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新一代网状网协议T-Mesh无线通信技术优势介绍

2022-08-03 15:19:00 【上海皕科XBee】

前言

本文是一篇关于T-Mesh的简单介绍，采用叙述性的文字，把T-Mesh的概念原理以及优势和应用等几方面进行了介绍，为了方便理解采用了通俗易懂的语句，尽量避开了专业词汇和术语。

导读

一种无线通信控制方法

T-Mesh作为一种无线通信方法，从本质上讲与WIFI、蓝牙、4G网络、集群对讲机等这些生活中常用的东西并无本质区别，它也是一种利用无线电波传输信息的方法。另外还有一些生活中不经常使用的如：Zigbee、NB-IOT、LoRaWAN、Wireless-Hart、WIA-PA等。这些从本质上讲都是利用无线电波传输信息的一些方法和参数控制过程，这些方法和控制过程的参数在细节上各有不同，并且各自存在不同的优缺点。到目前为止还没有哪一种无线通信技术能适用所有应用场景，各种无线通信技术根据实际应用需求相互补充，形成了丰富的无线通信协议家族，T-Mesh即将成为这个家族中的一分子。

现存相似体

一种硬件无关的协议层

T-Mesh与上面所列举的无线通信技术又有所不同的是，T-Mesh定义的是一种更加灵活且硬件无关的通信协议层。从计算机工程上举例来说更趋向于TCP/IP协议的角色，例如：TCP/IP协议既可以运行在10/100M以太网中，又可以运行在千兆光纤中，也可以运行在WIFI无线局域网中等等。TCP/IP协议就是一种硬件无关的通信协议层，这种硬件无关性直接产生了应用场景的广泛性，到目前为止TCP/IP仍然是全世界普及度最高的通信协议。

T-Mesh的硬件无关性与TCP/IP类似，它既可以运行在2.4GHz的IEEE802.15.4（Zigbee）收发器上，又可以运行在433MHz的GFSK芯片上，也可以运行在780MHz的LoRa芯片上，还可以运行在2.4GHz的蓝牙芯片上，甚至还可以运行在电力线载波芯片上（竟然可以脱离无线通信狭隘范畴），通俗的讲只要能发射和接收信号的芯片都可以运行T-Mesh。这种硬件无关性也为T-Mesh带来了更广泛的应用场景，例如：当需要快速传输数据的时候我们在Zigbee芯片上运行T-Mesh，当需要远距离的时候我们在LoRa芯片上运行T-Mesh，而遇到成本敏感的项目时我们在价格不足3元人民币的GFSK芯片上运行T-Mesh，总之只要能找到可以满足应用需要的芯片T-Mesh就可以把自身的优势发挥到这个芯片上。

概念

一种基于精确时间控制的多点网状通信的控制方法

T-Mesh这个术语包含了两部分含义，一个是字母T，另一个是单词Mesh。字母T代表Time是时间的意思，用通信专业的词汇表达还可以是TDMA的意思。后面的单词Mesh在无线通信中代表网状的组网结构。因此从学术层面定义，T-Mesh是一种基于TDMA的网状自组网通信控制方法。用通俗的概念解释，T-Mesh是一种在精确时间控制下的多点对多点相互交错通信的方法。

与同类产品相比的优势

实现全网络低功耗的高可靠实时性可控通信

1．精确时间控制下的精确极致低功耗

T-Mesh的第一个优点就在于精确时间控制下有条不紊的收发数据，由TDMA特性决定的同频率下的各个节点不会同时发送造成相互干扰，发送方的发送开始时刻受到精确控制，而对应的接收方也会在对应的精确时刻恰好开启。这样的精确控制首先带来的收益就是最大程度的降低功耗。对于接收方的好处是刚好接收到数据不早也不晚不浪费任何空等待的电能，对于发送方的好处是不需要发送多余的唤醒命令或者很长的前导码也不浪费电能。这样一来，无论发送方还是接收方空闲时都处于低功耗状态，整个网络的所有节点都可以低功耗运行。其中最大的优势就是T-Mesh的低功耗路由器，平均电流小于5mA的低功耗路由器，仅仅需要巴掌大小的太阳能板，这在业内是非常有竞争力的产品。

2．源自精确时间控制的额外收获----抗干扰能力

各种无线通信底层的过程控制有一个共同特点：数据接收的触发依靠同步头机制，一旦接收机认为捕捉到了同步头，就会启动数据缓冲区的填充，之后再来的任何信号都会当作数据载荷处理。这样的机制有一个弱点，一旦干扰信号恰好等于同步头内容，干扰信号就会先入为主了，以后再来的真正想接收的那个信号的同步头就会被当作数据载荷接收。例如：ZIGBEE协议规定同步头是0xA7，一旦有一个干扰信号的波形满足了0XA7的值，ZIGBEE接收器就会开始接收数据，此时如果真正要接收的数据包在某个紧接着的时刻到来，就会被插入到数据载荷的某个位置甚至有可能被截断。

T-Mesh的精确时间控制，恰恰解决了以上缺陷，当发射机刚刚启动发射之后接收端才开启（一定要立即开启），此时接收到的同步头就是真正想要的数据包。T-Mesh这种“发先出收后开”的机制，不给其他干扰信号先入为主的机会，至少是减少了这个被干扰的机会。

3．并行使用16倍带宽且灵活按需分配

T-Mesh在通信资源分配上采用了时隙与频率两个维度，时隙维度的数量可以根据网络规模自行配制（通常情况下几十个至几百个），频率维度有16个信道。举例来说：假如配制了100个时隙数量，对应的总时间大约1秒钟，而每一个时隙在频率维度上可以有16个信道同时使用，那么1秒钟就可以进行100x16=1600次通信，这1600次可以是来自1600个压力温度传感器的在1秒钟上报完成，也可以是来自100图形采集设备中数据量较大的图形在1秒钟上报完成。
因此，T-Mesh的通信资源可以按设备一对一占用，也可以被少量设备瓜分每个设备占用多个资源，甚至被一台设备独享所有资源，这种通信资源的灵活按需分配，让带宽的应用更加灵活。让应用场景更加广泛。

4．分布式时隙信道跳频（TSCH）调度方法

T-Mesh借鉴了IEEE802.15.4e标准中描述的TSCH规则，采用了时隙信道跳频策略，TSCH提高抗干扰能力已被业内所共识，这不是T-Mesh优势中的重点。与WIA-PA的集中式调度方法不同，T-Mesh采用了分布式调度方法，其他节点不需要从一个中心节点频繁申请资源，这样就大大减少了空中通信次数。另一个好处就是中心节点不再重要，甚至可以省略中心节点，形成真正的Mesh型对等网络（正在研发的T-Mesh 2.0将会支持），由于没有了中心节点，网络中任何节点失效都不会造成整个网络瘫痪，这将大大提高系统的冗余性能和自愈性能。

5．对应邻居表存储的自适应跳频序列（正在研发的T-Mesh 2.0将会支持）

正在研发的T-Mesh2.0即将支持一个复杂的自适应跳频过程，对于像ZIGBEE那样仅仅依靠中心节点扫描来确定整个网络的共用频率，早已不能满足日益拥挤的无线电环境，甚至像WIA-PA这样的信道约定也是过于简单，它没有根据不同节点所处地理位置的干扰频率不同进行频率切换，在一个时隙内从发送到确认使用同一个频率，这样的缺点是，接收方虽然接收到了数据，但使用同样的频率发送应答到发送方的时候，发送方所处的地理位置上恰好有相同频率的干扰，造成无法接收到应答。无论接收方被干扰还是发送方被干扰这个频率都不能使用了，这就造成无形中减少了两个可用频率。

T-Mesh的机制有效解决了以上问题，具体做法是：在一个时隙中发送和应答采用了两个频率，把对方所处地理位置存在的干扰频率记录在邻居表中。发送方发送数据之前查询邻居表对应的频率避开接收方所处位置的干扰频率，接收方接收到数据包之后要发送应答，同样也根据邻居表中存储的频率避开接收方所处位置的干扰频率，发送与应答采用不同的频率。进一步提高了信道利用率。

6．全网络Mesh型自组网的通信路径冗余（终端节点有多个父节点）

T-Mesh借鉴了移动蜂窝网的结构优势，终端节点（例如手机）可以连接多个父节点（例如多个基站）。这样的一来优势就很明显了，首先就是适应了移动场景（包括基站经常被车辆遮挡等情况也属于移动场景），在移动场景中无缝切换，数据不丢失。其次就是无线路径冗余性能，当某个路由器故障时，还可通过另一个路由器传输。

T-Mesh的这个优势是ZIGBEE、WIA-PA、Wireless-Hart等技术不具备的，此项技术是T-Mesh开发团队在工程实践中沉淀积累出来的，尤其在智能交通物流等领域有很大实用意义。

7．终端节点极致低功耗下还可接收数据

    T-Mesh在终端节点低功耗控制方法上抛弃了IEEE802.15.4主动请求数据的（DATA_REQ原语）策略。而是按照几秒钟的间隔在时隙开始处短暂开启接收器，并在1毫秒之内确定是否有数据要继续接收，如果没有数据要接收则立即关闭接收器进入休眠状态。例如：按照5秒钟开启一次，每次开启1毫秒，则平均功耗不足10uA（微安），5AH左右的电池供电使用寿命即可达5年以上。
    T-Mesh终端节点的接收策略不会无谓的发送数据请求，T-Mesh空闲时候整个网络很安静，夸大一点说T-Mesh为整个无线通信环境提供了一种清洁的技术。在无线设备密集应用的情况下，T-Mesh也为多种网络并存提供了有利条件。在这一点上ZIGBEE、WIA-PA等沿用IEEE802.15.4的协议显然无法做到。
  T-Mesh最大的优势就是，即使在如此低功耗的状态下，依然可以接收数据，每5秒钟开启接收器就是接收数据的机会。一旦接收到数据，就会根据是否还有后续数据保持继续接收，后续数据就不需要再等5秒钟，可以连续发送。T-Mesh的这种优势为低功耗状态下的遥控和参数下发提供了高效实时的手段。对于油田的低功耗注水井阀门控制就是一个很好的应用。

8．极速全网络空中升级技术Rapid-FULL-OTA（Over the Air Technology）

T-Mesh的采用了广播轮训泛洪扩散机制进行全网固件升级技术。此项技术在业内是首创，它能实现几百上千节点的极速固件升级，为什么极速呢？因为一千个节点全部升级完毕只需要1分钟之内。其原理就在于所有节点在所有时隙广播方式同时接收，一千个节点与一个节点花费的时间是一样的，而且可以根据网络拓扑进行泛洪式扩散。
值得一提的是，T-Mesh的终端节点也支持快速空中升级，它在很低的功耗下依然可以利用5秒钟一次的唤醒机会切换到快速空中升级的模式。

9．快速的全网遥控能力---例如：全网同时开启执行器，全网快速同时关闭阀门

T-Mesh把上面提到的广播轮训泛洪扩散机制应用到了快速全网遥控的应用上，这对于全网遥控实时性要求很高的情况非常有实用价值，例如：紧急情况下需要在几秒钟内快速关闭所有阀门，晚一些将会出现重大事故。
在实时性指标上，T-Mesh的5秒间隔唤醒机制可实现10秒内几百个节点全网遥控，这对于ZIGBEE、WIA-PA的低功耗节点来说是不可能实现的。

10．采用技术手段进行了知识产权的保护，（防止被山寨）

对于一个经过多年研发投入才成形的先进技术来说，刚刚投入市场即被山寨，知识产权被侵占，这无疑是一种悲哀。可惜在国内大环境下这种情况时常发生，甚至通过法律手段也不能有效阻止。T-Mesh采用了固件防拷贝技术，有效阻止了产品被竞争对手山寨。

11．精湛软件架构支持下的数据并发和多操作并行

精致的产品在于细节，在同一个软件框架下，为什么不同公司产品性能差别很大，关键就在于软件中的细节。T-Mesh产品中的每一行代码都是经过仔细调试和推敲的。自主研发的实时操作系统和内存管理机制，可实现多任务和多数据并发。

12．可快速定制特殊功能

T-Mesh开发团队掌握了每一个技术细节，并拥有完全的软件著作权，可任意修改所有源代码。可根据需求任意定制特殊功能，这对于业内某些直接使用开源项目的公司来说是很困难的。由于全部自主开发整个项目中不存在其他依赖和疑点，所以定制的速度也可以很快。

T-Mesh产品

1．T-Mesh无线通信模组