WaveMesh协议简介

WaveMesh协议简介一种简单、可靠的移动自组网网络协议EricWang2009/09/03什么是WaveMesh协议WaveMesh是一种移动自组网（MANETs–MobileAdHocNetworks）网络协议。WaveMesh定义了完备的链路层（MAC）和网络层（NWK）协议规范。WaveMesh不限制物理层（PHY）的无线信号的和工作频率和调制方式，可以运行在多种射频芯片上。WaveMesh协议栈具有体积小、路由健壮、网络吞吐量高、节点功耗低、全部节点都可以睡眠、完全对等的peer-to-peerMesh网络、支持快速变化的网络拓扑结构和超大规模的网络、所有的设备都可以休眠，能够快速唤醒整个网络，易于部署。WaveMesh可以应用在无线抄表AMR/AMI、家庭自动化、智能楼宇、工业控制、应急网络等。轻量健壮实时移动网络自适应性低功耗高吞吐量易于部署WaveMesh设计理念WaveMesh协议特点（1）•轻量–极小的代码尺寸（4K字节代码空间+几十字节内存空间），是ZigBee协议栈尺寸的十分之一–WaveMesh可以运行在目前市场上几乎所有的MCU、DSP芯片上•健壮性–采用私有的OLDM路由协议，是多径（multipath）路由协议。每个节点同时维护到任何其它节点尽可能多的路由，路由健壮性好。–路由的建立和维护速度快，占用的无线资源少–支持快速拓扑变化的移动网络–网络的裁剪性好，部分节点瘫痪网络仍可以正常工作–可以有效抵抗其它无线信号的同频干扰•实时性–私有的全网MAC层异步唤醒算法，能够在极短的时间内唤醒全网节点，达到同步的目的–采用多径路由、多物理信道并发数据，大大减少了节点间报文发送的延时–精心优化的MAC层算法，在尽可能减少报文碰撞的同时最大程度提高吞吐量WaveMesh协议特点（2）•吞吐量高–全连接的mesh网络，每两个节点之间都可以建立点到点的路由。不需要像ZigBee等分簇的网络协议节点间的数据报文必须有路由器转发。–采用多径OLDM路由协议，每个节点都维护到其它节点的尽可能多的路由，可以多条路径并发数据，提高了吞吐量。–MAC层协议对减小报文碰撞、提高吞吐量做了精心的优化。–采用多条物理信道并行收发数据，在不改变无线信道波特率的前提下提高了物理带宽，增加了系统的吞吐量•网络拓扑多样–WaveMesh是全连接的mesh网络，每个节点都可以动态的感知网络拓扑结构的变化–WaveMesh的MAC层和NWK层网络协议会根据当前网络拓扑结构动态选择最佳的碰撞避免算法和最优的路由–支持最少2个点的网络，多至几万、十几万个节点组成的网络–支持多达几百、几千跳（路由的）的大规模网络拓扑–支持非常稀疏和非常密集的网络拓扑•省电–网络中的全部节点都可以睡眠，由全网异步唤醒算法唤醒网络完成节点间的同步–所有的设备都可以由电池供电，并且可以长时间（10年以上）待机WaveMesh协议特点（3）•全连接的Mesh网络–所有的设备都是平等的–每个设备都具备路由的功能–每两个设备之间都可以有建立点到点的路由–纯粹的分布式网络，健壮性、自愈性好•高可靠性–采用有链接的方式收发数据报文，保证数据报文的正确性–MAC层支持多信道、自适应波特率以及功率控制等算法，提高了无线信道的可靠性•扩展性好–可以根据实际需要对路由选择算法、QOS算法进行扩展–可以根据实际不同无线信道PHY层的特点对MAC层参数进行调整•易于部署–WaveMesh仅定义了一种网络设备，设备类型单一，易于生产维护，有效降低成本–整个网络所有设备都即插即用，不需要手工配置–所有设备都可以由电池供电，可以应用在缺乏电力供应的环境如灾区、野外等–WaveMesh支持移动速度比快、拓扑结构变化频繁的网络，容易部署在机动性强的环境下如军队、移动车队、医院病人监护、监狱等WaveMeshMAC层协议简介AdHocMAC层简介•MAC层协议的作用–定义移动自组网中无线节点怎样有效的共同使用有限的无线带宽。•MAC层协议对于移动无线自组网的性能非常重要，需要可虑的性能指标有：–吞吐量和延时–公平性–效率•由于无线信号在共享的传输介质中是以广播方式的进行传输，对无线链路的抢占和报文碰撞会比有线介质要激烈。另外，并且无线信号往往都是以半双工的方式，节点在发送数据时不可能同时进行碰撞检测，因此给传统的基于CSMA/CD链路层的算法带来新的挑战，需要解决的问题有：–隐终端问题–暴露终端问题AdHocMAC层的问题•隐终端问题A、C不能检测对方发出的无线信号，但它们的无线信号却有重叠的区域。如下图所示，当A和C同时向B发送无线信号则发生碰撞。•暴露终端问题A和C都能监听到来自B的信号，但是A和C检测不到彼此的信号。当节点B想及节点A发送消息的同时，节点C试图想节点D发送消息。根据CSMA算法，C会检测到B的信号认为无线信道忙，为了避免碰撞产生便推迟向D发送数据。但事实上C向D发送数据并不会与B向A发送的数据产生碰撞。暴露终端问题会导致网络吞吐量的下降。MAC层协议的分类WaveMeshMAC层采用的技术•载波检测碰撞避免CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionAvoidance）–•无线碰撞避免MACAW（MultipleAccesswithCollisionAvoidanceforWireless）––采用5步握手方式收发数据RTS-CTS-DS-DATA-ACK–解决隐终端的问题•多信道MAC(Multi-ChannelMAC)–WaveMesh至少需要2个物理信道，一个握手信道和一个到多个数据信道–相对单信道的系统会带来一下优势：•在不改变物理信道的波特率的前提下，多信道可以提供额外的无线带宽，增加物理层的信道容量，提高网络的吞吐量。•由于在不同的信道中发送报文是互不干扰的，将报文分散到不同的信道中发送可以大大的降低碰撞的概率。•容易的实现QOS特性WaveMeshMAC层的特点•智能碰撞避免算法–WaveMesh中的设备可以实时感知网络拓扑的变化和网络中设备的疏密程度，包括相邻设备的状态（sleep或active）–MAC层算法会根据当前网络拓扑的变化智能优化碰撞避免算法，在避免碰撞的同时减少对无线资源的浪费，以提高吞吐量–WaveMesh碰撞避免算法经过了长时间的仿真、实测反馈，做了大量的优化，在效率、公平性等方面都有优异的表现。•易于扩展–WaveMeshMAC层采用RTS-CTS-DS-DATA-ACK的5级握手方式。很多新的需求、特性可以容易的在RTS-CTS-DS这个阶段进行扩展。比如：密匙、物理波特率、QOS等信息可以在DS报文中增加一些域容易实现。•能够工作在不同的PHY层之上–WaveMeshMAC对PHY层的调试方式不做任何限制，可以与FSK、MSK、QAM、DSSS、FHSS、OFDM、MIMO等调试方式协同工作。–WaveMeshMAC层协议可以根据实际的PHY调制方式、波特率灵活地进行配置•与WaveMeshNWK层紧密结合–WaveMeshMAC和NWK层协议能够紧密结合，在增加代码效率的同时减小了代码尺寸WaveMeshMAC层全网异步唤醒技术•为什么需要全网异步唤醒技术–WaveMesh支持全部设备都能够休眠，设备在休眠时需要周期性的醒来并且检测是否有来自其它设备的信号。在设备检测到来自其它设备的数据请求或者命令时会进入工作状态，在工作完成时候继续休眠。然而，允许节点睡眠会带来致命的问题是会大大增加网络链路的不确定性，给网络传输带来不可接受的延时。–WaveMesh网络缺少像ZigBee中永不休眠的设备-路由器和协调器，也就不能采用ZigBee那样由超级帧进行时钟同步的技术。–WaveMesh网络需要全网异步唤醒技术在需要时使网络中的设备同时保持在工作状态，减小网络中的传输延时、增加网络吞吐量。•为什么选择MAC层而不是PHY层–WaveMesh网络协议的设计目标是能够兼容不同PHY层调试方式，因此尽可能的对PHY层不做任何限制。–MAC层有完整的报文格式，容易可以进行扩展–MAC层唤醒报文可以和NWK层以及MAC层的其它报文紧密结合•WaveMeshMAC层全网异步唤醒技术的特点–是WaveMesh网络所特有的独创技术–能够在极短的时间内准确唤醒全部或者部分网络设备–能够与MAC层其它协议、NWK层协议报文结合，可以实现很多特性–对PHY层不做要求，也可以应用到非WaveMesh网络中WaveMeshNWK层协议简介AdHoc网络简介•AdHoc网络是一种没有特定组织结构的自我组织、自我配置、自我控制的无线网络。移动Adhoc网络也被称作MANET（mobileadhocnetwork）是由无线连接的移动设备组网的自制域网络，所有组网的无线设备可以独立的向各个方向移动，因此网络拓扑结构是时刻变化的。MANET网内的每个设备都兼作路由器的功能，担负着寻找路由和转发报文的工作。如何在不停变化的拓扑下维护正确的路由信息是设计移动自组网路由协议的主要挑战。•AdHoc网络的特点：–独立自治，分布式网络–动态变化的网络拓扑结构–无线通信速率低–电源受限–设备硬件资源有限AdHoc路由协议分类•AdHoc路由协议分类：–自适应/非自适应–主动（路由表驱动）/被动（按需）/混合–距离矢量/链路状态–平面/分级/分簇–基于地理位置/基于方向–统一（节点地位均等）/非统一（有特殊的节点）–全连接/部分连接–基于历史/基于预测–单播/广播–反向链路（link-reversalrouting）/源路由（source-routing）–单径（unique-path）/多径（multipath）•AdHoc路由的选择方式：–电源的电量/信号的能量–链路的稳定性/最短路径/反向链路–链路状态/距离矢量–方向/地理位置WaveMeshNWK层协议简介•NWK的功能–提供路由和寻址的功能，使网络中的两个设备能够相互通信并且决定最佳链路，并具有一定的拥塞控制和流量控制的能力。•WaveMeshNWK层采用的路由协议–OLDM（On-demandLight-weightDynamicMultipathRoutingProtocol）私有路由协议–OLDM的特点•多径路由（multipath）•路由健壮性好•路由维护开销少•路由实时更新•多种路由的选择算法•没有路由回路•支持的超大规模的网络•所占资源极少•可扩展性好OLDM路由协议简介OLDM协议是针对硬件资源条件苛刻的移动自组网设计的一种AdHoc路由协议。并且适用于节点移动速度快、拓扑结构时刻变化的无线移动网络。常见的AODV、OLSR等路由协议都是“单径（unique-path）”路由协议-每个节点仅维护一条到其他节点的路由，一但这条路由被破坏必须被动重建路由，重建路由时需要消耗无线资源并带来延时。OLDM创新性的采用利了“多径（multipath）”路由的方式-每个节点同时维护尽可能多的到其他节点的路由。由于多条路由的冗余性，部分路由失效，节点之间仍然能够进行通信。OLDM协议创新性地解决了目前流行的路由协议在反复重建路由过程中带来路由效率低下的难题。OLDM能够在目前路由失效之前，主动地、提前寻找新的可替代路由。新的路由的寻找可以在发送数据报文的同时进行，充分利用无线链路广播的特性，OLDM路由的维护几乎不占用额外无线带宽，几乎没有延时。OLDM路由协议具有稳定性好、延时小、实时性好、维护开销少、没有路由回路、支持的网络规模大、扩展性好、所占资源极少等优点，可以应用在无线抄表（AMR/AMI）、智能楼宇、智能家居、工业控制、安防、传感