为何选择从zigbee协议走进mesh.docx

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为何选择从zigbee协议走进mesh

1.无线Mesh网络

1.1什么是无线Mesh网络

无线Mesh网络（WirelessMeshNetwork,WMN）是移动AdHoc网络的一种特殊形态，它的早期研究均源于移动AdHoc网络的研究与开发。

它是一种高容量高速率的分布式网络，不同于传统的无线网络，可以看成是一种WLAN和AdHoc网络的融合，且发挥了两者的优势，作为一种可以解决“最后一公里”瓶颈问题的新型网络结构。

无线Mesh网络中，任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。

无线Mesh网络是多跳网络，节点间可进行多跳访问。

即如果最近的AP由于流量过大而导致拥塞的话，那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输。

依此类推，数据包还可以根据网络的情况，继续路由到与之最近的下一个节点进行传输，直到到达最终目的地为止。

这样的访问方式就是多跳访问。

与传统的交换式网络相比，无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求，但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。

在无线Mesh网络里，如果要添加新的设备，只需要简单接上电源就可以自动进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径。

添加或移动设备时，网络能够自动发现拓扑变化，并自动调整通信路由，以获取最有效的传输路径。

无线Mesh是一种非常适合于覆盖大面积开放区城（包括室外和室内）的无线区域网络解决方案。

无线Mesh网的特点是：

由包括一组呈网状分布的无线AP构成，AP均采用点对点方式通过无线中继链路互联，将传统WLAN中的无线“热点”扩展为真正大面积覆盖的无线“热区”。

此外，因为每个短跳的传输距离短，传输数据所需要的功率也较小。

既然多跳网络通常使用较低功率将数据传输到邻近的节点，节点之间的无线信号干扰也较小，网络的信道质量和信道利用效率大大提高，因而能够实现更高的网络容量。

比如在高密度的城市网络环境中，Mesh网络能够减少使用无线网络的相邻用户的相互干扰，大大提高信道的利用效率。

自组网纯粹Mesh网络的特点

参量

特点

自组织

无需规划。

因此，与典型的蜂窝网刚好相反，无法控制覆盖范围和干扰环境。

这直接会导致一些服务质量问题。

基础设施

所提供的功能都在Mesh网内，这包括功率控制、路由、计费、管理、安全等。

没有像基站那样的中心控制单元，也没有蜂窝网中的安全和认证中心。

移动性

节点可以自由移动，甚至消失。

网络连接动态。

无线

对于有线而言

中继

所有节点可能需要中继其它节点的信息。

这将减少每个节点用户的可用带宽。

路由

所有节点都需要参与路由。

可自动维护路由表，或者按需创建路由。

多跳

中继和路由的必然结果，多跳可以扩大覆盖，特别实在传播环境复杂的场景。

异构性

除了Mesh网基本操作外，所有节点的性能并非全部相同。

一些节点可能有额外的网络连接（即接入Mesh网中的外部连接）。

WMN的迅速发展得益于它可以发展和改进现有无线网络的很多协议，尤其是IEEE802.11、Adhoc网络和无线传感器网络等。

MeshWiFi的标准仍在制定中。

制定mesh网络技术标准的组织主要是Wi-Mesh联盟和SEEMesh组织，并且标准化工作主要集中在IEEE的802.11s工作组中。

Wi-Mesh联盟的主要成员包括北电网络、Accton和ComNetsAachen等。

SEEMesh组织的成员包括英特尔、德州仪器和诺基亚等。

WMN标准已经出现在IEEE802.11s、802.15、802.16、802.20中。

1.2无线Mesh网络与蜂窝网络的主要区别

①可靠性提高，自愈性强（网状结构VS星型结构）；

②传输速率大大提高（可融合其他网络或技术）；

③投资成本降低；

④网络配置和维护简便快捷；

1.3无线Mesh网络与WLAN（Wi-Fi）的主要区别

①对点多跳网络，数据可转发；

②可在大范围内实现高速通信，即通过WR对数据进行智能转发（需要对WLAN传统的AP功能进行扩展和改进），把接入点服务的覆盖延伸到几公里远；

③MAC协议完成的不仅有本地业务的接入，还有其他节点业务的转发；

④对于路由协议，WLAN是静态的因特网路由协议+移动IP，WMN主要是动态的按需发现的路由协议，只具有较短暂的生命周期。

1.4无线Mesh网络与Adhoc网的主要区别

①均是P2P的自组织的多跳网络，WMN由无线路由器构成的骨干网组成，Adhoc网络的节点都建有独立路由和主机功能，节点地位平等，接通性是依赖端节点的平等合作实现的，健壮性比WMN差；

②WMN节点移动性低于移动Adhoc网络中的节点，故WMN注重的是“无线”，而移动Adhoc网络更强调的是“移动”；

③从网络结构来看，WMN多为静态或弱移动的拓扑，而移动Adhoc网络多为随意移动（包含高速移动）的网络拓扑；

④WMN与移动Adhoc网络的业务模式不同，前者节点的主要业务是来往于因特网的业务，后者节点的业务是任意一对节点之间的业务流；

⑤从应用来看，WMN主要是因特网或宽带多媒体通信业务的接入，而移动Adhoc网络主要用于军事或其他专业通信。

研究AdHoc网络，需解决隐终端问题和暴露终端问题。

1.5WMN的优势

①可靠性大大增强

②具有冲突保护机制

③简化链路设计

④网络的覆盖范围增大

⑤组网灵活、维护方便

⑥投资成本低、风险小

无线mesh网构建无线城市

2.IEEE802系列协议简介

IEEE802.11

IEEE802.11是IEEE在1997年制定的一个无线局域网标准，用于解决办公室局域网和校园网中用户终端之间的无线接入。

为了将其商用，IEEE新建立了一个IEEE802.11s子工作组，制定标准化的扩展服务集（ESS），即802.11s专门为WMN定义了MAC和PHY层协议，WLAN接入点可以像路由器一样转发信息。

IEEE802.15

IEEE802.15提供了简单、低耗能无线连接的标准，由IEEE工作组为无线个域网（WPAN）开发，正发展成为包括便携式和移动计算设备的个域网（PAN）或短距离无线网络的标准。

其中，IEEE802.15.4标准是为低数据速率、长电池寿命和低设备开销要求的遥测技术制定的。

ZigBee联盟正在制定运行在IEEE802.15.4的MAC和物理层以上的高层协议。

它的网络层支持多种网络拓扑结构，如星形、簇形和Mesh。

IEEE802.16

IEEE802.16标准定义了无线MAN（城域网）空中接口规范，为无线MAN提供“最后一公里”接入。

它支持点到多点的连接，无线接入系统覆盖范围可达50km，大大延伸了光纤骨干网。

IEEE802.20

EEE802.20即移动宽带无线接入MBWA（MobileBroadbandWirelessAccess）工作组成立于2002年12月，致力于为移动用户开发一个标准，支持在3GHz频带可靠地进行高速无线数据传输。

3.IEEE802系列中关于Mesh网络的标准

3.1IEEE802.11sMesh网络标准

1、发展

802.11s最早开始于2003年9月成立的IEEE802.11ESSMesh研究组，2004年7月成立802.11s任务组。

由于许多公司早已成立了研究组来推动802.11mesh网络标准化工作，因此在2005年中期收到大量提出问题并给出解决方案的提案。

经过一系列的删减和合并之后形成两份提案，即“SEE-Mesh”和“Wi-Mesh”提案，并于2006年1月形成联合提案，从而确定了现在802.11s标准草案的基本框架。

2006年6月，经过无争议的投票确认后，联合提案成为802.11s的最初草案draftD0.01。

经过多次非正式的评论决议（commentresolution），2006年11月形成draftD1.00并进行信件投票（LetterBallot），由于仅有48.3%支持（低于要求的75%）而未能通过。

在2008年5月的信件投票中，DraftD2.00仅有61%支持而再次未能通过。

由于802.11s草案中许多问题未能取得实质性进展，802.11s标准的发布日期不可预知。

2、目标

IEEE802.11s任务组，主要研究支持无线分布式系统（WDS）的协议，为WMN定义媒体接入控制（MAC）层和物理层协议，以实现WLAN在多个AP之间通过自配置多跳的方式组网，提高WLAN的覆盖范围。

IEEE802.11s的目标是突破传统AP功能上的限制，使之具有Mesh路由器的功能，业务流转发给邻近的AP进行的多跳传输。

这种方式决定了WMN具有较高的可靠性、较大的伸缩性和较低的投资成本等特点。

这样，在新的WLAN架构中，WLAN的AP自动形成WLAN的WMN骨干网。

IEEE802.11Mesh网络可以是骨干网Mesh结构，也可以是客户端Mesh结构。

客户端Mesh结构中，所有设备工作在WLAN的Adhoc网络模式下，WMN通过自动配置实现节点间的互联，摆脱了以往对AP的依赖。

3、需解决问题

802.11s标准涉及Mesh拓扑发现和形成、Mesh路径选择和转发、MAC接入相关机制、信标与同步、Intra-mesh拥塞控制、功率控制、交互工作、安全和帧格式等内容。

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注：

由于802.11s草案中许多问题未能取得实质性进展，802.11s标准的发布日期不可预知。

3.2IEEE802.15Mesh网络标准

IEEE802.15提供了简单、低耗能无线连接的标准，是IEEE工作组针对无线个域网开发的，正发展成为包括便携式和移动计算设备的个域网或短距离无线网络的标准。

该标准定义了WPAN的物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC）。

802.15各子工作组定义内容

IEEE802.15子工作组

定义内容

IEEE802.15.1

蓝牙1.1版

IEEE802.15.1a

蓝牙1.2版

IEEE802.15.2

WLAN与WPAN的共存

IEEE802.15.3

高数据速率

IEEE802.15.1a

UWB

IEEE802.15.4

低数据速率及ZigBee

IEEE802.15.5

Mesh网络

（《下一代无线因特网技术：

无线Mesh网络》方旭明等P23）

IEEE802.15.4

IEEE802.15.4标准是为低数据速率、长电池寿命和低设备开销要求的遥测技术制定的。

ZigBee联盟正在制定运行在IEEE802.15.4的MAC和物理层以上的高层协议。

它的网络层支持多种网络拓扑结构，如星形、簇形和Mesh。

在Mesh拓扑中，定义了一个协调节点，负责启动网络和选择一些关键的网络参数。

在路由协议中使用了“请求-应答”算法来排除非最佳路径。

（无线Mesh网络的组网及其相关标准.pdf范涛，张燕《数据通信》）

ZigBee协议的Mesh结构中，网络中的所有无线节点都相同，可以直接互相通信，每一次网络都会选择一条或者多条路由进行多跳传输，将所要传输的数据信息传给中心节点。

Mesh网的每个节点都有多条路径到达中心节点，因此它的容故障能力较强，而且这种多跳系统以多跳代替了单跳的传输距离，减小了源节点所需要的发送功率。

IEEE802.15.5

IEEE802.15.5目前还在开发中，定位于WMN的MAC层，不需要ZigBee或IP路由支持。

IEEE802.15.5继承了802.15.1-802.15.4的一些基本思想，但完全支持Mesh结构。

在802.15.5标准中，Mesh网络被定义为一个个域网（PAN），有两种组网方式：

全网状拓扑和部分网状拓扑。

在全网状拓扑结构中，每一个节点直接与其他任何一个节点相连；在部分网状拓扑结构中，只有部分节点与其他所有节点相连，而其他节点则只是与交换较多数据的节点相连。

802.15.5标准主要涉及的问题包括：

碰撞避免的信标调度策略、路由算法、分布式安全问题、能效操作模式、对于网状节点和网状PAN移动性的支持等。

802.15.6

802.15.6为非官方标准，采用的频段将是太赫兹级,组合了光和无线电技术,理论速率每秒达数太比特。

3.3IEEE802.16Mesh网络标准

IEEE802.16标准定义了无线城域网空中接口规范，为无线城域网（WMAN）提供“最后一公里”接入，是一种点对多点技术。

鉴于无线Mesh网技术的不断发展，IEEE802.16标准工作组将Mesh结构纳入最近推出的IEEE802.16d/e标准中。

无线Mesh网络是对IEEE802.16标准中的点到多点（P2MP）网络结构的补充。

网络中的每个节点都与周围邻居节点形成多条链路，并且可以选择其中的一条链路，用来传输来自本节点或其他节点的信息。

这样，连接断开的可能性要远低于P2MP模式。

同时，随着节点数的增加，IEEE802.16Mesh网络的健壮性加强，覆盖范围扩大。

IEEE802.16协议标准草案中虽然有对Mesh的支持，但仍然存在以下问题：

①由于中心调度信息结构仅支持大约100个用户，所以IEEE802.16Mesh的可升级性受到限制；

②IEEE802.16Mesh是基于无连接的MAC，其实时业务的QoS难以保证；

③假定两跳以外的节点之间没有干扰，则IEEE802.16Mesh存在隐藏终端冲突；

④IEEE802.16Mesh的MAC协议存在链路选择、同步、功率和数据速率的平衡，以及路由和MAC相互依赖等问题。

802．16Mesh网络在安全性方面还有很多需要改进的地方，关键问题在于网络配置信息在传输过程中未经加密，可以被截获、篡改、伪造。

要想较好地解决802．16Mesh网络的安全性问题。

需要解决配置信息加密、节点之间双向认证以及Oss的安全分发等问题。

在提高安全性的同时，不可避免地带来传输效率的降低。

因此还需要构建灵活、完善的分级安全体制来兼顾安全和效率。

3.4IEEE802.20Mesh网络标准

IEEE802.20，即移动宽带无线接入（MBWA）工作组，主要研究为移动用户开发的标准。

802.20填补了当前802.16的低移动性高数据速率与蜂窝网高移动性低数据速率之间的性能空间。

IEEE802.20网络是一个基于纯IP的网络。

在室内、外环境中，802.20均支持WMN结构。

在这种网络结构中，移动节点之间可以直接或间接通信，避免“三角路由”的出现，改善移动网络性能，同时能迅速地接入主干网络，为移动用户提供快捷准确的服务。

问题：

802.20是一个全新的技术标准,有很多具体的技术问题有待解决，而且它同现在的移动通信网络不兼容，利用它实现通信需要有巨大的投入。

资料较少

IEEE802系列无线mesh网络标准比较

内容

802.11s

802.15.5

802.16e

802.20

频带

2.4GHz/5GHz

2.4GHz/902~928MHz

/2400~2483.5MHz

2~66GHz

<3.5GHz

物理层标准

802.11a/b/g

802.15.3/802.15.4

802.16a

\

覆盖范围

几百米

10m以内

1.5~5km

约15km，视情况

对象

WLAN

PAN

MAN

MBWA

Mesh网络结构

基础设施，终端设备

树型，微微网

PMP结构，结合基于回程的WiMAX的mesh结构

Mesh路由协议

混合无线网状网协议HWMP，无线感知优化链路状态路由协议RA-OLSR

树路由，mesh路由

路由集中调度和路由分布式调度

4.选择ZigBee走进mesh

利用现有的ZigBee协议栈，组mesh网络，实现网络的自组网和自路由。

4.1ZigBee简介

ZigBee是一种无线网络协定，主要由ZigBeeAlliance制定，底层是采用IEEE802.15.4标准规范的媒体存取层与实体层。

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。

根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本、大网络容量、高可靠性。

主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

技术特点

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。

作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：

1低功耗：

由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。

据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

2成本低：

ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5-2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。

低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

3时延短：

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。

因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

4网络容量大：

一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。

5可靠：

采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。

MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

如果传输过程中出现问题可以进行重发。

6安全：

ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

ZigBee的优点：

1终端节点非常省电

2Cluster-Tree拓扑结构提供非常有效的路由

3支持大规模大组网

4ZigBee是一个业界的标准，不同厂家的设备可进行通信

4.2多家公司提供了zigbee协议栈

目前市场上主要ZigBee芯片提供商（2.4GHZ），主要有：

TI/CHIPCON、EMBER（ST）、JENNIC（捷力）、FREESCALE、MICROCHIP四家。

比如：

TI公司推出芯片CC2430/CC2530，提供协议栈Z-Stack。

TI提供的ZIGBEE2007协议栈目前已经开放免费下载，虽然开放下载的协议栈是库文件，但是全功能，包括网状网络拓扑的全功能协议栈。

飞思卡尔半导体公司推出芯片MC1321X，提供飞思卡尔协议栈BeeStack。

代码不开放，但提供一些封装好的函数，比如创建网络函数。

可以直接调用函数使得协调器创建网络，终端节点调用函数则寻找可以加入的ZigBee网络并尝试加入。

ST公司推出芯片SN250，zigbee协议之内EmberZNet（与Ember合作）。

选用ZigBee协议栈组mesh网的优势：

1ZigBee应用广泛，有成熟协议栈，而且前面所述多家公司对ZigBee协议栈进行研究，资料较多。

2提供了应用ZigBee的专用芯片，如TI的CC2530、飞思卡尔FreeScale的MC13213等。

而且协议栈还提供了使用ZigBee的操作系统。

3在熟练使用现有成熟ZigBee协议栈的基础上，可对ZigBee协议栈进行部分修改，以满足应用需求。

另：

WaveMesh（北京博铭达）只有一种网络设备类型，是一种完全对等的网络拓扑结构。

相对ZigBee，WaveMesh支持点对点（peertopeer）全连接的（FullMesh）网络拓扑结构，网络中的任何节点都能和其它节点直接建立路由。

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。

但其目前不是业界标准，协议栈不开源！