解析Dust Networks无线传感器网络技术

Dust Networks位于加州海沃德 (Hayward, CA)，由Kris Pister 博士创办。Dust Networks 率先推出 SmartMesh® 网络，该网络由一个负责收集和转发数据的自成形网状节点 (或“微尘”) 与一个用于监视和管理网络性能并向主机应用程序发送数据的网络管理器组成。如今，该技术已成为众多创新网络标准的基础。Dust Networks 技术的特点是实现了低功率、基于相关标准的射频技术、时间分集、频率分集和物理分集的完美组合，可确保可靠性、可扩展性、无线电源灵活性及易用性。SmartMesh 网络中的所有微尘 (甚至包括路由节点) 均为可通过电池运行数年而设计，从而使需要通过低成本的“即撕即贴”型安装可准确地安放传感器的场合实现了最终灵活性。

无线市场的潜力可谓无限，可是无线技术的可靠性以及通信标准一直制约着无线市场的发展。对于一个创新型的IC企业来说，解决这些技术瓶颈将会使其立于不败之地。而对于Dust Networks来说，它自创办以来就已经站在了无线领域的最前沿：采用全网格拓扑结构提高了无线传输的可靠性，其高屋建瓴之作TSMP奠定了无线通信标准，而它开发的系列产品成本低廉性能可靠更是深受OEM厂商们的信赖。 要想深入了解这么一家无线传感器网络供应商，毫无疑问就得先从它领先技术的了解开始，本文就将以这个为切入点探讨Dust Networks的无线传感器网络技术。

传感器网络的未来——无线传感器网络

首先来初步认识一下无线传感器网络这个概念，无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系统（SOC，System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。  

Dust Networks公司在无线传感器网络的领先技术确保了无线传感器能够无缝地嵌入到一个现有的网络架构上，并使得整个网络能够很好地运行。Dust Networks公司最领先的技术无疑是它的TSMP（时间网格网络协议）协议，它也是本文的重点。

走近Dust Networks的TSMP

Dust Networks的核心技术TSMP得到了无线HART协议的采纳以及艾默生和通用等流程控制设备制造商的广泛支持,这使得基于全网格拓扑的TSMP协议能成为广泛应用于工业环境的无线短程网协议。当前的TSMP是在IEEE 802.15.4的射频2.4GHz ISM频带和专用射频900MHz ISM频带上实现的。图1显示了在标准的无线网络协议栈和OSI网络协议栈中TSMP所对应的部分。

图1 无线协议比较

TSMP 协议包括了5个关键要素，包括了时间同步通信、跳频、节点自动加入和网络自动构成、全冗余网格路由，以及安全消息传送。而最具创新设计的当数TSMP 协议中的时间同步通信、跳频和全冗余网格路由技术。

让无线同步呼吸-----时间同步通信

在TSMP网络中，节点间的所有通信都是在一个特定的时间段执行的。对于每一个的TSMP节点，它可以同时处理多个数据帧,而数据帧里面又包括了若干个的时间槽。数据帧有一个重要的组态参数----帧长度。帧长度的长短直接影响着TSMP网络的输送能力：帧长度越短，网络的刷新率就越高，随之有效带宽也增加，功耗也跟着增大；反过来，帧长度越长，那么刷新率就越低，有效带宽以及功耗也相应的降低。  

TSMP协议的成功之处还在于解决了网络构成节点共享发送、接收和休眠的精确时间同步这个关键问题。为什么时间同步显得那么重要呢？无线设备不像有线设备可以一直接着电源而不用担心电源用尽，它只能使用自带电源提供自己的能量补充，因此尤其是在对电池功耗有严格要求的场合（如WSN），保证全部节点能同步唤醒和同步休眠就意味着延长了电池的使用寿命。TSMP使用与其它WSN所不同的信标策略，它不是在每个数据帧的起始处设立同步信标，而是按照TSMP节点来保持精确时间的读出，为了保证时间同步TSMP还通过相邻节点进行交换以补偿信息。这种设计的高明之处就是它使带宽可以预先配置，确保了信息发送的可靠性和零干扰，同时节点在每次发送时可以有效地改变频率且让接收节点保持锁步，通过对带宽进行自动调节适应了数据流的突增或突减。

让无线更灵活-----跳频技术  

与其它一些协议单纯使用DSSS或FHSS所不同的是TSMP将FHSS和DSSS组合在一起进行使用，这使得它同时具有了FHSS避免射频干扰的能力和DSSS提高编码增益的性能。  

TSMP还在规定的2.4000-2.4835MHz ISM频道内，巧妙地利用伪随机序列在802.15.4规范下制定16个信道进行跳频。如图2所示,当TSMP节点C加入网络时，它至少能发现两个已处在网络中的节点（称之为A 节点和B节点）并与之建立通信关系。在这个过程中，C节点会收到作为父节点A和B发来的同步信息和跳频序列。当又有新的节点加入网络时，C节点也会给它的子节点发送另外一个不同频率起点的跳频序列。当一个父节点传输信号受到射频干扰后，另一个父节点就会选择以另一个信道的频率与子节点通信。这种传输路径的选择相当简单同时又不失灵活性。

图2  A节点和B节点为C节点的父节点

对大多数通信机制而言，增加信道数就意味着成正比例的增加了系统的通信能力。而TSMP在802.15.4的射频范围内取16个信道并采用跳频扩频，使之有效带宽提高了整整16倍。当然信道数的增加会影响到系统的通信能力以及稳定性，下图是dust networks官方网给出的不同信道数系统稳定性的比较。

图3  不同信道数稳定性的比较

让无线更智能-----网络自动构成  

TSMP网络的关键属性还在于其具有自我组织的功能。那么如何理解一个已建立的TSMP网络呢？事实上可以简单地把TSMP网络看为一组可以共享网络识别号ID和关键字，且彼此间能保持同步的节点。每一个TSMP节点都具有发现其相邻节点，测量射频信号的强度，获取同步和跳频信息以及建立与相邻节点的连接路径的能力。而网关节点是TSMP网络的发源地，它执行着向所有其它网络节点接力传输组态信息和发出主时序信号的服务。除了承载着应用消息的那个时间槽外，还有其它一些时间槽是用来执行网络组态、发现相邻节点和侦听新加入节点请求的，这些时间槽也是组成帧长度的一部分。当TSMP节点被唤醒或复位时，它便开始侦听这些代码并确认这些节点的加入请求。

让无线更安全------安全消息传送

所有的TSMP消息包括网络ID都被打成为一个数据包。网络ID将所有具有同一ID的节点都绑定在同一个网络里，这样一来多个TSMP网络可以在同一个无线空间内运行，这样也避免了消息路由至其它网络的情况。节点侦听的方式是对自己所在网络的ID进行非同步的侦听，一旦它侦听到ID与自己相匹配的节点，它就会发出让其参与的初始化指令。此外对消息进行打包时还增加了一个参与密钥，如果节点的密钥有误，它参与的请求就不会被其父节点所接受，那么该节点将会超时，接着又返回到非同步侦听中去。以上所述的措施确保了节点间消息安全迅捷的传送。

让无线更有可靠------完全冗余路径  

一个具有节点自动加入和自我修复的全网格拓扑结构才能保证的网络保持长期的可靠性和可预测性，即使是射频环境随着时间可能发生很大的变化也不会导致整个网络的失效。TSMP采用的是让每个节点都能发现多个可用的父节点并建立两个以上的链接以达到空间上的多种变化。而时间上的多种变化则是由重发和避免失效的机制来实现的。这种自组织、全网格拓扑的网络能够发现可供使用的网络拓扑和利用大多数稳定的路由，从而达到了资源的合理优化配置。   

Dust Networks的这一系列创新技术使得其能在这一领域保持多年的稳定地位。迄今为止，有10多家公司（大约占据了无线传感器网络市场的90％）展示的可互操作无线设备都是采用了Dust Networks的TSMP技术，这包括了艾默森、霍尼维尔、ABB、西门子和横河等。而据市场调研公司ONWorld近期发布的一份报告，预计到2011年，世界市场无线传感器网络（WSN）系统与服务将飞升至约46亿美元，比现在大概增长5亿美元，毫无疑义Dust Networks仍将在这一极具潜力的市场中分到大部份的蛋糕。 

本期关注的Dust Networks是众多无线设备生产商的一个杰出代表，其高可靠性的技术无疑将推动这个市场进入下一个快速发展的阶段。纵观无线市场领域，完全可以断言 Dust Networks已经迈出了坚实有力的一步，相信不远的将来Dust Networks将会给世人更大的惊喜。  

在2011年12月底Dust Networks被凌力尔特公司收购。