为工业物联网正确选择无线网格网络协议以实现新应用

　　(1)成对通道跳频 时间同步能够在每一个发送器-接收器对上实现通道跳频，因此实现了频率多样性。在TSCH网络中，每个数据包交换通道都会跳频，以避开不可避免的RF干扰和多径衰落。此外，不同设备对之间的多次数据传送可以在不同的通道上同时发生，这增大了网络带宽。例如，在 IEEE 802.15.4 2.4GHz 无线规范中，提供了 15 个可用通道，该规范是WSN最常用的选择，因为全球都可以使用这一 ISM 频段。这就意味着，与单通道 802.15.4WSN相比，TSCH网络的可用带宽扩大到 15 倍。

　　(2)完整通路和频率多样性 ─ 每个设备都有冗余通路以克服干扰引起的通信中断、物理障碍或多径衰落问题。如果一个数据包在一条通路上的传输失败了，那么智能节点会自动在下一个可用通路及不同的RF通道上重试 (参见图 1)。每次重试 (时间多样性) 都利用了通路多样性和频率多样性，因此每次重试成功的可能性都比单通道系统高。

　　(3)低功率数据包交换 采用TSCH后，允许节点在排定的通信间隙以超低功耗休眠。每个设备都仅在发送数据包或等待来自相邻设备可能发送的数据包时，才进入工作模式。更重要的是，既然每个节点都知道自己的排定唤醒时间，所以所有节点都随时可用来转发来自相邻节点的信息。因此，TSCH 网络常常达到 <1% 的占空比，同时仍能保持网络完全可用。此外，既然对每个数据包的收发都排定了时间，那么在 TSCH 网络中就没有网络内数据包碰撞问题。网络可以非常密集，并可以扩展，而不会产生削弱RF信号的自干扰。

　　(4)高可用性动态占空比 与全网络动态占空比网络不同，在 TSCH 网络中，每个节点都仅当需要发送数据包或等待接收数据包时，才唤醒其收发器。通过将网络信息传送的时间安排细化到单独的发送器-接收器收发操作这一层面，TSCH 网络可以非常方便地跨整个网络提供不同占空比的数据传送。例如，如果用户在一处使用了仅需 1 小时发送一次数据的水箱水位传感器，而在另一处使用了每隔几秒钟就需报告一次数据的压力 / 水流传感器，那么 TSCH 网络将仅按照传感器各自所需的频度唤醒节点 (及其母节点)，以可靠支持该类型的数据传送。

4 整合 TSCH 与低功率硬件可产生巨大威力

　　过去 10 年来，802.15.4 收发器在发送、接收和休眠等一般工作模式时所需的工作电流一直在稳步下降。例如，凌力尔特公司提供的 LTC5800-IPM 消耗 +8dBm 发送功率时，吸取 9.5mA 电流，接收时吸取 4.5mA 电流，这比前一代 802.15.4 收发器低 3 至 5 倍。降低所需峰值电流是一个良好的开端，但是发送一个数据包所需的能量是一段时间内所吸取电荷总量的函数。如果用示波器测量所吸取的电流，并画出随时间变化的电流曲线 (参见图 2)，那么发送一个数据包所需能量就可以用曲线下方涵盖的面积表示，可以看出该能量既受到峰值电流的影响，又受到每次处于工作状态的时长所影响。LTC5800-IPM 等产品实现了精确优化的数据包交换，在 3.6V 电源电压时仅需 54.5µC 电荷量 (或消耗 196.2µJ 能量) 就可成功完成数据包的发送 / 确认。

5 实现低功率的系统化方法

　　通过更全面地考察能量在无线传感器网络中的消耗方式，我们可以看到，功耗可以看作是以下的函数：数据流量、发送数据包所需能量、从一个节点向另一个节点成功发送数据包所需的重试次数。

　　就每一个数据包所耗能量而言，通过采用对每次重试都提供时间、通路和频率多样性的网络协议 (因此减少了每发送一个数据包所需的平均重试次数)，可以实现低电流消耗，因为这样可以提高整个系统的效率，而不是在应用层上造成损失。TSCH 网络中的通信时间表是高度可配置的，而且通信时隙可以基于应用需求自动分配。TSCH 网络可以配置为低数据速率，以最大限度降低所需功率，而且这种网络有潜力采用能量收集技术。同样，TSCH 网络可以配置为支持不同的数据报告速率，就像在工厂中常见的那样，工厂中有变化慢的变量 (例如水箱水位) 和变化较快的变量 (管道中的流量)。TSCH 网络会自动给网络的各个部分分配其所需的时隙。因此 TSCH 网络不是迫使用户定制其应用以满足网络要求，而是可以被定制以满足种类繁多的应用需求。

6 实现工业物联网

　　TSCH 已经成为 WirelessHART (IEC62591) 等现有工业无线标准的基本构件，也是新出现的 IEEE802.15.4e 等 IP 无线传感器网络标准的组成部分。IETF 6TiSCH 工作组也在进行 TSCH 链路层的标准化工作。有关标准采用 TSCH 将有助于 TSCH 继续得到更加广泛的采用。

　　目前已经证实，在工业流程监视、围栏线周边安全、数据中心能效、城市规模的智能停车解决方案等广泛和要求严格的应用中，TSCH 网络的电池寿命能够长达多年，而且数据可靠性 >99.999%。TSCH 网络提供高度可靠、高度可配置的低功率无线网络，非常适合工业物联网。