络中所有节点（包括为邻居中继消息的节点）的占空比小于1%。由于所有节点（包括通常称为“路由器”）都可以主动占空比，因此TDMA是完全电池供电网络的唯一实用解决方案。

跳 频

除了跨时间对无线媒体进行切片外，TSMP还跨频率对其进行切片。这在面对常见的RF干扰源时提供了强大的容错能力，并提供了有效带宽的巨大增加。通常称为跳频扩频 （FHSS），跨多个频率跳频是一种行之有效的方法，可以避开干扰并以敏捷性而不是蛮力克服射频挑战。

克服射频挑战的另一种技术是直接序列扩频（DSSS）。DSSS提供了几dB的编码增益，并在多路径衰落方面有所改善。虽然有益，但面对频段中的常见干扰源，包括 Wi-Fi 设备、双向无线电甚至蓝牙，DSSS 是不够的（见下面的图 2）。应该注意的是，FHSS和DSSS的组合同时提供干扰抑制（FHSS）和编码增益（DSSS）。

克服干扰的另一种技术是增加无线电功率 - 有效地“调高音量”。虽然通常有效，但调高 802.15.4 无线电的音量会耗尽电池寿命，并且不是低功耗 WSN 的理想解决方案。

图2.802.15.4网络中的跳频与DSSS（来源：Dust Networks）。

跳频序列

加入网络后，TSMP 节点（称为节点 C）将发现可用的邻居并与网络中已有的至少两个节点建立通信，称它们为父节点 A 和父节点 B（稍后将详细介绍）。在此过程中，节点 C 将从父节点 A 和父节点 B 接收同步信息和跳频序列。802.15.4 标准指定了 16.2-4000.2 ISM 频段内的 4835 个不同频率通道 — 因此，让我们使用 16 作为我们的数字。跳频序列是所有可用通道的伪随机序列。例如，序列可以是：4，15，9，7，13，2，16，8，1等。节点 C 从每个父节点接收序列中的不同起点，当新节点加入它时，它将依次为这个新的子节点提供不同的起点。通过这种方式，确保每个成对连接在每个时隙期间位于不同的信道上，从而可以在任何一个位置广泛使用可用频段。

图3.节点 A 和 B 是节点 C 的父节点。

在操作中，每个节点到节点的传输（例如 C→A）的频率与之前的传输频率不同。如果传输被阻止，下一次传输将发送到不同频率的备用父级（C→B）。结果很简单，但在面对典型的RF干扰时具有极强的弹性。

带宽和可扩展性影响

与大多数通信机制一样，增加不同通道的数量会成比例地增加系统的吞吐量。在 TSMP 的情况下，在 802.15.4 无线电之上使用 FHSS 可有效地将带宽增加 16 倍。这是因为两对在不同频率上通信的节点即使在范围内也不会相互干扰。相反，对于低数据速率应用，这意味着即使大部分频段被RF干扰阻挡，消息仍将找到清晰的信道并直通。无论哪种情况，FHSS的效果都是大大提高系统的可靠性。

将频率和时间划分组合到一个映射中可提供以下矩阵。每个垂直列是一个时隙，每个水平行是一个频率。每个单元（盒子）都是一对TSMP节点的独特通信机会。

图4.频率/时间矩阵。

例如，每秒 802 个时隙的 15.4.60 无线电上的 TSMP 实现提供：

16 通道 x 60 插槽/秒 = 960 次传输/秒

假设有效载荷为 80 B，则有效总带宽为：

960 次传输/秒 x 80 B/次传输 = 76.8 KB/秒

鉴于无线系统中的可扩展性主要由对媒体的访问控制，媒体访问协议越高效，网络的可扩展性就越强。跳频TDMA协议是协调节点通信的一种非常有效的方法。已经证明，超过1，000个TSMP节点可以在同一无线电空间中相互运行，而不会影响端到端的可靠性。相比之下，使用基于冲突的协议（如CSMA（载波感知多址））的密集节点网络经常会遇到级联冲突和网络故障。

自动节点加入和网络形成

TSMP网络的一个关键属性是其自组织能力。事实上，这是网状网络的关键原因之一。每个TSMP节点都具有发现邻居，测量RF信号强度，获取同步和跳频信息，然后与邻居建立路径和链路的智能。

出于此讨论的目的，请务必注意，所有 TSMP 节点都是完全有能力的网状网络节点。在 TSMP 中，没有功能缩减、非路由传感器节点或终端节点的概念。每个 TSMP 节点都能够根据 RF 连接和/或网络性能要求路由来自邻居的流量。在安装的生命周期中，节点可能作为终端节点加入，由于 RF 条件的变化而成为路由节点，然后恢复到终端节点。这种类型的行为在网状网络中并不少见，必须自动发生才能提供长期的网络可靠性。

节点连接

在本节中，我们将描述 TSMP 节点如何加入已建立的网络。已建立的网络只是一组共享网络 ID 和密码并相互同步的节点。网络通常由网关节点设定种子，该网关节点充当计时主节点并将配置信息中继到所有其他网络节点。

除了通过网络传输应用程序消息的时隙之外，还有其他专用于网络配置、邻居发现和侦听新加入请求的时隙。就像所有其他时隙一样，这些时隙按照帧长度定义的刷新率进行时间循环。此外，当网络节点相互通信时，它们会在消息中包含特殊代码，这些代码通告关键网络设置，如帧长度、打开的侦听槽和频率、网络 ID 和当前时间。当 TSMP 节点通电或复位时，它将开始侦听这些代码。

下面是一个加入节点的简化状态机：

在频率 A 上侦听一段时间，在 B 上侦听，在 C 上侦听,...

侦听邻居并锁定计时信息，然后仅在每个插槽的开头侦听以确定是否有要接收的消息，从而降低功耗。

侦听此频率一段时间。在此期间，节点正在构建邻居列表。这包括无线电范围内的节点，这些节点在此频率的时间段内传输。

报告邻居列表，包括 RSSI。

选择一个邻居并发送加入请求。

从邻居节点接收激活命令并建立链路。

所有 TSMP 消息都经过加密，并包含一个网络 ID。网络 ID 用于将节点绑定到一个网络中，允许多个 TSMP 网络在同一无线电空间中运行，而不会有共享数据或错误路由消息的风险。如果微尘听到的网络 ID 与其自己的 ID 不匹配的节点，则它不会启动加入，而是会继续不同步侦听，直到听到正确的 ID。还有一个用于加密消息的加入密钥。如果 mote 具有错误的加入键，则父节点将不接受其加入请求，mote 将超时，并恢复为未同步侦听。

完全冗余网状路由

冗余路由在实际射频环境中是必须的。由于天气、新的或未知的射频系统、移动设备和人口密度，条件随着时间的推移而发生巨大变化。将此与节点放置、安装程序实践以及未来网络扩展或重新调整用途的完全不可预测性相结合，人们可以清楚地了解射频可靠性面临的挑战。具有自动节点加入和修复功能的全网状拓扑使网络能够在面临这些挑战的情况下保持长期的可靠性和可预测性。与水流下坡一样，只有自组织的全网状网络才能通过可用的节点拓扑找到并利用最稳定的路线。

完全冗余路由需要空间多样性（尝试其他路径）和时间多样性（稍后重试）。TSMP通过使每个节点能够发现多个可能的父节点，然后与两个或多个父节点建立链接来覆盖空间多样性。时间多样性由重试和故障转移机制处理。

空间分集 — 冗余路由

如前所述，所有 TSMP 节点都是路由器节点。这是对星形或混合星形网格架构的根本性进步。全网状拓扑是适应不断变化的条件的唯一方法。全网状或“扁平”网络（没有更高或更低功能节点的概念）不依赖于专用路由器、基站或聚合器，也不需要其他解决方案的无线专业知识和安装技能。无需勘测、工程，然后最终过度构建点对点连接。安装全网状时，所有连接的节点形成一个巨大的天线，用于其他连接节点。这允许极其快速和坚固的安装。此外，如果需要扩展已安装的网络，只有全网状网络才能依靠边缘节点自动承担路由职责，从而优雅地容纳新节点。请注意，在某些应用中（功率非常昂贵），可能需要让终端节点保持为终端节点，并有选择地拒绝承担路由职责。TSMP 通过可配置的设置支持这种类型的自定义。

图 5：网络拓扑。

每个 TSMP 节点都维护自己的邻居列表。此邻居列表包括父节点和子节点。一个节点可以根据需要具有任意数量的父节点（这是一个可配置的参数）。例如，一个特定的高价值节点可能有四个父节点，以确保最大的可靠性。相反，可以将价值不大的节点配置为仅获取一个父节点，以便为其他流量保留带宽。

TSMP全网状功能的一个关键因素是路由器节点的有效占空比。由于路由器可以保持小于 1% 的占空比，因此它可以仅作为终端节点供电。这种设备奇偶校验意味着安装和调试无需考虑设备类型、电源等。

时间多样性 — 重试和故障转移

建立链路后，TSMP 将提供通信机制以确保可靠运行。如上所述，节点到节点的消息传输发生在一个频率的一个时隙中。在一个时隙内发送消息，发送节点切换到接收模式并等待确认 （ACK）。如果 ACK 未在时隙内到达，发送节点将在下一个可用时隙重试。这通常是针对备用父级的，并且始终处于不同的频率。同样，如果收到 NACK（指示未正确接收预期数据包的消息），则发送节点将在下一个可用插槽上重试。NACK 的生成方式有多种：校验和无效 （FCS）、消息完整性代码无效 （MIC） 或接收节点具有完整的消息队列。

每个发送节点都会跟踪缺失的 ACK 和 NACK。如果许多传输未得到确认，发送方将认为该路径无效，并启动与其邻居列表中的下一个可用节点的通信。

安全邮件传输

安全邮件传输有三个支柱：加密、身份验证和完整性。加密可防止消息携带的信息被其他方读取。身份验证可确保发件人实际上是发件人。完整性可确保消息原封不动地传递。TSMP 为每个功能提供了机制。值得注意的是，跳频本身提供了一定程度的安全性。由于每对节点维护的伪随机跳频序列，如果侦听接收器确实设法听到一个传输，那么它只有 1/16 的机会（对于 802.15.4 无线电）听到下一个传输。

加密

TSMP 使用行业标准的 128 位对称密钥加密来实现数据包有效负载的端到端机密性。共享密钥的节点通过使用 CTR 模式密码加密消息进行通信。由于所有节点都是时间同步的，因此使用唯一的时间戳来生成非重复的随机数（使用一次的数字）作为加密向量。

认证

虽然加密提供了消息的机密性，但需要身份验证来确保源身份。为了确保 TSMP 网络中的每个数据包都由授权节点生成，TSMP 使用受 32 位消息完整性代码 （MIC） 保护的数据包源地址。每个数据包都带有两个 MIC 代码来提供身份验证：由网络层 MIC 保证的端到端源地址身份验证，以及由 MAC 层 MIC 保证的节点到节点源地址身份验证。MAC 层身份验证对于保护 ACK 尤为重要。

正直

验证发送节点地址的相同 32 位消息完整性代码 （MIC） 也用于确保内容完整性。任何消息篡改都会使 MIC 失效，并立即被接收节点识别。

结论

在过去三年中，TSMP协议的可靠性已在具有挑战性的网络部署中得到证明。时间、频率和空间多样性的简单而强大的概念提供了一个极其强大的网络协议，可以应对现实世界的商业和工业环境的挑战。嵌入式自组织和自我修复智能从根本上降低了安装复杂性，并确保了长期可预测的行为。所有Dust Networks产品都建立在TSMP之上。Dust Networks目前正在与领先的组织合作，以标准化TSMP的核心组件。

审核编辑：郭婷