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為工業物聯網正確選擇無線網格網絡協議以實現新應用

作者:RossYu 時間:2015-05-01 來源:電子產品世界 收藏

  (1)成對通道跳頻 時間同步能夠在每一個發送器-接收器對上實現通道跳頻,因此實現了頻率多樣性。在 網絡中,每個數據包交換通道都會跳頻,以避開不可避免的 干擾和多徑衰落。此外,不同設備對之間的多次數據傳送可以在不同的通道上同時發生,這增大了網絡帶寬。例如,在 IEEE 802.15.4 2.4GHz 無線規范中,提供了 15 個可用通道,該規范是 最常用的選擇,因為全球都可以使用這一 ISM 頻段。這就意味著,與單通道 802.15.4 相比, 網絡的可用帶寬擴大到 15 倍。

本文引用地址:http://www.j9360.com/article/273460.htm

  (2)完整通路和頻率多樣性 ─ 每個設備都有冗余通路以克服干擾引起的通信中斷、物理障礙或多徑衰落問題。如果一個數據包在一條通路上的傳輸失敗了,那么智能節點會自動在下一個可用通路及不同的 通道上重試 (參見圖 1)。每次重試 (時間多樣性) 都利用了通路多樣性和頻率多樣性,因此每次重試成功的可能性都比單通道系統高。

  (3)低功率數據包交換 采用 后,允許節點在排定的通信間隙以超低功耗休眠。每個設備都僅在發送數據包或等待來自相鄰設備可能發送的數據包時,才進入工作模式。更重要的是,既然每個節點都知道自己的排定喚醒時間,所以所有節點都隨時可用來轉發來自相鄰節點的信息。因此,TSCH 網絡常常達到 <1% 的占空比,同時仍能保持網絡完全可用。此外,既然對每個數據包的收發都排定了時間,那么在 TSCH 網絡中就沒有網絡內數據包碰撞問題。網絡可以非常密集,并可以擴展,而不會產生削弱 信號的自干擾。

  (4)高可用性動態占空比 與全網絡動態占空比網絡不同,在 TSCH 網絡中,每個節點都僅當需要發送數據包或等待接收數據包時,才喚醒其收發器。通過將網絡信息傳送的時間安排細化到單獨的發送器-接收器收發操作這一層面,TSCH 網絡可以非常方便地跨整個網絡提供不同占空比的數據傳送。例如,如果用戶在一處使用了僅需 1 小時發送一次數據的水箱水位傳感器,而在另一處使用了每隔幾秒鐘就需報告一次數據的壓力 / 水流傳感器,那么 TSCH 網絡將僅按照傳感器各自所需的頻度喚醒節點 (及其母節點),以可靠支持該類型的數據傳送。

  4 整合 TSCH 與低功率硬件可產生巨大威力

  過去 10 年來,802.15.4 收發器在發送、接收和休眠等一般工作模式時所需的工作電流一直在穩步下降。例如,凌力爾特公司提供的 LTC5800-IPM 消耗 +8dBm 發送功率時,吸取 9.5mA 電流,接收時吸取 4.5mA 電流,這比前一代 802.15.4 收發器低 3 至 5 倍。降低所需峰值電流是一個良好的開端,但是發送一個數據包所需的能量是一段時間內所吸取電荷總量的函數。如果用示波器測量所吸取的電流,并畫出隨時間變化的電流曲線 (參見圖 2),那么發送一個數據包所需能量就可以用曲線下方涵蓋的面積表示,可以看出該能量既受到峰值電流的影響,又受到每次處于工作狀態的時長所影響。LTC5800-IPM 等產品實現了精確優化的數據包交換,在 3.6V 電源電壓時僅需 54.5µC 電荷量 (或消耗 196.2µJ 能量) 就可成功完成數據包的發送 / 確認。

  5 實現低功率的系統化方法

  通過更全面地考察能量在無線傳感器網絡中的消耗方式,我們可以看到,功耗可以看作是以下的函數:數據流量、發送數據包所需能量、從一個節點向另一個節點成功發送數據包所需的重試次數。

  就每一個數據包所耗能量而言,通過采用對每次重試都提供時間、通路和頻率多樣性的網絡協議 (因此減少了每發送一個數據包所需的平均重試次數),可以實現低電流消耗,因為這樣可以提高整個系統的效率,而不是在應用層上造成損失。TSCH 網絡中的通信時間表是高度可配置的,而且通信時隙可以基于應用需求自動分配。TSCH 網絡可以配置為低數據速率,以最大限度降低所需功率,而且這種網絡有潛力采用能量收集技術。同樣,TSCH 網絡可以配置為支持不同的數據報告速率,就像在工廠中常見的那樣,工廠中有變化慢的變量 (例如水箱水位) 和變化較快的變量 (管道中的流量)。TSCH 網絡會自動給網絡的各個部分分配其所需的時隙。因此 TSCH 網絡不是迫使用戶定制其應用以滿足網絡要求,而是可以被定制以滿足種類繁多的應用需求。

  6 實現工業

  TSCH 已經成為 WirelessHART (IEC62591) 等現有工業無線標準的基本構件,也是新出現的 IEEE802.15.4e 等 IP 無線傳感器網絡標準的組成部分。IETF 6TiSCH 工作組也在進行 TSCH 鏈路層的標準化工作。有關標準采用 TSCH 將有助于 TSCH 繼續得到更加廣泛的采用。

  目前已經證實,在工業流程監視、圍欄線周邊安全、數據中心能效、城市規模的智能停車解決方案等廣泛和要求嚴格的應用中,TSCH 網絡的電池壽命能夠長達多年,而且數據可靠性 >99.999%。TSCH 網絡提供高度可靠、高度可配置的低功率無線網絡,非常適合工業

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