wavemesh

WaveMesh是針對於低功耗、低成本的無線移動自組網路設計的協定，該協定定義了鏈路層和網路層，網路拓撲為完全分散式、對等的網狀網路。

基本介紹

• 外文名：wavemesh
• 對象：無線移動自組網路
• 定義了：鏈路層和網路層
• 類型：分散式對等網路

概述

採用私有多徑路由協定，能充分利用網路中的冗餘路由，數據鏈路具有優異的自愈性的穩定性。網路不需要初始化節點上電可以立即進行無線通信，支持規模大、拓撲結構變化快的行動網路，是無線移動自組網的理想協定。所有節點都是平等的，都可以休眠。網路性能優異，易於部署，可裁剪性好、自愈性好。協定棧代碼尺寸小、容錯性高，即使出現供電等硬體故障也會在極短時間內自我恢復。憑藉在諸多網路特性上的絕對優勢，WaveMesh協定已經在很多行業中得到套用。

特點

WaveMesh移動自組網協定誕生於2007年，經過很多年的實際套用、經驗積累，已經日趨完善成熟，形成了一系列完備的協定族和專業解決方案，其特點如下所述：

·分散式對等網路

整個網路沒有中心節點，每個節點獨立維護自己的路由信息，不需要節點之間進行路由綁定。網路中允許有多個集中器/網關設備。相對於集中式自主網路，分散式網路具有健壯性好、組網速度快、網路拓撲變化敏感、網路容量大、成本低廉等明顯優勢。

·網路容量大

協定棧所需資源開銷與網路節點個數無關，網路規模沒有理論上限，支持幾萬點的網路。節點地址長度為1～16位元組，支持IPV6協定。

·255級路由

255級路由深度，能滿足幾乎所有的套用。不會由於路由深度的增加而犧牲網路的穩定性和準確性，更不會產生路由迴路。

·節點任意移動

採用私有多徑路由協定，可以充分利用無線信號的冗餘，最大限度減小路由建立和維護過程的開銷，能夠在多條路徑並行進行數據報文的傳送，時時刻刻進行新路由的發現，對網路拓撲結構的變化敏感並對路由進行更新不需要進行洪泛，可以在不同路由之見無縫切換。

·網路初始化時間為0

整個網路完全沒有初始化的過程，節點上電後可以立即進行通信，節點可以隨時加入、離開網路。該特性使得WaveMesh成為理想的低功耗移動無線網路協定。

·功耗低

多種休眠模式 （同步、異步、混合和自主休眠），並且可以在不同休眠模式之間靈活切換，以滿足不同低功耗套用場合。休眠節點之間可以進行雙向可靠通信。採用重複傳送報文方式安全迅速全網異步喚醒，節點被誤喚醒的機率為0，喚醒延時固定。進行全網數據採集時採用全網集抄代替逐點輪抄，可以在極短的時間內得到全網所有節點的數據，比逐點輪抄方式節省時間、功耗近千倍，適用於低功耗數據採集套用場合。

·可靠數據傳輸

所有數據傳輸都是按照點對點5次握手的方式進行，採用可靠的單播實現廣播、多播。採用多次嘗試、碰撞避免和擁塞控制機制保證所有的報文都安全可靠抵達目的節點。

·自適應速率

節點之間的數據傳輸可以根據鏈路質量和傳輸錯誤次數協商出最佳的傳輸速率，在兼顧吞吐量和傳輸距離的同時獲得極佳的網路穩定性。

·高吞吐量

空間、時間和頻域的三個維度分集的巧妙結合，數據流能在多條路徑、多個物理信道並行傳送。鏈路層能夠根據網路的密集程度採用智慧型的碰撞避免算法，將報文碰撞機率降低至最低，經過多級中繼之後的吞吐量仍然可以達到物理頻寬的極限。可以通過多個網關同時與異構網路之間建立連線，無限制擴大網路出口頻寬。

·抗干擾能力強

數據傳輸採用多個無線信道：一個主信道和多個輔助信道。在多個輔助信道之間採用跳頻方式進行數據傳輸。當主信道受到干擾或者衝突時，無線網路可以自動選擇新的比較乾淨的信道作為主信道，整個切換過程速度很快，不需要套用層進行干預。主信道的切換也可以由AT指令強制進行。

·健壯和自愈性好

多徑路由協定可以時刻感知網路的拓撲變化，在儘可能多的路徑上平滑切換路由，有效抵抗部分節點故障、外來干擾、拓撲變化。

·安全性好

可以有效抵抗虛假、纂改報文攻擊，數據傳輸採用AES-128位加密有效防止數據報文被監聽的可能。

·免二次開發

完備的協定棧，網路維護、路由發現等完全不需要套用層進行任何干預。對模組進行簡單配置即可實現開發的工作，不需要用戶修改現有協定、進行任何二次編程開發工作，節省大量的開發時間和成本。

·多種地址機制

可以採用外設/套用層地址或者模組MAC地址進行路由，其中MAC地址為6位元組，外設/套用層地址為1～16位元組，模組可以自動獲得外設/套用層地址，用戶不需要考慮外設/套用層地址與模組MAC地址之間的轉換，更不需要對現有協定做任何修改。

·可無限擴展

網路允許同時存在多個網關設備，下行數據報文可以由任意網關傳送給網路中的節點；上行數據報文會自動選擇距離節點最近的網關傳送。通過增加網關的數量可以對網路進行無限制地擴展，突破255級路由的限制。

·多個外設

一個節點模組可以掛載0個到多個外設。掛載0個外設時，模組作為純中繼節點參與組網；掛載1個外設時，模組與外設地址進行綁定；掛載多個外設時，模組可以連線一條485匯流排或者作為一個子網的網關。

·設備成本低

協定棧經過精心的設計和最佳化，其代碼尺寸非常小，僅需要4k～8k位元組的程式空間和幾百位元組記憶體空間，可以被移植到非常廉價的MCU上。集中器/網關和終端節點模組可以採用相同的硬體設計，大幅降低了系統設備成本。

·安裝簡單、免維護

現場安裝不需要任何手工設定。協定充分考慮了無線設備在長期使用中的晶體老化、溫度變化帶來的頻飄問題，節點在數據傳輸過程中會自動糾正永久頻偏向網關/集中器模組對齊，確保網路長期可靠穩定運行，完全免維護。

經過很多年的實際套用和經驗積累，WaveMesh協定針對不同的典型行業套用進行了最佳化，形成了一個協定族，如下文所述:

WaveMesh AMR協定

WaveMesh AMR（Automatically Meter Read）是針對於無線抄表、感測網路、智慧型農業、工業控制等行業套用推出的最佳化版本。協定定義了2種節點類型：集中器/網關（ROOT）和節點設備（NODE）。這類套用的主要特點：網路由數量眾多的NODE和一到多個ROOT組成，在任意NODE和ROOT之間可以進行雙向實時數據通信，數據報文可以在NODE之間進行多次中繼轉發並最終到達目地節點。網路拓撲為以ROOT為根的樹狀結構，對於多ROOT的網路樹的根為多個。數據流有兩個主要方向：上行和下行。由ROOT到NODE的數據流為下行，反之為上行。下行數據傳輸方式為單播、多播和廣播；上行數據傳輸方式為單播。

WaveMesh AMR又分為PRO，STD和BASIC三個版本以滿足不同客戶的需要：其中PRO和STD版本支持休眠，而BASIC不支持休眠；另外，PRO支持下行路由。在下行路由的支持下，PRO版本會更有效的支持下行單播數據傳送，可以做到精確路由轉發以便獲得更低的節點功耗。STD和BASIC版本對下行單播數據報文傳送採用廣播的方式，可以在廣播的過程中重建路由，對網路拓撲的變化更敏感、網路更健壯。

WaveMesh CSN協定

WaveMesh CSN (Cluster Sensor Network)分簇感測網路是針對大規模超低功耗的移動感測節點的數據採集套用設計的最佳化版本協定，協定定義了3種設備類型：集中器/網關（ROOT）、中繼路由節點（NODE）和終端設備（END DEVICE）。這類套用的主要特點：對END DEVICE的功耗要求非常苛刻，電流為幾十微安甚至是幾個微安，在不更換電池的情況下可以工作幾年甚至幾十年；在ROOT和END DEVICE之間實現雙向可靠數據通信；NODE組成網路的骨幹，實現對上下行的數據報文的路由、中繼和轉發；為了減小上行數據傳輸延時，只允許NODE和ROOT進行很短暫的異步休眠或者不休眠；END DEVICE不需要對其它節點的數據報文進行中繼轉發，可以進行長時間的自主休眠獲得極低的功耗。網路拓撲為以ROOT為根的樹狀結構，對於多ROOT的網路樹的根為多個。數據流有兩個主要方向：上行和下行。由ROOT到END DEVICE的數據流為下行，反之為上行。下行數據傳輸方式為單播、多播和廣播；上行數據傳輸方式為單播。

相對於全網所有節點都可以休眠的WaveMesh AMR網路來說，WaveMesh CSN網路在犧牲少數骨幹NODE的功耗的前提下，使得END DEVICE的功耗比WaveMesh AMR網路中的休眠節點的功耗要低上接近千倍。

WaveMesh BUS協定

WaveMesh BUS協定的設計目標是利用對等無線自組網路代替現485等匯流排的套用，數據可以從任意節點發出，廣播到網路中的其它所有節點。將支持485接口的WaveMesh BUS無線模組直接駁接在原有的485匯流排接口上即可，不需要任何二次開發工作。該網路只有單一類型設備，數據傳輸採用統一的廣播機制，沒有上行和下行之分，網關也只是網路中的普通節點。網路拓撲為全連線的網狀網路，所有的節點都可以休眠。WaveMesh BUS協定最大的特點是支持可靠的廣播：

1.數據傳輸僅在兩個建立連線的節點之間，不存在一點同時傳送給多點的情況，也就是說基於單播的方式實現可靠廣播；

2.節點以主動的方式去獲得廣播報文，數據傳輸採用4次握手機制，其傳輸過程為單播，確保每個節點都可以可靠接收到廣播報文；

3.採用私有的碰撞避免算法，廣播效率高、速率快。

WaveMesh BUS協定可以輕鬆對點對點、點對多點的星型無線網路（無線透明傳輸協定模組）進行升級，大幅提高網路的健壯性、覆蓋範圍和數據傳輸的可靠性，並且降低開發成本。

WaveMesh HOME協定

WaveMesh HOME是針對沒有中心節點的智慧型家居、智慧型樓宇等行業套用的最佳化協定版本。這類套用的主要特點：網路中有多個移動且功耗受限的控制設備如控制器、遙控器和網關；網路中有數量眾多的受控設備；網路必須有保證有絕對的安全性和易用性。多個控制設備可以隨時向網路中的受控設備傳送控制命令，受控設備狀態變化要同時上報給多個控制設備。秉承分散式組網的設計理念，WaveMesh HOME網路中的所有設備都是平等的，沒有中心節點，控制設備可以任意移動並且隨時休眠，網路不需要進行初始化。網路拓撲為以控制設備為根的多棵樹的重疊結構，並且根節點位置不固定。可以雙向進行數據通信：控制設備傳送給受控設備的數據流向稱為下行；受控設備傳送給控制設備的數據流向稱為上行。下行數據傳輸方式為單播、多播和廣播；上行數據傳輸方式為單播、多播和廣播。

WaveMesh HOME協定不僅僅能實現多個移動點對網路其它節點的控制，其設計理念是打造一個安全可靠、覆蓋到任何一個角落的無線自組數據傳輸網路，可以承載更多的套用。比如，遙控器之間語音對講、通過遙控器撥打電話，甚至實現網際網路接入等。

WaveMesh HOME協定連續兩個下行命令之間需要有一定的時間間隔才能確保前一條命令不會被後一條命令所淹蓋或者產生順序顛倒，下行報文的處理時間可以達到秒級。

WaveMesh BUILD協定

WaveMesh BUILD是針對超大規模網路的智慧型樓宇等套用設計的專業版本，可以對網路中的任意節點進行精準安全控制。該網路在分散式移動自組網的基礎之上增加了一個數據服務中心，實現對所有節點設備的認證、授權和控制等服務。移動控制設備如遙控器不能直接對網路中的受控節點傳送命令，需要將命令傳送給數據服務中心，經過數據服務中心的認證和授權後，再將控制命令下達給受控節點。網路拓撲為全連線的網狀網路，數據服務中心和所有受控節點之間會建立精確路由。節點設備傳送給數據服務中心的數據流向稱為上行，反之為下行。下行數據傳輸方式為單播、多播和廣播；上行數據傳輸方式為單播。

WaveMesh BUILD協定可以向網路中連續傳送下行命令，下行命令的處理時間為實際數據報文的傳送時間可以達到毫秒級。相對WaveMesh HOME協定，WaveMesh BUILD協定的下行數據吞吐量提高了近千倍。

WaveMesh RTLS協定

WaveMesh RTLS是針對大規模人員定位、倉儲物流等套用推出實時定位協定，定位基於RSSI算法。由固定位置的無線節點構成網路的骨幹，移動節點的位置通過到達多個固定節點的無線信號強度矢量進行計算。該解決方案的特點：實時性高，定位速度快，移動節點僅需要傳送一條報文就可以完成定位(1～5ms)；網路覆蓋範圍大，可以通過安放多個網關突破255級路由深度的限制；網路規模大，對移動節點和固定節點的數量沒有理論限制，支持幾十萬點的龐大網路；定位精度高，如果一個移動節點無線信號覆蓋範圍內有3個以上的固定節點，就能夠精確地計算出該移動節點的位置；移動節點的功耗極低，滿負荷工作電流只有幾微安，用紐扣電池能工作十年以上。網路拓撲為以網關/集中器為根的多根節點的樹狀結構。移動節點可以與網關/集中器實現雙向通信，不僅僅是定位網路：上行數據報文可以由固定節點立即傳送給網關，實時性好；下行數據報文可以被固定節點所快取，在移動節點醒來時再對其傳送。

WaveMesh MOB協定

WaveMesh MOB是針對應急通信、單兵戰時通信等套用推出的最佳化協定，可以在任意兩點之間建立路由鏈路進行點對點的數據通信，也可以進行群組或者廣播通信。這類套用的主要特點：所有的節點都可以任意移動，任意兩節點、多個節點之間可以進行雙向和集群數據通信，網路中的所有節點是完全對等的。網路拓撲為全連線的網狀網路，每個節點都會在需要時建立並維護到任意節點的路由。相對於點對多點有中心節點的星型網路，如公共移動通信網路基站+手機，WaveMesh MOB網路中的數據報文可以根據需要在移動節點之間進行自動路由和數據轉發，提高了網路的覆蓋範圍和健壯性，同時降低了移動節點的發射功率使得通信有更好的保密性。

WaveMesh ONE協定

WaveMesh ONE協定的目標是將不同版本的WaveMesh協定功能集成到一起，使得其能夠有更好的通用性，覆蓋更多的套用。WaveMeshONE協定僅定義一種設備類型，通過對協定的參數進行設定實現不同的行為模式，能解決更為複雜的實際套用。WaveMeshONE協定目前包括WaveMesh AMR、WaveMeshCSN、WaveMesh BUS、WaveMesh HOME和WaveMesh RTLS協定的功能，以後可能會將WaveMesh BUILD和WaveMesh MOB協定也會集成進來。

通用版本WaveMesh ONE協定在配置上比其它專用版本協定要複雜，協定棧的體積也會更大，因此設備成本會高一些，不適合初級用戶。對於比較複雜的套用，往往需要將不同的專業版本協定的功能集成到一張網路中，選擇單一專用版本協定不能很好的滿足要求，這種情況下推薦選擇WaveMesh ONE版本協定。另外，WaveMesh ONE版本協定需要兼顧不同的套用場景的需求，在某些性能指標上可能不如其它專用版本協定。因此簡單來說，在能使用專用版本協定的場景儘可能採用專用版本。

WaveMesh ITS協定

WaveMesh ITS（Intelligent Transportation System）是針對智慧型公交設計的分散式超大規模自組網路協定。網路的骨幹由智慧型無線站牌組成，無線站牌分布在每個公車站。這些無線站牌之間可以自動進行網路組建，在每條公交路線的上行和下行路線上的所有站點以及調度室之間建立帶冗餘路由的健壯數據鏈路。對於相鄰車站之間的距離較遠的情況，可能會超出無線信號的覆蓋範圍，這時網路會自動選擇介於兩車站之間的其它可能的無線站牌進行路由。採用WaveMesh特有的多徑路由協定，充分利用無線網路的冗餘在源節點和目的節點之間建立儘可能多的路由，並且路由可以自動旁路失效的無線站牌節點，因此整個網路會非常健壯。整個WaveMesh公交網路沒有中心節點，也不需要對網路進行全網初始化，部分網路癱瘓基本不會對剩餘的網路產生影響。