TSMP（時間同步網狀協議）是一種網絡協議，構成了可靠、超低功耗無線傳感器網絡的基礎。無線傳感器網絡 （WSN） 是無線傳感器節點的自組織多跳網絡，用于監視和控制物理現象。典型的 WSN 應用包括工業過程自動化、商業建筑氣候控制和安全報警。

TSMP在時間、頻率和空間上提供冗余和故障轉移，即使在最具挑戰性的無線電環境中也能確保非常高的可靠性。TSMP 還提供自組織、自我修復網狀路由所需的智能。其結果是，無需專門的無線專業知識即可輕松安裝網絡，自動適應不可預見的挑戰，并且可以根據需要進行擴展，而無需復雜的規劃。

TSMP有五個關鍵組件，有助于實現端到端網絡可靠性、簡單安裝和電源效率。

時間同步通信

跳 頻

自動節點加入和網絡形成

完全冗余的網狀路由

安全郵件傳輸

本白皮書提供了對 WSN 解決方案的調查，并以足夠詳細的內容描述了 TSMP，以便為技術讀者提供協議功能的全貌。

無線傳感器網絡

無線傳感器網絡 （WSN） 是一個術語，用于描述一類新興的嵌入式通信產品，這些產品在傳感器、執行器和控制器之間提供冗余、容錯的無線連接。部署 WSN 是為了提供對以前由于物理或經濟障礙而無法訪問的資產或工具的訪問。

根據字面定義，WSN是一個可以應用于任何無線連接儀器（甚至是車庫門開啟器）的術語。在實踐中，WSN標簽用于描述提供超越傳統點對點解決方案的性能的產品，特別是在容錯，功耗和安裝成本方面。

無線挑戰

雖然無線在成本和靈活性方面具有明顯的優勢，但它也帶來了許多挑戰。具體來說，點對點無線電通信鏈路是出了名的可變性和不可預測性。由于環境條件、新的障礙、意想不到的干擾源和無數其他因素，今天強大的聯系明天可能很弱。這些因素可以歸結為三種主要的故障模式：射頻干擾、阻塞通信鏈路的物理環境變化以及單個節點的丟失。

射頻干擾：專用于通用無線通信設備的一小部分電磁頻譜擠滿了來自WiFi網絡，無繩電話，條形碼掃描儀以及無數其他可能干擾通信的設備。由于無法預測在給定位置、頻率和時間設施中將存在哪些干擾源，因此可靠的網絡必須能夠持續地避開這些干擾源。

阻塞路徑：首次部署網絡時，會根據直接射頻環境和可用鄰居在設備之間建立無線路徑。與有線網絡不同，這些變量經常變化;路徑以后可能會被新設備、重新定位的隔板、送貨卡車或設備位置的微小變化所阻塞。為了確保網絡生命周期的可靠性，而不僅僅是安裝后的最初幾周，需要以透明、自動的方式不斷解決這些障礙。

節點損耗：節點損耗是無線傳感器網絡需要考慮的一個重要問題。雖然由于半導體或硬件故障而導致的節點故障很少見，但在網絡的生命周期中，節點可能會損壞、破壞或移除。此外，電涌、停電或掉電可能導致節點發生故障，除非它們具有獨立的電源。端到端可靠性需要圍繞任何單個節點丟失進行路由的網絡智能。

這些問題中的任何一個都會使點對點無線鏈路中斷。但是，通過旨在防止這些問題的網絡架構，網絡可以隔離各個故障點并消除或減輕其影響，從而使整個網絡即使在發生本地故障的情況下也能保持非常高的端到端可靠性。同樣，精心設計的無線網絡架構將透明地適應不斷變化的環境，允許零接觸維護的長期運行。

WSN旨在通過應用自組織和自我修復智能來不斷適應不可預測的條件來克服這些挑戰。WSN技術的目標是一次提供極高的可靠性和可預測性，而無需無線專家不斷調整。

時間同步網狀協議 （TSMP） 為 WSN 智能提供了一種機制。通過定義無線節點如何利用無線電頻譜、加入網絡、建立冗余以及與鄰居通信，TSMP 為 WSN 應用奠定了堅實的基礎。

TSMP 概述

TSMP 是一種媒體訪問和網絡協議，專為低功耗、低帶寬的可靠網絡而設計。當前的 TSMP 實施在 IEEE 2.4.802 無線電上的 15.4 GHz ISM 頻段和專有無線電上的 900 MHz ISM 頻段中運行。表 1 顯示了標準無線網絡堆棧和 OSI 網絡堆棧中的 TSMP 元素。

TSMP 是一種基于數據包的協議，其中每個傳輸都包含一個數據包，當數據包被接收且完整且完整時，將生成確認 （ACK）。已建立機制，以盡可能高效可靠地通過多跳網絡傳輸數據包。所有可靠性和效率的測量都是基于每個數據包完成的。

TSMP 堆棧	標準無線堆棧	OSI 堆棧
應用	應用	應用
介紹	介紹	介紹
會期	會期	會期
臺階	網絡	運輸
		網絡
	媒體訪問	數據鏈路
物理的	物理的	物理的

數據包結構

TSMP 數據包由標頭、有效負載和尾部組成。數據包包含標識發送節點、定義目標、確保安全消息傳輸以及提供服務可靠性和質量信息的字段。出于本文的目的，我們將討論 TSMP 在 IEEE 802.15.4 無線電上的實現。802.15.4 標準規定最大數據包大小為 127 B，TSMP 保留 47 B 用于操作，剩余 80 B 用于有效負載。有關 TSMP 數據包結構的完整說明，請參閱附錄 A。

MAC 標頭

網絡 標頭

有效載荷

應用 麥克風

麥克 麥克

食品接觸物質

TSMP 還定義了幾種數據包類型。這些數據包類型啟用網絡中的特定功能。某些數據包類型優先于其他數據包類型;有些允許透明隧道，而另一些則需要在路由中的每個躍點進行數據包解析。

定義

以下各節使用了幾個術語，這些術語并不常見，讀者可能不熟悉。

TSMP節點：運行TSMP
的無線設備 TSMP網絡：TSMP節點的網絡 路徑：任意兩個TSMP節點
之間的雙向單跳連接。將此視為在兩個節點之間繪制的一條線，以表示連接性。
鏈路：兩個 TSMP 節點之間的定向通信通道。每個路徑有多個鏈接。鏈路是定向的，可以在路徑中添加/刪除以增加/減少可用帶寬。
路由：將源節點連接到目標節點的一系列路徑。在網狀網絡中，路由通常由多個躍點組成。
父節點：比引用節點更接近目標一躍點的節點。父節點路由子節點的數據。
子節點：比引用節點離目標遠一跳的節點。子節點將數據傳遞給父節點。
網狀網絡：所有節點
具有完全冗余路由的網絡 星形：終端節點和中央路由器之間具有非冗余路由的網絡

具有運行 TSMP 的嵌入式微處理器的無線設備稱為 TSMP 節點。通過路徑連接的 TSMP 節點網絡是 TSMP 網絡。TSMP 網絡形成網狀拓撲，其中數據通過從源（通常是傳感器）到目標（通常是網關）的路由傳輸。

臺階組件

在以下幾頁中，將詳細介紹 TSMP 的每個關鍵組件。閱讀本節后，技術讀者應該對 TSMP 節點的工作原理以及 TSMP 網絡的行為方式有一個很好的了解。

TSMP由五個關鍵組件組成：

時間同步通信

跳 頻

自動節點加入和網絡形成

完全冗余的網狀布線

安全郵件傳輸

時間同步通信

TSMP 網絡中的所有節點到節點通信都在特定的時間范圍內進行交易。同步通信通常被稱為時分多址（TDMA），是一種經過驗證的技術，可提供可靠高效的無線數據傳輸。與節點可以通過專用線（媒體）直接連接的有線系統不同，在無線系統中，彼此范圍內的所有設備必須共享相同的媒體。其他幾種媒體訪問控制（MAC）機制可用，包括CSMA，CDMA和TDMA。TSMP基于TDMA。

時隙和幀

在 TSMP 中，每個通信窗口稱為一個時隙。一系列時隙組成了一個幀，該幀在網絡的生命周期內重復。幀長度以插槽為單位計算，是一個可配置的參數 - 通過這種方式為網絡建立特定的刷新率。較短的幀長度可提高刷新率，增加有效帶寬并增加功耗。相反，較長的幀長度會降低刷新率，從而降低帶寬并降低功耗。一個 TSMP 節點可以同時參與多個幀，從而有效地為不同的任務提供多個刷新率。插槽和機架的概念如圖 1 所示。

圖1.TSMP 插槽和幀。

同步

任何TDMA系統的一個關鍵組成部分是時間同步 - 所有節點必須共享一個共同的時間感，以便它們準確地知道何時說話，傾聽或睡眠。這在 WSN 等功率受限的應用中尤其重要，在這些應用中，電池電源通常是唯一的選擇，更換電池可能既昂貴又麻煩。與其他 WSN 實現采用的“信標”策略相比，TSMP 不會以同步信標開始每一幀。信標策略可能需要消耗功率的長偵聽窗口。相反，TSMP節點保持精確的時間感，并與鄰居交換偏移信息以確保對齊。這些偏移值在標準 ACK 報文中沿用，不會產生額外的功率或開銷。

常識的時間感使許多網絡優勢成為可能：可以預先分配帶寬，以確保極其可靠的傳輸和零自干擾;發射節點可以有效地改變每次發射的頻率，接收節點可以保持鎖步;帶寬可以以非常可預測和有條不紊的方式隨意添加和刪除，以適應流量高峰;等等。

占空比

需要注意的是，TSMP 節點僅在三種狀態下處于活動狀態：1） 向鄰居發送消息，2） 偵聽鄰居通話，以及 3） 與嵌入式傳感器或處理器接口。在所有其他時間，節點處于睡眠狀態并且功耗非常低。在無線設備中，總功率預算的大部分（通常為>95%）由無線電消耗。為了實現低功耗，很明顯，必須盡量減少無線電準時。TDMA非常擅長這一點。時隙以毫秒為單位，在典型的WSN應用中，這導致網絡中所有節點（包括為鄰居中繼消息的節點）的占空比小于1%。由于所有節點（包括通常稱為“路由器”）都可以主動占空比，因此TDMA是完全電池供電網絡的唯一實用解決方案。

跳 頻

除了跨時間對無線媒體進行切片外，TSMP還跨頻率對其進行切片。這在面對常見的RF干擾源時提供了強大的容錯能力，并提供了有效帶寬的巨大增加。通常稱為跳頻擴頻 （FHSS），跨多個頻率跳頻是一種行之有效的方法，可以避開干擾并以敏捷性而不是蠻力克服射頻挑戰。

克服射頻挑戰的另一種技術是直接序列擴頻（DSSS）。DSSS提供了幾dB的編碼增益，并在多路徑衰落方面有所改善。雖然有益，但面對頻段中的常見干擾源，包括 Wi-Fi 設備、雙向無線電甚至藍牙，DSSS 是不夠的（見下面的圖 2）。應該注意的是，FHSS和DSSS的組合同時提供干擾抑制（FHSS）和編碼增益（DSSS）。

克服干擾的另一種技術是增加無線電功率 - 有效地“調高音量”。雖然通常有效，但調高 802.15.4 無線電的音量會耗盡電池壽命，并且不是低功耗 WSN 的理想解決方案。

圖2.802.15.4網絡中的跳頻與DSSS（來源：Dust Networks）。

跳頻序列

加入網絡后，TSMP 節點（稱為節點 C）將發現可用的鄰居并與網絡中已有的至少兩個節點建立通信，稱它們為父節點 A 和父節點 B（稍后將詳細介紹）。在此過程中，節點 C 將從父節點 A 和父節點 B 接收同步信息和跳頻序列。802.15.4 標準指定了 16.2-4000.2 ISM 頻段內的 4835 個不同頻率通道 — 因此，讓我們使用 16 作為我們的數字。跳頻序列是所有可用通道的偽隨機序列。例如，序列可以是：4，15，9，7，13，2，16，8，1等。節點 C 從每個父節點接收序列中的不同起點，當新節點加入它時，它將依次為這個新的子節點提供不同的起點。通過這種方式，確保每個成對連接在每個時隙期間位于不同的信道上，從而可以在任何一個位置廣泛使用可用頻段。

圖3.節點 A 和 B 是節點 C 的父節點。

在操作中，每個節點到節點的傳輸（例如 C→A）的頻率與之前的傳輸頻率不同。如果傳輸被阻止，下一次傳輸將發送到不同頻率的備用父級（C→B）。結果很簡單，但在面對典型的RF干擾時具有極強的彈性。

帶寬和可擴展性影響

與大多數通信機制一樣，增加不同通道的數量會成比例地增加系統的吞吐量。在 TSMP 的情況下，在 802.15.4 無線電之上使用 FHSS 可有效地將帶寬增加 16 倍。這是因為兩對在不同頻率上通信的節點即使在范圍內也不會相互干擾。相反，對于低數據速率應用，這意味著即使大部分頻段被RF干擾阻擋，消息仍將找到清晰的信道并直通。無論哪種情況，FHSS的效果都是大大提高系統的可靠性。

將頻率和時間劃分組合到一個映射中可提供以下矩陣。每個垂直列是一個時隙，每個水平行是一個頻率。每個單元（盒子）都是一對TSMP節點的獨特通信機會。

圖4.頻率/時間矩陣。

例如，每秒 802 個時隙的 15.4.60 無線電上的 TSMP 實現提供：

16 通道 x 60 插槽/秒 = 960 次傳輸/秒

假設有效載荷為 80 B，則有效總帶寬為：

960 次傳輸/秒 x 80 B/次傳輸 = 76.8 KB/秒

鑒于無線系統中的可擴展性主要由對媒體的訪問控制，媒體訪問協議越高效，網絡的可擴展性就越強。跳頻TDMA協議是協調節點通信的一種非常有效的方法。已經證明，超過1，000個TSMP節點可以在同一無線電空間中相互運行，而不會影響端到端的可靠性。相比之下，使用基于沖突的協議（如CSMA（載波感知多址））的密集節點網絡經常會遇到級聯沖突和網絡故障。

自動節點加入和網絡形成

TSMP網絡的一個關鍵屬性是其自組織能力。事實上，這是網狀網絡的關鍵原因之一。每個TSMP節點都具有發現鄰居，測量RF信號強度，獲取同步和跳頻信息，然后與鄰居建立路徑和鏈路的智能。

出于此討論的目的，請務必注意，所有 TSMP 節點都是完全有能力的網狀網絡節點。在 TSMP 中，沒有功能縮減、非路由傳感器節點或終端節點的概念。每個 TSMP 節點都能夠根據 RF 連接和/或網絡性能要求路由來自鄰居的流量。在安裝的生命周期中，節點可能作為終端節點加入，由于 RF 條件的變化而成為路由節點，然后恢復到終端節點。這種類型的行為在網狀網絡中并不少見，必須自動發生才能提供長期的網絡可靠性。

節點連接

在本節中，我們將描述 TSMP 節點如何加入已建立的網絡。已建立的網絡只是一組共享網絡 ID 和密碼并相互同步的節點。網絡通常由網關節點設定種子，該網關節點充當計時主節點并將配置信息中繼到所有其他網絡節點。

除了通過網絡傳輸應用程序消息的時隙之外，還有其他專用于網絡配置、鄰居發現和偵聽新加入請求的時隙。就像所有其他時隙一樣，這些時隙按照幀長度定義的刷新率進行時間循環。此外，當網絡節點相互通信時，它們會在消息中包含特殊代碼，這些代碼通告關鍵網絡設置，如幀長度、打開的偵聽槽和頻率、網絡 ID 和當前時間。當 TSMP 節點通電或復位時，它將開始偵聽這些代碼。

下面是一個加入節點的簡化狀態機：

在頻率 A 上偵聽一段時間，在 B 上偵聽，在 C 上偵聽,...

偵聽鄰居并鎖定計時信息，然后僅在每個插槽的開頭偵聽以確定是否有要接收的消息，從而降低功耗。

偵聽此頻率一段時間。在此期間，節點正在構建鄰居列表。這包括無線電范圍內的節點，這些節點在此頻率的時間段內傳輸。

報告鄰居列表，包括 RSSI。

選擇一個鄰居并發送加入請求。

從鄰居節點接收激活命令并建立鏈路。

所有 TSMP 消息都經過加密，并包含一個網絡 ID。網絡 ID 用于將節點綁定到一個網絡中，允許多個 TSMP 網絡在同一無線電空間中運行，而不會有共享數據或錯誤路由消息的風險。如果微塵聽到的網絡 ID 與其自己的 ID 不匹配的節點，則它不會啟動加入，而是會繼續不同步偵聽，直到聽到正確的 ID。還有一個用于加密消息的加入密鑰。如果 mote 具有錯誤的加入鍵，則父節點將不接受其加入請求，mote 將超時，并恢復為未同步偵聽。

完全冗余網狀路由

冗余路由在實際射頻環境中是必須的。由于天氣、新的或未知的射頻系統、移動設備和人口密度，條件隨著時間的推移而發生巨大變化。將此與節點放置、安裝程序實踐以及未來網絡擴展或重新調整用途的完全不可預測性相結合，人們可以清楚地了解射頻可靠性面臨的挑戰。具有自動節點加入和修復功能的全網狀拓撲使網絡能夠在面臨這些挑戰的情況下保持長期的可靠性和可預測性。與水流下坡一樣，只有自組織的全網狀網絡才能通過可用的節點拓撲找到并利用最穩定的路線。

完全冗余路由需要空間多樣性（嘗試其他路徑）和時間多樣性（稍后重試）。TSMP通過使每個節點能夠發現多個可能的父節點，然后與兩個或多個父節點建立鏈接來覆蓋空間多樣性。時間多樣性由重試和故障轉移機制處理。

空間分集 — 冗余路由

如前所述，所有 TSMP 節點都是路由器節點。這是對星形或混合星形網格架構的根本性進步。全網狀拓撲是適應不斷變化的條件的唯一方法。全網狀或“扁平”網絡（沒有更高或更低功能節點的概念）不依賴于專用路由器、基站或聚合器，也不需要其他解決方案的無線專業知識和安裝技能。無需勘測、工程，然后最終過度構建點對點連接。安裝全網狀時，所有連接的節點形成一個巨大的天線，用于其他連接節點。這允許極其快速和堅固的安裝。此外，如果需要擴展已安裝的網絡，只有全網狀網絡才能依靠邊緣節點自動承擔路由職責，從而優雅地容納新節點。請注意，在某些應用中（功率非常昂貴），可能需要讓終端節點保持為終端節點，并有選擇地拒絕承擔路由職責。TSMP 通過可配置的設置支持這種類型的自定義。

圖 5：網絡拓撲。

每個 TSMP 節點都維護自己的鄰居列表。此鄰居列表包括父節點和子節點。一個節點可以根據需要具有任意數量的父節點（這是一個可配置的參數）。例如，一個特定的高價值節點可能有四個父節點，以確保最大的可靠性。相反，可以將價值不大的節點配置為僅獲取一個父節點，以便為其他流量保留帶寬。

TSMP全網狀功能的一個關鍵因素是路由器節點的有效占空比。由于路由器可以保持小于 1% 的占空比，因此它可以僅作為終端節點供電。這種設備奇偶校驗意味著安裝和調試無需考慮設備類型、電源等。

時間多樣性 — 重試和故障轉移

建立鏈路后，TSMP 將提供通信機制以確保可靠運行。如上所述，節點到節點的消息傳輸發生在一個頻率的一個時隙中。在一個時隙內發送消息，發送節點切換到接收模式并等待確認 （ACK）。如果 ACK 未在時隙內到達，發送節點將在下一個可用時隙重試。這通常是針對備用父級的，并且始終處于不同的頻率。同樣，如果收到 NACK（指示未正確接收預期數據包的消息），則發送節點將在下一個可用插槽上重試。NACK 的生成方式有多種：校驗和無效 （FCS）、消息完整性代碼無效 （MIC） 或接收節點具有完整的消息隊列。

每個發送節點都會跟蹤缺失的 ACK 和 NACK。如果許多傳輸未得到確認，發送方將認為該路徑無效，并啟動與其鄰居列表中的下一個可用節點的通信。

安全郵件傳輸

安全郵件傳輸有三個支柱：加密、身份驗證和完整性。加密可防止消息攜帶的信息被其他方讀取。身份驗證可確保發件人實際上是發件人。完整性可確保消息原封不動地傳遞。TSMP 為每個功能提供了機制。值得注意的是，跳頻本身提供了一定程度的安全性。由于每對節點維護的偽隨機跳頻序列，如果偵聽接收器確實設法聽到一個傳輸，那么它只有 1/16 的機會（對于 802.15.4 無線電）聽到下一個傳輸。

加密

TSMP 使用行業標準的 128 位對稱密鑰加密來實現數據包有效負載的端到端機密性。共享密鑰的節點通過使用 CTR 模式密碼加密消息進行通信。由于所有節點都是時間同步的，因此使用唯一的時間戳來生成非重復的隨機數（使用一次的數字）作為加密向量。

認證

雖然加密提供了消息的機密性，但需要身份驗證來確保源身份。為了確保 TSMP 網絡中的每個數據包都由授權節點生成，TSMP 使用受 32 位消息完整性代碼 （MIC） 保護的數據包源地址。每個數據包都帶有兩個 MIC 代碼來提供身份驗證：由網絡層 MIC 保證的端到端源地址身份驗證，以及由 MAC 層 MIC 保證的節點到節點源地址身份驗證。MAC 層身份驗證對于保護 ACK 尤為重要。

正直

驗證發送節點地址的相同 32 位消息完整性代碼 （MIC） 也用于確保內容完整性。任何消息篡改都會使 MIC 失效，并立即被接收節點識別。

結論

在過去三年中，TSMP協議的可靠性已在具有挑戰性的網絡部署中得到證明。時間、頻率和空間多樣性的簡單而強大的概念提供了一個極其強大的網絡協議，可以應對現實世界的商業和工業環境的挑戰。嵌入式自組織和自我修復智能從根本上降低了安裝復雜性，并確保了長期可預測的行為。所有Dust Networks產品都建立在TSMP之上。Dust Networks目前正在與領先的組織合作，以標準化TSMP的核心組件。

審核編輯：郭婷