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本帖最后由 米DD 于 2016-9-13 17:26 编辑
摘要：WaveMesh是一种先进的针对由电池供电的移动无线设备设计的点到点的网状（mesh）网络协议。该网络协议支持很多先进的特性：所有节点都能够睡眠；所有节点地位都是平等的，网络结构简单；支持密度高、规模大、拓扑结构变化快的网络；优异的网络性能；易于部署；可裁剪性好；自愈性好。WaveMesh可以应用在全部网络节点都电池供电的网络如AMR/AMI、无线传感器网络等，而克服了其他的网状网络协议如ZigBee要求部分节点（协调器和路由器）不能睡眠的限制。
ZigBee是目前比较流行的网状网络协议。ZigBee是针对于低数据速率，低功耗的应用。ZigBee网络中的设备是分级的，有协调器、路由器和终端设备组成。路由器设备和终端设备有如父母-子女的关系。路由只在路由器之间建立；路由器负责终端的数据转发和协调的工作；节点之间不能直接通讯，必须通过路由器进行转发；只有终端节点才能够睡眠，协调器和路由器不能睡眠因此不能够用电池供电。
WaveMesh网络中的设备都是平等的，所有的节点都能够进入睡眠状态，因此所有节点都可以由电池供电。WaveMesh网络中每个设备都兼作路由器和终端节点，因此要比ZigBee网络拥有更好的网络性能：更稳定灵活的路由选择和更快的网络吞吐量。单一的网络设备结构使得WaveMesh比ZigBee更容易安装、可裁剪性更好、应用更广泛。另外，对于只能采用电池供电或者关注节电的应用苛刻场合比如无线传感器网络、民用无线抄表AMR等系统，WaveMesh比ZigBee更加适合。
网状（Mesh）网络是一种有效的数据路由转发方式：通过多跳的方式可以将无线链路的覆盖范围大大增加；网状网络的路由协议都具备“自愈”的特性使得网络的稳定性增加，当路由或链路失效时会进行路由的修复，寻找另外可替换的路由建立新的连接；没有特定的网络组织结构，部署起来比较灵活。
WaveMesh网络协议定义了链路层（MAC - Medium Access Control Layer）和网络层（NWK - Network Layer）的协议规范。对物理层（PHY - Physical Layer）没有做要求，事实上WaveMesh网络协议MAC层可以工作在各种各样的物理层信号的调制方式如：FSK、FHSS、DSSS、OFDM、MIMO等。这也使得WaveMesh网络协议能够灵活地应用到各种各样的无线设备上。
WaveMesh网络协议链路层的关键技术
链路层协议对于移动无线自组网（MANETs – Mobile Ad Hoc Networks）的性能非常重要。链路层协议定义了移动节点怎么有效的共同使用有限的无线带宽。对于无线移动自组网来说链路层协议需要可虑以下性能指标：
1. 吞吐量和延时
2. 公平性
3. 效率
无线自组网链路层需要解决的问题
对于MANET来说，无线信号在共享的传输介质中是以广播方式的传输数据，因此不可避免的带来报文的碰撞和无线媒介的抢占。另外，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。主要的问题有隐终端和暴露终端的问题。 隐终端问题发生在当两个或者以上的节点如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。
暴露终端问题如上图所示，假设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。
链路层协议的分类
链路层协议的分类树如上图所示，首先可以分为无竞争(Contention Free)和基于竞争(Contention Based)的俩大类。无竞争型的协议有时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)和频分多址(FDMA)等方式。无竞争型主要应用在有中心节点的星型网络拓扑结构如GSM网络等。基于竞争的链路协议包括两个范畴：随机尝试协议（Random Access Protocols）和动态预定-碰撞判决协议（Dynamic Reservation–Collision Resolution Protocols）。
随机尝试的算法如ALOHA，节点可以在检测到信道空闲是立即发送信号。ALOHA不适合密集的网络，而且系统的吞吐量低。
动态预定-碰撞判决协议是为了解决传统的CSMA算法不能解决的“隐终端”和“暴露终端”问题。一些算法采用RTS/CTS （request-to-send/clear-to-send）试图避免碰撞，如MACA（multiple access collision avoidance）和MACAW（MACA for wireless LANs）。对于RTS/CTS怎样解决“隐终端”和“暴露终端”问题请参考:
http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_802.11_RTS/CTS。
WaveMesh链路层协议采用的技术
WaveMesh链路层采用了类似于多通道MACAW方式。算法的握手过程分为5步：RTS-CTS-DS-DATA-ACK。WaveMesh链路层需要至少两个信道：一个控制信道和一个到多个数据信道。其中RTS、CTS和DS报文在控制信道发送，而DATA和ACK报文在数据信道发送。
由于WaveMesh网络是一个纯平面的网络结构，节点的地位是均等的，因此节点之间没有时间同步机制，在控制信到报文碰撞的可能性非常大。RTS和CTS的报文均采用CSMA/CA加上backoff机制。对CTS也采用CSMA/CA加上Back off机制是WaveMesh链路层的特点。WaveMesh的RTS/CTS的backoff机制同时考虑到了竞争公平性、性能问题。
WaveMesh链路层在RTS和CTS之后增加了DS报文，DS报文可以确定之前的RTS/CTS握手的成功，还可以利用DS报文实现很多功能如：选择数据信道号、交换密匙等等。WaveMesh网络的很多特性可以容易的利用DS报文实现。在数据报文DATA会有ACK的确认信号，这保证了WaveMesh网络中的每个数据报文都能正确无误的传输。
WaveMesh链路层采用了多信道的技术，相对单信道的系统会带来一下优势：
1. 由于受物理层调制方式的限制，一个信道的带宽限制了其最大的数据吞吐量。多信道可以提供额外的带宽，因此会大大增加物理层的信道容量，提高网络的吞吐量。5联网
2. 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。
3. 多通道的使用可以很容易的保证QOS特性。
WaveMesh网络全网异步唤醒技术
对于电池供电的电力受限的无线移动节点，睡眠是一种能降低功耗的方式。但为了能够保证网络在需要时能够正常工作，节点需要在睡眠的同时周期性的醒来并且检测周围是否有来自其它节点的信号。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，给网络传输带来难以接受的延时。
由于WaveMesh网络缺少像ZigBee网络中永远不睡眠的设备-路由器和协调器，也就不能像ZigBee那样由超级帧进行时钟同步。为了解决WaveMesh网络节点间睡醒同步的问题，WaveMesh网络采用了特殊的全网异步唤醒技术，能够在极短的时间内唤醒全网进入睡眠状态的节点，保证网络中有数据传输的时候有最佳的网络链路。
WaveMesh的全网异步唤醒技术是一种链路层的技术，不需要对物理层有特殊的要求，因此可以使得WaveMesh网络协议不受物理层调制方式的限制。可以与MAC层和网络层的协议紧密结合在一起，使上层应用程序完全感受不到节点睡眠、全网唤醒带来的影响。WaveMesh全网异步唤醒技术是WaveMesh所特有的专利技术，是实现全部WaveMesh全部节点都能够进行休眠的关键技术。
WaveMesh网络协议路由协议
WaveMesh网络的路由协议采用OLDM协议 (On-demand Light-weight Dynamic Multipath Routing Protocol) ，是针对硬件资源条件苛刻的移动自组网（MANET – Mobile Ad-Hoc Network）设计的一种Ad Hoc路由协议。并且适用于移动速度、拓扑结构变化很快的无线网络。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是目前少有的能够支持“多径（multipath）”的路由协议，具有“单径（uniquepath）”路由协议如AODV、OLSR等所不具备的优势。其最主要的特点有：每个节点同时维护尽可能多的到其他节点的路由；路由稳定性好、延时小、更新速度快；路由的维护开销少；路由的选择算法多种多样可以是距离矢量、信号的能量、链路质量以及电源的电量等等；能够根据网络拓扑结构的变化，路由动态地达到最优；没有路由回路；网络吞吐量高；支持的网络的规模大；可扩展性好；所占资源极少（可以运行在只有几十字节内存、4K代码空间的MCU上）。OLDM路由协议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、传感器网络数据采集等领域，给用户带来前所未有的新体验。5联网
OLDM路由协议是WaveMesh网络所特有的专利技术，拥有很多优异的特性。OLDM路由协议可以与WaveMesh链路层协议和全网异步唤醒算法相结合，使得WaveMesh网络的性能大大超越常见的如ZigBee等网络。请参考“OLDM Ad-Hoc 路由协议简介”。
WaveMesh网络与ZigBee的比较
ZigBee简介
ZigBee是一种无线网络协定，主要由ZigBee Alliance制定，底层是采用 IEEE 802.15.4 标准规范的媒体存取层与实体层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。
ZigBee协定层从下到上分别为实体层（PHY）、媒体存取层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。网络装置的角色可分为ZigBee Coordinator、ZigBee Router、ZigBee End Device等三种。支援网络拓扑有Star、Tree、Mesh等三种。
ZigBee的主要特点是在802.15.4的基础之上在2.4GHz频段采用DSSS调制技术。终端节点可以睡眠，但肩负路由工作的路由器不能睡眠，另外还需要启动和管理网络的协调器。ZigBee有三种不同的版本:2004，2006和2007。ZigBee2004不再使用并且ZigBee2006有很多重要缺陷。ZigBee2007进入了许多新的特性：频率的灵活分配、报文的分段、增加了密钥的管理使系统的安全性增加。网络拓扑采用分簇的树状结构，每簇由一个路由器加上多个终端节点组成星型结构。路由协议采用AODV算法在路由器之间寻找路由。www.5lian.cn
ZigBee的网络由三种不同的节点组成：
1. 协调器Coordiantion：启动管理整个网络，在网络启动之后担任路由器的工作。
2. 路由器Router：中继转发终端之间的报文。
3. 终端End Device：不参与路由，与路由器有着类似与子女-父母的关系。
ZigBee网络的拓扑结构如上图所示，其中协调器和路由器不能由电池供电，只有节点可以睡眠。组网的规则如下：
1. 终端设备必须与路由器或协调器相连
2. 所有终端设备由路由器和协调器链接在一起
3. 路由器或协调器不能睡眠，并且需要缓冲来自于终端节点的数据
4. 终端节点之间不能直接进行数据传输
5. ZigBee2007 Pro规定网络中的路由器设备数量为500+个，每个路由器可以管理32-64个终端节点。
ZigBee的优点：
1. 终端节点非常省电
2. Cluster-Tree拓扑结构提供非常有效的路由
3. 支持规模大的组网
4. ZigBee是一个业界的标准，不同厂家的设备可能进行通信
ZigBee的缺点：
1. 路由器和协调器不能睡眠
2. Cluster-Tree拓扑结构在网络拓扑发生变化是重建路由是非常消耗无线带宽和时间的，不适合拓扑结构经常变化的网络
3. 不适合网络负荷大的网络，报文碰撞和丢包严重
4. 一旦协调器不能正常工作会造成整个网络瘫痪
5. 正因为ZigBee是一个业界的标准，其联盟厂家很多，标准日趋复杂化，增加了采用ZigBee设备的成本。
WaveMesh VS ZigBee
相对ZigBee，WaveMesh支持点对点（peer to peer）全连接的Mesh网络拓扑结构，网络中的任何节点都能和其它节点直接进行通信。可以建立如下图所示的网络结构。WaveMesh是真正的全连接的Mesh网络，网络中的每一个节点的功能和地位都相同，每一个节点都可以睡眠，每个节点同时担任“终端+路由器”的工作。WaveMesh只有一种网络设备类型，是一种完全同质的网络拓扑结构。
WaveMesh的优点：
1. 网络的架设简单、设备类型单一
2. 网络的灵活性、可扩展性好
3. 网络的稳定性好，部分节点遭到破环不影响网络正常工作
4. 网络的带宽利用率高、吞吐量大
5. 协议栈的代码尺寸小，产品价格低廉
6. 允许RF有多种调试方式、支持自适应速率
7. 更大的报文载荷
8. RF芯片的选择非常丰富
WaveMesh的缺点：
1. 不是业界标准
ZigBee与WaveMesh的比较表：
总结：WaveMesh和ZigBee都是网状网络协议，针对于低功耗、低成本的网络应用。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、传感器网络数据采集等领域。各有各的优缺点，怎样去选择WaveMesh和ZigBee？
选择ZigBee的理由:
1. 是一个开放的标准，可能和潜在的其他设备厂商的产品进行通信
选择WaveMesh的理由：
1. 全部节点都可以睡眠
2. 产品成本更低廉
3. 更健壮的Mesh网络
4. 安装简单、扩展性好
5. 更灵活的RF，可以用在315/433/868/915 MHz ISM/SRD 频段
6. 更大的帧载荷
7. 更快的网络吞吐量、带宽利用率
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