不同Mesh技術的比較-總結版

引言

在過去的幾年裏，Mesh 網絡逐漸變得流行，隨之會有越來越多的無線產品面世。Mesh 網絡技術作爲一種無線自組網技術是物聯網的核心技術。物聯網的概念現在也逐漸貼近人們的生活，

據預測 2011 年物聯網相關產品的市場將突破兆億美圓。正如 3G 移動通訊有不同標準一樣，Mesh 網絡技術也有很多的協議標準。本文介紹了不同的 Mesh 網絡，並對不同的技術進行比

較。首先，簡要介紹了無線網絡技術的基礎；然後，闡述了對不同的 Mesh 網絡的評價標準；之後，對幾種不同的 Mesh 網絡相關技術進行了介紹包括主要特性、網絡架構以及優勢和劣勢；

最後，把所有的比較信息進行融合，給出了這幾種不同 Mesh 網絡的評價結果和適合應用的領域。

 

無線網絡基礎

網絡技術的核心就是使網絡中的節點設備能都互通互聯，這就意味着要解決兩個問題：

1. 網絡中的節點之間如何通信

2. 網絡中的節點之間怎麼建立鏈路

無線網絡和有線網絡的拓撲結構有很大的不同。有線網絡的拓撲結構跟節點之間連接的電纜有直接關係，如果所有的節點被連接成一個環，網絡的拓撲就是相對穩定的環形結構。無線網絡

的拓撲結構則會複雜很多，因爲所有的節點共享同一無線資源，由於無線信號的碰撞以及節點物理位置的相對變化都會使無線網絡的拓撲結構不斷變化，很難用模型去描述。

常見的網絡拓撲類型有星型、總線型和環型三種，如下圖所示： 

 

 

環型網絡，節點僅與自己相鄰的節點相連。數據報文可以按照順時針或者逆時針的方式在在環型網絡的節點間進行傳遞。當收到一個數據報文，節點首先會判斷是否是發給自己的，如果是

則接收否則將該報文傳遞給下一個節點。這種網絡類型通常是用電纜連接的有線網絡，也可以被想象成特殊的無線網絡，網絡中節點之間的距離都很遠以至於每個節點只能跟相鄰的節點才

能直接通信。 

 

總線型網絡，所有的節點都共享、搶佔同一個通信介質。典型的是採用 CSMA 類型的網絡。由於使用同一個傳輸介質，碰撞和重傳隨着網絡的負荷的增加而增加。對於有線的情況，這樣網

絡常見是通過以太網集線器相連的計算機組成的局域網。對於無線的情況，就會變得複雜很多，因爲無線信道其實就是一個共享的通信介質。儘管無線網絡的路由可以按照星型、環型或者其

他的拓撲結構進行處理，但本質上來說往往是總線型的網絡。因此在本文中，無線網絡的默認的基本拓撲結構是總線型。

 

星型網絡，所有的節點都與一箇中心節點進行通信。中心節點負責監聽所有節點的數據報文並轉發給對應的目的節點。星型網絡的在計算機網絡中應用十分廣泛。對於有線的情況如以太網

交換機連接的局域網，交換機就是中心節點。對於無線的情況如 Wi-Fi 網絡，AP 就是中心節點，所有的數據報文都通過 AP 進行路由和轉發。但是所有的 Wi-Fi 設備與 AP 通信必須搶佔

同一個無線資源，用的卻是總線型網絡的協議 CSMA。

 

Mesh 網絡，增加了節點間的互連性，節點之間連接路徑很多，網絡的拓撲結構不同於之前的定義的三種情況。對於全連接的 Mesh 網絡，每兩個節點都能直接相連。對於部分 Mesh 網絡，

一些節點與其它所有的節點相連，但是另外一些節點可能只和部分節點相連。下圖是全連接Mesh 網絡的示意圖，圖中一共有 5 個節點，每個節點都能與其它節點直接相連。 

 

全連接的網絡往往很難實現，除非網絡的規模非常小。全連接的網絡隨着節點數目的增加很快變得非常複雜。對於有線方式的 Mesh 網絡，由於節點之間的連接電纜的數目非常多而複雜，

因此幾乎沒有實際應用。實際中，一個 Mesh 網絡中只有部分節點具有路由的功能，其它的節點作爲終端不具備路由的能力。下圖給出了三種不同的 Mesh 網絡的實例，綠色的節點是終端，

黃色的節點是路由器，紫色的節點是協調器用來將節點加入網絡或者移除網絡。

 

星型結構的 Mesh 網絡僅有一個路由器和多個終端組成。分類樹 Mesh 網絡中由多個能夠相互連接的路由器和掛接在每個路由器下的終端組成。Peer-to-Peer Mesh 網絡是完全對等的網絡，
所有的節點都有路由和終端的功能。有線網絡幾乎完全不可能是 Mesh 網絡拓撲，而無線網絡則很可能是 Mesh 網絡拓撲。相對於有線網絡，無線網絡有兩個重要不同點： 

• 由於無線信號的傳播性質，無線網絡把節點之間的多連接變成現實。而在有線網絡裏由於成本太高或者不容易布線等因素，把網絡中每兩個節點都用電纜相連幾乎是不可能的。
•  無線網絡節點之間的無線鏈路往往受到噪聲、干擾的影響，相對於有線網絡，無線鏈路具有不可預知性和不確定性 

 

正是因爲無線信道給了我們更多的自由度以及無線鏈路的不確定性才導致需要一種拓撲結構複雜、連接鏈路衆多的無線網絡 – Mesh 網絡。
無線 Mesh 網絡需要解決的一些難題：

• 無線鏈路的訪問 – 既然所有的節點都共享同一無線鏈路資源，對鏈路的監聽比發送更重要。如果有兩個以上的節點同時在發送就會產生報文碰撞，導致沒有節點都能正確接收。因此，無線 Mesh 網絡節點的鏈路層必須有很好的碰撞避免機制。
• 路由的發現 – 由於無線環境和網絡的拓撲在不停的變化，因此選擇無線 Mesh 網絡中節點間的路徑變得非常困難。通常的做法有兩個：提前選擇好整條路徑；或者每前進一步都重新選擇下一步的路由。通常是這兩個做法相結合，首先是每一步都選擇路由，在整條路徑建立完畢，就可以按照建立好的路徑進行傳輸數據。
• 應對環境的變化 – 在無線特別是移動的環境中，節點間的無線鏈路可能不斷的消失或者重新出現。無線 Mesh 網絡需要大量的路由的維護工作。
• 低功耗 – 由於採用無線的方式，節點往往沒有電源線，只能採用電池供電，因此需要有效的措施降低功耗。通常採用的電源管理的方法是在節點不工作的時候進入睡眠或者待機狀態。這個方式聽起來很好，但是節點在睡眠的時候無法接收也無法發送，需要解決節點睡醒的時間同步等問題 

 

比較準則
我們從可靠性、可裁剪性、吞吐量、功耗、安全性、以及成本去比較目前業內幾種不同的Mesh 網絡的綜合性能。
可靠性 – 報文能夠在規定時間內到達目的節點的概率。如果，所有的報文都能在規定的時間內到達目的節點，則是非常可靠的網絡。在實時性的要求不苛刻的情況下，報文能否到達目的節點可以作爲可靠性的度量依據。下面列出了評估無線 mesh 網絡的幾個因素：

• 頻率靈活度 – 對網絡周圍潛在的頻率干擾的檢測和避免的能力。 
• 報文丟失 – 報文在節點之間向前傳遞的過程中是否會有丟失的可能。網絡可以通過重建路由選擇別的路徑的方式去儘可能的避免報文的丟失，並且能夠丟棄通過不同路徑接收到的重復報文。
• 自愈性 – 用來描述網絡根據節點的位置變化和無線信道的不穩定因素去動態改變路由的能力，在路由變化同時能夠防止報文的丟失。
• 節點故障 – 網絡中的一些節點出現故障會對網絡造成怎麼樣的影響，怎樣去恢復網絡的功能。 

 

功耗 – 無線傳感網絡會經常被客戶問到的一個問題就是用設備用電池供電能夠工作多久？設備的功耗越低，系統的維護成本也就越低。Mesh 網絡中的設備類型可能有三種：終端、路由器
和協調器，設備的類型不同對功耗的要求也有所不同。一般來說會要求終端設備有最低的低功耗，這是因爲這些設備最有可能遠離市電。其次是路由器，對於採用電池供電或者能休眠的路
由器來說會增加網絡拓撲的不確定性。對功耗要求最低的是協調器，這些設備通常採用固定電源而不是電池供電。對於能休眠的節點需要計算平均功耗，需要關注醒來的頻率和醒來的時間，
以及射頻發射的時間和接受的時間。因爲，設備在射頻發射時往往消耗的功耗最大，因此有效降低射頻發射時間至關重要。 

 

可裁剪性 – 能有效支持多大規模的網絡。幾乎業內流行的 mesh 網絡技術都支持上萬節點的網絡，也有例外如 Z-Wave 僅支持 232 個節點。但實際應用中的網絡規模要小的多，這是因爲網
絡的規模跟實際應用和網絡的穩定性有很大的關係。如果一張 mesh 網絡不會遇到路由失效的問題，路由表項不需要去維護而且很有效率，也幾乎不會發生錯誤重傳的問題，這樣的穩定網
絡規模可以很大。可裁剪性還需要依賴網絡傳輸的數據類型和數據量，可以分爲 3 種數據類型：少量數據、突發數據和流數據。少量數據是指周期很長、數據量不大的周期性數據。流數據是
指不間斷的固定流量的數據。如果 mesh 網絡僅傳輸少量數據那麼網絡規模可以很大，而且對於節點能夠休眠的網絡也很容易處理。但是對於需要傳輸流數據的 mesh 網絡，網絡規模相對要小而且很難對節點的應用休眠機制。

 

吞吐量 – 這裏不去考慮網絡裁剪性等特性，僅考慮網絡的處理數據的能力。對於不同的應用需求其衡量標準也有所不同。例如對於實時、大數據量的應用和允許非實時、小數據量的應用的

衡量標準應該有所不同。網絡的吞吐量需要在 5 個方面進行折中考慮：數據速率、延時、包大小、分片機制和網絡規模。 

 

安全性 – 我們更多的考慮應用中的實際威脅，然而安全性更容易用一些傳統的參數去評估。首先是加密，用來保護信息本身，現在流行的加密算法是密匙最小長度爲 128-bit 的 AES128。
然後是認證，怎麼去驗證僞造的節點，典型的手段是通過密鑰的交換和數字證書。最後是授權，就是通過密鑰和數字證書的認證的結果決定是否給予權限。另外，還有其它與認證和授權相關
的參數。 

 

成本 – 成本包括幾個方面：設備成本、安裝成本和整個網絡的運營、維護成本。其中維護成本很難去衡量，最容易衡量的是每個節點設備的購買價格。對於支持休眠採用電池供電的設備來
說，情況會有些複雜。比如，有些 Mesh 網絡不支持路由器休眠僅支持終端休眠，需要通過部署不能休眠的路由器等設備來支持終端設備的休眠；另外一些 Mesh 網絡的終端具備路由的功
能而且能夠睡眠。即使所有終端、路由器等設備的價格相同，不支持路由器休眠的網絡所需的設備數量要遠大於支持路由器休眠的網絡。因此，整個網絡的設備成本不能單看每個終端設備的成本。 

 

幾種 Mesh 網絡簡介
點對多點
其實是一個簡單的星型網絡而不是一個真正的 Mesh 網絡，但經常被看作最簡單的 mesh 網絡。這種網絡的空口調製方式常見是跳頻擴頻和直接序列擴頻方式如 802.15.4。需要指定網絡的
PAN ID、路由和安全策略。終端節點都和中心路由節點進行通信，終端節點之間不直接通信。終端節點可以睡眠而中心路由節點不能睡眠。
典型的網絡結構如下圖所示，所有的節點都在相同的物理信道或者相同的跳頻信道。網絡的帶寬和吞吐量的瓶頸在於中心節點的並發能力。對於大數據量或者節點數目很多的網絡，空口報
文碰撞會很顯著，需要採用一定的分時、輪詢的機制來避免碰撞的發生。 

優點：最大的點對多點的網絡是簡單。由於沒有多跳和中級的問題，空口報文碰撞避免也可以用很多的方法解決，因此網絡傳輸的相對確定性好。由於沒有路由發現和路由的維護開銷，物
理帶寬可以達到很高的利用率。理解和管理起來很容易。對於特定的應用，由於協議很簡單，設備成本很低。

缺點：網絡的覆蓋範圍十分有限，網絡的規模小。網絡的抗干擾能力和自愈能力差。如果某個終端節點受到遮擋或者受到外界干擾不在中心路由節點有效空口覆蓋範圍之內，網絡沒有辦法
通過尋找新的路由等方式進行自我修復。 

 

 

ZigBee 2007
ZigBee 的物理層和鏈路層是基於 802.15.4 標準，用的是 2.4GHz 的 DSSS 調試方式。網絡有3 種設備組成：可以休眠的終端、不能休眠的路由器以及一個用於啓動和控制網絡的協調器組
成。ZigBee 標準有三個不同的版本：2004，2006 和 2007。其中 ZigBee 2004 不再使用，並且 ZigBee 2006 有很多的局限性。ZigBee 2007 引入了很多關鍵特性如：頻率跳變、消息分
片、密鑰的管理等。網絡的路由結構是之前提到的分簇樹型，路由的發現和維護工作由每簇的簇頭節點（路由器）來實現。終端節點之間不能直接通信，必須通過路由器中轉。網絡的路由
維護開銷小，但是網絡中需要大量的路由器。在路由器之間建立路由，路由協議採用 AODV 算法。
ZigBee 網絡由三種典型的設備組成。每個網絡需要一個 ZigBee 協調器（ZC – ZigbeeCoordinator）用來初始化整張網絡。網絡初始化完畢之後，協調器就轉變一個路由器。

ZigBee 路由器（ZR – ZigBee Router）是網絡的可選組件，沒有路由器的 ZigBee 網絡就完全變成之前提到的點對多點的網絡。路由器負責路由維護和數據報文的轉發工作。

最後是ZigBee 終端（ZED – ZigBee End Device），終端不參與路由不負責報文轉發，沒有任何的組網責任。ZigBee 網絡的組網示意圖如下： 

 

優點：由於終端節點沒有任何的組網責任，功耗可以很低。分簇樹型的網絡結構的大大節點間路由的數量，因此路由的效率很高。ZigBee 2007 允許按照一定的跳頻規則，在需要的時候能
夠從有干擾的信道切換到別的信道。由於支持報文的分片，因此能夠傳輸長度很長的數據報文。支持分佈式的密匙，網絡的安全性很好。最後，網絡的規模可以很大。

缺點：網絡中的路由器和協調器不能休眠，功耗是一個很大的問題。由於採用的是簇樹型的網絡結構，如果網絡拓撲結構發生改變，就會影響很多節點間的通信鏈路，新路由的發現和維護
期間網絡幾乎癱瘓。由於節點間的路由鏈路利用率不高，網絡的吞吐量不高，大數據量時報文的碰撞明顯，會有潛在的數據的丟失。最後，協調器需要啓動和管理整個網絡，如果協調器不
能工作，則就不能增加新的節點甚至網絡癱瘓。 

 

 

Wireless HART

Wireless HART 是由 Dust Networks 創建的採用時間同步的 Mesh 網絡協議（TSMP – TimeSynchronized Mesh Protocol）。與其它的網絡協議不同，該系統基於時間片鏈路層採用時

分的方式。整個網絡的所有節點都是路由器並且所有節點都能睡眠，是一個低功耗的網絡。節點的睡醒機制需要在時間片上嚴格同步，網絡需要一個網關來負責整個網絡的時間同步。和

ZigBee 一樣，該協議基於 802.15.4 DSSS，但是增加了一個更精確的跳頻算法。安全策略包括加密和授權。

 

下圖是 Wireless HART 網絡的典型的網絡拓撲結構，所有的節點都是路由器。路由根據在不同時間片內和不同的跳頻信道能看到的不同節點動態改變。兩個節點之間會動態協商一個時間片

進行通信，因此就會降低報文碰撞的可能性。當節點睡眠的時候，會在屬於自己的時間片內醒來去監聽有沒有傳輸的任務。節點的時鐘由網關保持同步。

優點：每個節點都有路由的能力而且功耗非常低，大部分時間都處在監聽狀態。報文的傳輸都在分配好的時間片內完成，採用跳頻技術降低了衝突的發生，因此會大大降低報文的碰撞和重
傳。每個消息都有 ACK，通訊的可靠性高。網絡的規模可以達到 1000 個節點左右。安全策略包括加密和授權。

缺點：由於採用時間分片的方式，傳輸延時很長和確定性。需要很長的時間進行網絡的初始化，所有的節點都必須協商自己的時間片。由於劃分了時間片，可用的 802.15.4 的物理帶寬被切分，
因此網絡的吞吐量很低，尤其在網絡中有突發數據流量的情況下。一個上電的網關必須要時刻都能正常工作，如果網關不能工作那麼整個網絡在一個時間片周期之後便會癱瘓。最後，和其
它的 Mesh 網絡相比設備成本非常昂貴。 

 

 

6LoWPAN

6LoWPAN 是低功耗無線個人局域網的 IPv6 版本的縮寫。目前這只是一個基於 IETF RCF4944 的提案，也是基於 802.15.4 的芯片和射頻。和傳統的 IPv6 不同，6LoWPAN 的最大傳
輸報文大小隻有 128 字節而不是 IPv6 標準的 1280 字節，以便能用在內存有限的低廉設備中。到今天爲止，還只是一個點對多點的系統，但基於 Mesh 路由的草案正在討論之中。 

下圖是 6LoWPAN 組網的拓撲圖，這樣到現在爲止還是點對多點的結構。與別的網絡拓撲圖不同，這張圖顯示的是從宿主計算機到終端設備的端到端的基於 IP 的連接。終端設備的 IP 地址
由網絡遠端的宿主計算機分配。圖中終端設備的網關提供在數據鏈路層的協議轉換和報文的拆裝。 

優點：可以支持現有的廣泛流行的 TCP/IP 協議，能夠利用 IETF 現有的協議組、QoS 和網絡安全相關的架構。因此，能夠無縫地路由 Internet IP 報文。
缺點：系統非常新目前只是一個草案。因爲目前還在公衆評審階段，將來可能會有很多的變化。事實上，Mesh 路由工作組目前正處在組建階段，因此該協議被廣泛應用前還有很長一段路要
走。因此，能與 Internet 互聯目前只是個構思，還沒有證明其可能性。由於該協議還不成熟，目前還沒有相關的產品問世，估計產品的價格不會便宜。 

 

 

DigiMesh
和 Wireless HART 很相似，DigiMesh 也是爲低功耗的傳感器網絡所設計的，每個節點都具備路由功能且都可以用電池供電。DigiMesh 可以工作在多個頻段如 2.4GHz DSSS 和 900MHz
FHSS。該協議在 2.4GHz DSSS 頻段工作時並不完全遵循 802.15.4 的物理層和數據鏈路層的標準。路由協議採用類似 AODV 算法，路由表在需要時才被建立，網絡的拓撲結構是 Peerto-Peer mesh 而不是 ZigBee 網絡的分簇樹結構。所有的節點的地位都是平等的，每個節點都可以具備路由的能力並且都可以睡眠。碰撞避免採用的是時間同步的 CSMA 算法。有安全策略。
DigiMesh 的網絡拓撲結構如下圖所示，爲典型的 Ad Hoc 網絡結構。DigiMesh 的路由只有在需要時才去建立，而不像 ZigBee 網絡中的路由器之間的路由是時刻被維護的。DigiMesh
網絡中不是使用的路由不會佔據路由表項，路由在每次使用時都會進行更新。DigiMesh 爲了支持休眠節點之間的睡醒時間片必須進行同步，節點間的時間同步有專門的節點向全網廣播同
步報文來實現。爲了實現自治的目的，負責時間同步的節點並不是協調器或者網關來完成，由提名機制在網絡節點中選舉產生。 

優點：每個節點都具備路由能力並且都可以休眠。每個報文的轉發都採用 ACK 應答的方式保證系統的可靠性。路由僅在需要時才去建立，因此系統不會被沒有必要的路由發現工作佔據太多
的帶寬。支持頻率的跳變和安全機制加密和鑑權。支持報文分片。

缺點：低功耗就意味着響應時間慢和不確定性。雖然系統的瞬時吞吐量不受時間片的限制，但是會影響路由的發現。網絡規模最多能支持 500 個節點左右的網絡，對於傳輸的數據量小數據流變化小的網絡支持的規模會大一些。 

 

 

Z-Wave
Z-Wave 是針對家居自動化應用定制的 Mesh 網絡協議，射頻採用 FSK 調製方式，波特率爲9.6Kbps 或者 40kbps，發射功率最大爲 0dBm，工作頻率爲 868.42MHz 或 908.42MHz，鏈
路層有碰撞避免機制。Z-Wave 網絡節點數目最多爲 232 個，每個控制節點都有唯一的 4 字節網絡地址，Z-Wave 網絡會爲每個組網設備動態分配 1 字節的節點地址。設備類型大致分爲控
制節點和受控節點兩種，支持休眠節點和可移動節點。對休眠的支持採用異步模式，節點間不需要同步時間片。支持單播、多播和廣播，其中單播是可靠的而多播和廣播是不可靠的。
Z-Wave 網絡拓下圖所示的 Ad Hoc 網絡。Z-Wave 網絡中控制節點擁有全網的拓撲結構並計算路由，受控節點不能自己計算路由但具有報文轉發的能力。Z-Wave 採用“源路由”的路由
方式，控制節點在發送命令時根據全網路由表計算出一條最佳路徑，並將路由信息內嵌在命令報文中一起發送。Z-Wave 網路有可以有多個控制節點但只能有一個主控節點，只有主控節點有添加和刪除網絡設備、分配網絡地址的權利。 

優點：每個節點有轉發功能，支持休眠和移動的控制節點。報文的轉發採用 ACK 應答的方式保證系統的可靠性。休眠爲異步模式，休眠節點不需要進行時間片同步。
缺點：網絡規模很小，最大支持 232 個節點的網絡。應用領域狹窄，主要針對家居自動化應用，報文長度很短用來發送命令信息。工作方式簡單，控制節點和受控節點之間主要以應答模式爲
主。網絡需要一個主控節點作爲網絡的中心節點，負責網絡節點的地址分配和網絡拓撲結構。如果主控節點不能工作，網絡就會癱瘓需要重新初始化網絡才能正常工作，而網絡初始化需要
相當長時間。另外雖然支持可移動的控制節點，這裏移動其實是便攜的意思與移動自組網是完全不同的概念。 

 

WaveMesh
WaveMesh 是爲低功耗、低成本的 MANET（Mobile Ad-Hoc Network 移動自組網絡）所設計的 Peer-to-Peer Mesh 網絡協議。與其它的 Mesh 網絡協議不同，WaveMesh 是唯一能夠
有效支持節點快速移動的網絡，數據流能夠在節點移動過程中無縫地在不同的路徑之間切換。WaveMesh 物理層可以採用不同調製方式和不同頻段，鏈路層採用先進的碰撞避免算法，能
夠自動信道跳變和速率自適應，網絡層採用私有路由協議 OLDM（On-demand Light-weightDynamic Multipath）。WaveMesh 是一個完全分佈式的網絡，所有節點的地位都是平等的，
沒有中心節點，所有節點都夠休眠，都具備路由能力。
WaveMesh 網絡拓撲結構如下圖所示，路由協議 OLDM 是多徑路由協議，每個節點都會維護到其它節點儘可能多的路由，網絡節點間的路由數量要遠遠大於其它的 Mesh 網絡。節點能夠
實時感知拓撲結構的變化，在現有路由失效之前主動發現的新路由，能夠支持快速移動的網絡。對休眠的支持有兩種模式：同步模式和異步模式，兩種模式可以靈活切換以適應不同的應用需
求。支持上萬節點的超大規模網絡，不需要網絡初始化過程，即插即用。網絡層和物理層有智能的並行機制，網絡吞吐量比其它網絡高很多倍。支持單播、多播和廣播，其中單播是可靠的
而多播和廣播是不可靠的。 

 

優點：支持快速移動的網絡，完全分佈式的 Mesh 網絡，每個節點都具備路由能力並且都可以休眠。節點能感知網絡拓撲結構並計算路由，採用私有的 OLDM 多徑路由協議和並行機制保
證了路由的健壯性和高吞吐量。報文的轉發採用 ACK 應答的方式保證了可靠性。組網速度快，不需要進行網絡初始化，網絡規模大，支持頻率跳變、速率自適應和安全機制。休眠節點可以
工作在同步模式或者異步模式，並且在兩種模式下靈活轉換，採用特有的 MAC 層全網喚醒技術進行時間片的同步。另外產品價格低廉、應用領域非常廣泛。 

缺點：低功耗就意味着響應時間慢和不確定性。

 

節點休眠技術簡介
一些應用要求無線 Mesh 網絡節點使用電池供電能正常工作很多年，對節點的功耗要求十分苛刻。上述的 Wireless HART、DigiMesh 和 WaveMesh 網絡全部節點都可以休眠並且都具備
路由功能。Z-wave 網絡也能支持部分節點休眠並且具有報文轉發能力。ZigBee 網絡的終端節點也具備休眠的能力但不具備報文轉發和路由的能力。在這裏對不同的 Mesh 網絡所採用的休
眠技術進行簡單介紹。
ZigBee 2007
終端設備是 ZigBee 網絡中唯一能都休眠的設備，由於終端設備在休眠的時候不能接收到無線信號，因此需要路由器或者協調器爲終端設備緩存數據報文。當終端設備加入網絡時，必須要
選擇一個路由器或者協調器作爲父節點組成父子關係。當終端設備醒來時會主動向自己的父節點詢問是否緩存了屬於自己的數據報文，父節點在收到請求後會向終端節點返回 MAC 層的
ACK 報文告訴終端是否有緩存報文。當終端節點被告知沒有緩存的數據報文時，終端可以再次進入休眠或者待機模式。如果有緩存的數據報文，則終端繼續處於工作模式接收和處理屬於自
己的報文。這種終端輪訓的機制可以使終端在沒有數據傳輸的情況下有效地減少功耗。終端設備只能與自己的父節點進行通信，無論是單播還是廣播報文終端都轉發給其父節點，有父節點
代表終端進行路由查找和報文的轉發。
由於父節點的內存空間有限，緩存報文和路由信息很有可能會耗盡父節點的內存。ZigBee 引入超時機制，如果超時發生父節點會刪除緩存的報文甚至刪除與子節點的父子關係，不同類型
的報文可以有不同的超時時間。從這個角度來看，ZigBee 協議的 MAC 層並不能保證可靠性。

 

ZIGBEE 3.0

特性：

• 支持多種網絡拓撲，比如點對點，點對多點，自組網；
• 低工作佔空比能力，提供長電池供電的可能；
• 低延遲；
• 採用DSSS擴頻技術；
• 每個網絡最高可支持65,000節點
• 128-bit AES 加密
• 碰撞避免，重試和應答確認

 

ZigBee標準體系內各種標準的統一，拉開了ZigBee聯盟統一ZigBee標準的序幕。簡單說，ZigBee聯盟將不再針對家庭自動化、智能建築、能源管理等細分領域，在ZigBee標準的基礎上發展不同的標準，而是全部統一爲ZigBee3.0，如此以來，爲基於ZigBee標準的家庭自動化、智能照明等設備互聯互通奠定基礎。

一是網絡層的標準化，基於IEEE 802.15.4標準，工作頻率爲2.4 GHz（全球通用頻率），使用ZigBee PRO網絡；二是應用層的標準化，定義網絡和設備運行之間的一切連接方式，使不同供應商的設備可以無縫協作。

 

ZigBee 3.0軟件棧集成了一個“基礎設備”，它爲配置節點加入到網絡提供一致的行爲。它提供了一套通用的配置方法，包括Touchlink，一種通過鄰近節點的配置入網的方法。

 

ZigBee 3.0增強了網絡的安全特性，有兩種安全的方法來生成網絡： 集中式安全入網:這種方法採用協調器/信任中心來生成網絡，管理網絡資源和連接密鑰。 分佈式安全入網：這種方法沒有協調器/信任中心，它通過路由節點爲其它節點提供入網密鑰。 Zigbee 3.0支持越來越多和越大的網絡， ZigBee網絡有強大的自愈能力能應對各種場景的變化。ZigBee具有向前兼容能力， ZLL 1.0和ZHA 1.2已經支持ZigBee 3.0。ZigBee smart energy在功能上兼容zigBee 3.0，但它有額外的安全要求僅在這個profile中處理。

Wireless HART （SmartMesh WireLess HART ）

Wireless HART 使用時分多址（TDMA）技術來協調設備間的通信，TDMA 數據鏈路層指定了在設備之間建立鏈路連接並進行通信的時間片和信道頻率。採用“超級幀”周期性地對設備間
的鏈路信息進行管理和廣播。可以允許多個不同周期的“超級幀”同時存在，以滿足周期性和非周期性的傳輸需要。節點間的鏈路可以被某個實時性要求高的應用專用，也可以被很多應用
共享物理帶寬。時間被劃分爲 10ms 爲單位的時間片，所有節點的時間片完全同步的。時間片是進行數據傳輸的基本間隔單位，可以在一個時間片進行多次數據交換。數據收發必須在一個 

時間片內結束，如果一塊數據不能在一個時間片內發送完畢，則需要被分片以便在多個時間片分別傳輸。節點在不同的時間內可以處於不同的狀態：發送、接收和空閒，在空閒狀態的時間
片內節點可以休眠。
由數據鏈路協議數據單元（DLPDU）和帶有時間信息的 ACK 報文連續進行全網 TDMA 的時間片的同步。最開始，節點剛加入網絡並不知道當前時間，可以通過接收到 DLPDU 報文的時間
計算出下一時間片的起始時間。當節點再接收到 DLPDU 報文時會比較自己與發送節點的時間差，接收節點會在相應的 ACK 報文中添加時間調整信息。接收到 ACK 報文的節點需要根據報
文中的時間信息調整時間片。網絡的每個節點都需要指定一個節點作爲時間源獲得時間同步信息。在時間片同步失效的情況下，節點採用過採樣的方法把將時間片長度縮短爲正常值的 1/2-
1/10 以減小重新同步的時間。  

DigiMesh
DigiMesh 網絡是周期性的休眠網絡，所有節點按照同步的方式在同一時刻進行睡眠和醒來。由睡眠協調器節點向全網廣播同步報文實現時間片的同步，睡眠協調器在每個醒來時間片開始
時刻發送一個同步報文，收到同步報文的節點對該報文進行中繼實現全網廣播。爲了實現網絡的自治目的，睡眠協調器由網絡中的普通節點採用“提名和選擇”的方式產生。DigiMesh 支
持三種休眠模式，正常模式、周期睡眠模式和睡眠支持模式，其中正常模式和睡眠支持模式並不能睡眠，而且正常模式節點不能和周期睡眠模式、睡眠支持模式節點混合組網。
同步報文包含本次睡醒周期的醒、睡時間長度，因此 DigiMesh 的睡醒時間片可以變化。新上電的節點會一直不停監聽網絡直到接收到一個同步報文，實現與網絡的同步。同步失效節點會
主動減少在醒來時間片內發送報文並且增加醒來時間片的長度，還可以主動發送報文請求同步報文，但這樣做會大大降低電池的續航能力。另外，改變睡醒時間片的參數會大大增加節點同
步失敗的可能，對於最壞情況節點可以需要很長的時間才能重新同步。

Z-Wave
Z-Wave 在 ZDN5.0 版本後開始支持特定類型的休眠節點，但不是全部的節點都能休眠，休眠節點的時間片是異步模式。節點的睡醒時間點不需要進行同步，但節點的時間片是固定的長度，
間隔爲 250ms 或者 1s。對休眠節點的喚醒採用延長物理層報文特殊前導信號的方式，休眠節點會在休眠周期結束之後自動醒來很短暫的時間間隙監聽網絡，如果檢測到特殊的前導報文則
會推遲睡眠進行報文的接收和處理。喚醒休眠節點的特殊前導稱之爲 beam，其持續時間需要大於或者等於休眠節點的休眠周期。Beam 的結構如下圖所示：  

Beam 方式喚醒的最壞情況發生在接收節點醒來剛好收到第一個 beam 的分片，接收節點就必須等待很長的時間直到 beam 結束。爲了減少接收節點不必要的等待時間達到節電的目的，每
個 beam 分片都攜帶者剩餘 beam 分片數目，接收節點可以重新進入短暫的休眠並在 beam結束前重新醒來接收之後的報文。這就要求 Z-Wave 節點有高精度的時鍾並且對芯片物理層的
能力有較高的要求。由於 Beam 的持續時間是固定的，休眠節點間的睡醒時間片同步的越好Beam 喚醒所帶來的系統時延就越大。

 

WaveMesh
WaveMesh 網絡節點的休眠有同步和異步兩種模式，不同模式有各自的適用場景，而且兩種模式可以隨時轉換。WaveMesh 支持不休眠節點和休眠節點混合組網。
同步模式下，網絡中節點的睡醒時間片是嚴格同步的，時間片的同步由網關或者指定節點向全網廣播同步報文實現。同步報文在醒來時間片的結束時而不是在開始時進行發送，同步報文指
定點本次休眠時間片的長度而不指定下次醒來時間片的長度。WaveMesh 網絡不去假設和預測當前網絡的負荷，網絡中若沒有數據傳輸時便可以立即進入休眠而不需要等待某個預定的時
間片結束，也不去限制網絡中數據傳輸必須在某個時間點結束。同步模式下節點休眠時間片和醒來時間片的長度是動態變化的。
異步模式下節點睡醒周期是固定的，但節點睡醒的時間點不需要進行同步，節點的睡醒周期長度可以根據需要設定。WaveMesh 網絡採用特殊的 MAC 全網異步喚醒技術，對整個網絡每個
節點的時間片進行同步，從異步模式轉變成同步模式。全網異步喚醒技術最大的特點是喚醒速度快，喚醒所用的時間幾乎是確定的，和網絡節點密度以及網絡的規模沒有太大關係。對於單
播來說，僅需要對於單點進行喚醒， WaveMesh 採用重復發送短喚醒報文的方式。與 ZWave 的 Beam 喚醒方法相比，WaveMesh 降低了對射頻芯片物理層的要求同時大大縮短了
喚醒時間。當不同節點的時間片同步的很好時，喚醒帶來的時延就可以忽略。
同、異步模式對於節點來說沒有本質的區別，都是按照時間片進行周期性睡醒。新上電的節點默認爲異步模式。異步模式下的節點在接收到同步報文時會自動校準自己的時間片變成同步模

式，這種同步方式速度慢並且有不確性，在必要時可以採用全網異步喚醒機制實現網絡所有節點的快速同步。爲了降低功耗，同步模式節點如果在接收時間同步報文超時會自動切換爲異步模式。  

 

 

SmartMesh IP

ADI公司的SmartMesh® IP產品爲無線芯片和預認證的PCB模塊，集成了立即可部署的無線mesh網絡軟件。它們面向IP兼容性而構建且基於6LoWPAN和802.15.4e標準。SmartMesh IP產品線支持低功耗，即使在惡劣和不斷變化的RF環境中，也能提供99.999%以上的數據可靠性。（參考鏈接：https://www.cnblogs.com/leime/p/9435239.html）

其本質協議還是WirelessHart技術。

SmartMesh IP 網絡拓撲結構

SmartMesh IP 網絡由高度可擴展的自成形多躍點無線節點網格和網絡管理器構成，無線節點稱爲智能微塵，用於收集和中繼數據；網絡管理器用於監控和管理網絡性能和安全，並與主機應用程序交換數據。

 

圖4 網絡拓撲結構

除了常見的“網格模式”外，SmartMesh IP 還支持一種稱爲閃爍模式的超低功耗漫遊節點功能。

 

 

SmartMesh IP 智能微塵

SmartMesh IP 智能微塵是 SmartMesh IP 網絡中的無線節點。它們連接到傳感器/致動器並路由來自其他智能微塵的數據，同時保持低功耗。

每個智能微塵都可以發送和接收消息（支持雙向數據）。每個智能微塵可以有不同的數據報告速率，網絡管理器會自動協調各個成對通信以便高效地路由流量。

每個智能微塵可以有不同的供電能力（例如線路電源、電池電源或能量收集電源）。網絡管理器會相應地對流量進行負載平衡以便將時間延長至網絡的第一次電池更換。

 

 

 

SmartMesh IP 網絡管理器

SmartMesh IP 網絡管理器針對網狀網絡執行兩種主要功能。首先，它們充當接入點微塵，將無線網狀網絡連接到客戶主機應用。其次，網絡管理器運行復雜的網絡管理算法以保持網絡的性能。

SmartMesh IP 網絡管理器具有兩種版本：EManager（支持多達 100 個智能微塵，可以運行於嵌入式設備上）、VManager（支持多達 50,000 個智能微塵，運行於 x86 虛擬機 (VM) 上運行）

 

 

藍牙Mesh

藍牙mesh並非無線通信技術，而是一種網絡技術。藍牙mesh網絡依賴於低功耗藍牙。低功耗藍牙技術是藍牙mesh使用的無線通信協議棧。

藍牙Mesh採用ble低功耗藍牙廣播的方式就行信息發送和接受，將信息從網絡當中的某一個節點轉發至目的節點，在藍牙mesh組網中，這種廣播模式也稱爲網絡泛洪。

採用網絡泛洪的方式，通過可控的泛洪消息傳遞，不需要創建和管理複雜的路由表、路由發現表等，節省了維護網絡運行的存儲器空間的開銷。同時，網絡泛洪消息傳播的本質是多路徑（Multi path）的，確保了信息可以通過多條路徑傳遞到目的節點，因此網絡中任何一個單點的故障也不會對網絡傳輸造成致命性的影響，這使得網絡高度可靠。

 

特點

 

• 單播、組播和廣播：藍牙網狀網絡支持單播、廣播和組播，以支持單一節點、組或整個網絡的通訊需要；
• 多路徑：藍牙網狀網絡通過繼電功能來發送有管理廣播信息，以提供多路徑傳送消息管理信息氾濫的問題；
• 消息存活時間（TTL）：TTL用於所有藍牙網狀網絡消息，以控制消息將被中繼時的彈跳(hop)數；
• 消息緩存：消息緩存由所有節點執行，用於防止最新接收的消息再次被傳輸；
• 中繼具選擇功能：不是所有的節點都需要執行中繼功能。

 

    

網絡拓撲

中繼功能：可中繼信息，擴展藍牙網狀網絡的範圍和規模，屬於選項功能

低功耗功能：休眠和輪詢(polling)朋友節點訊息,輪詢間隔時間可從毫秒到4天

朋友功能：可執行消息緩存(cache)的附加功能，以支持低功耗節點

代理功能：可啓用藍牙網狀網絡和GATT設備之間的訊息代理功能

 

低功耗節點和Friend節點

在藍牙Mesh網絡中，低功耗節點可以通過減少射頻收發機（RF transceiver）開啓的佔空比來達到低功耗的目的，這些低功耗節點只有在需要進行消息收發的時候纔會打開射頻收發器，其他時間都處於休眠狀態。

在藍牙Mesh網絡中還有一類節點是專門爲低功耗節點服務的，其具有Friend特性，也可以稱爲Friend節點。Friend節點與低功耗節點可以建立Friendship關係。建立此種關係之後，Friend節點可以暫存發往低功耗節點的信息，待低功耗節點退出休眠模式之後，再從Friend節點取回相關信息。

在實際應用中，Friend節點可以是燈泡、機頂盒、路由器，這些設備都是通過市電供電的，對於功耗不是很敏感；低功耗節點可以是由電池供電的設備，如傳感器等。

 

基於低功耗藍牙mesh模塊SKB369，功耗極低！

 

 

Thread 協議

 

現在，三星、Nest、ARM又聯手推出了一種新的協議Thread。不知道Thread會加速行業統一標準形成，還是讓原本已經夠亂的通信協議更加“剪不斷、理還亂”。

現在比較常用的網絡協議有WiFi、藍牙、ZigBee、Z-Wave，不過都有不足：

• WiFi的功耗比較大，適合傳輸大量的數據；
• 藍牙功耗比較低，但現在還存在藍牙2.0與藍牙4.0並存的混亂局面，且不支持IPv6（藍牙版本4.1以下）；
• ZigBee佈線比較複雜，更適合商用；
• Z-Wave由丹麥公司Zensys主導，暫時還沒有ZigBee聯盟強大。

不少大公司都在呼籲、倡導建立一個新的或者統一的新標準，這其中就包括了半導體生產商Freescale（飛思卡爾）、混合信號器生產商 Silicon Labs。

這次三星、ARM、Nest三家公司，強強聯手，推出Thread，改進了上述協議中的不足，通過6LoWPAN技術支持 IPv6 。Thread可支持250個以上設備同時聯網，能夠覆蓋到家中所有的燈泡、開關、傳感器和智能設備。優化了功耗，超低能耗，設備可以運行數年。此外，Thread是基於ZigBee的，也就是說原有的ZigBee設備只需更新軟件即可兼容Thread。綜合來看，Thread很可能像Homekit、高通的 開源框架AllJoyn一樣，是一種在頂層工作的頂層架構。

 

 

 

 

比較結果
採用在本文之前描述的比較準則對幾種不同 mesh 網絡做出儘可能準確的比較結果。 

 

比較範疇	點對多點	ZigBee 2007 Pro （1.0協議）	Zigbee 2016  （3.0協議）	Wireless HART	6LoWPAN	DigiMesh	Z-Wave	WaveMesh	SmartMesh IP	藍牙Mesh	Thread
可靠性 -跳頻機制 -丟包率 -自適應性	★★	★★★		★★★★	★★★	★★★	★★★	★★★★	★★★★	★★★	★★★★
電源管理 -休眠策略 -節點功耗	★★	★★		★★★	N/A	★★★	★★	★★★★	★★★	★★★★	★★
可裁剪性 -網絡規模 -路由開銷 -覆蓋範圍	★	★★★★		★★★	N/A	★★	★	★★★★	★★★	★★★★	★★★★
吞吐量 -數據速率 -並行機制 -延時	★★★★	★★		★	N/A	★	★	★★★★	★	★★★	★★★★
安全 -加密 -認證 -授權	★★★	★★★★		★★★	★★★★	★★★	★★★	★★★	★★★	★★★★	★★★★
成本 -芯片成本 -維護成本	★★★★	★★★		★	★★	★★★	★★★	★★★★	★	★★★★	★★

 

最終選擇比較

 

對於可靠性來說，點對多點和 Z-Wave 系統的弱點來自於中心節點，中心節點壞掉整個網絡癱瘓。有些系統定義了頻率跳變，在 ZigBee 2007 之前的版本沒有頻率跳錶機制，在 2007 版本
引入了頻率跳變和報文分片機制。對於 Wireless HART 和 WaveMesh 網絡從設計的角度來說，網絡不會丟棄任何報文，因此可靠性比較高。而 ZigBee 和 DigiMesh 網絡的報文有被丟棄的
可能。對 6LoWPAN 可靠性的評估是基於現有的 TCP/IP 協議族。
對於電源管理能力，Wireless HART、DigiMesh 和 WaveMesh 都能支持全部節點包括路由節點在內都能進行休眠，相比較之下 WaveMesh 的休眠技術比較靈活。ZigBee 和 Z-Wave
只能支持部分節點休眠：ZigBee 的終端設備可以休眠；Z-Wave 網絡中傳感器類設備可以休眠。對點對多點系統的評估參考了 Wi-Fi 和 Bluetooth 網絡的電池的續航能力。 

 

可裁剪性主要評估網絡能支持多大的規模而且還能夠有效低工作。ZigBee 2007 Pro 的分類樹網絡拓撲可以支持幾萬節點規模的網絡，路由僅在路由器之間建立，路由的維護開銷小。
WaveMesh 採用完全分佈式的 peer-to-peer Mesh 拓撲結構可以支持幾萬點的網絡規模，並且採用私有 OLDM 路由協議，路由開銷很小。對於 Wireless HART 和 DigiMesh 網絡可以支
持幾百點的規模，網絡規模再變大網絡性能就會迅速降低。Z-Wave 只能支持最多 232 節點的網絡規模。點與多點網路顯然在這方面是最差的，所有節點必須在中心節點的無線信號覆蓋範圍之內。 

 

吞吐量用來評估網絡處理數據的能力。點對多點的系統網絡拓撲十分簡單，具有確定的時延和高吞吐量。WaveMesh 網絡在物理層和網絡層有高度並行的機制，吞吐量比其它的 Mesh 網
絡高出很多倍甚至遠遠大於點對多點網絡。WaveMesh 網絡支持節點休眠，儘管休眠在一定程度上帶會來延時，但有特殊的全網喚醒機制能在必要時可以在很短時間內喚醒全網。
Wireless HART、DigiMesh 和 Z-Wave 系統爲了支持節點休眠卻犧牲了網絡的吞吐量並且增加了傳輸時延。對於 ZigBee 來說由於路由器不能休眠，路由器之間的鏈路相對穩定減少了系
統的處理延時，但是 ZigBee 分簇樹狀網絡拓撲結構路由器之間物理帶寬要在很多終端節點間共享，這就大大降低了網絡的吞吐量。
對於安全性，上述的幾種 mesh 網絡都是加密、認證和授權機制，基於 AES-128bits 的加密算法。ZigBee 和 6LoWPAN 系統的安全性比較靈活、協議詳細並且易於實現。
對於成本，主要從硬件成本如芯片的價格和軟件成本如開發和維護費用兩個角度來考慮。點對多點和 WaveMesh 系統芯片選擇非常靈活，市場上的芯片資源比較豐富；另外這兩個系統的
軟件實現也相對簡單一些，維護成本也最低。ZigBee、DigiMesh 和 Z-Wave 協議規定了物理層需要選擇特定的芯片，成本稍高一些。而 Wireless HART 的芯片供貨商少，其價格是別的網
絡的 10 倍左右。對 6LoWPAN 成本估計主要根據 TCP/IP 協議棧的複雜度對內存容量和處理器能力的要求等。 

 

總結
我們介紹了幾種不同拓撲結構的無線網絡基礎並給出 Mesh 網絡的評估方法，之後就幾種不同的 Mesh 網絡做了介紹，並根據我們給出評估方法對這幾種 Mesh 網絡進行了比較客觀的比較。
由於很難有統一的尺度去衡量不同的 Mesh 網絡，不同的網絡也有自己獨特的優勢。實際應用中只能根據自己的實際需要多種因素綜合考慮，選擇能滿足需要的最佳網絡。不能否認，在不同的評估準則之間會有一個灰色地帶，比如功耗、可靠性和吞吐量之間的權衡。隨着市場和技術的發展，將來的比較結果可能會和本文中現在所得出的比較結果迥然不同。

 

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