为何选择从zigbee协议走进mesh

1、1. 无线 Mesh 网络1.1什么是无线Mesh网络无线 Mesh网络(Wireless Mesh Network, WMN)是移动 Ad Hoc 网络的一种 特殊形态，它的早期研究均源于移动 Ad Hoc 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Ad Hoc 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，

2、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

3、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 WLA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

4、提高信道的利用效率。自组网纯粹Mesh网络的特点4冃 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匕节点的信息。 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 M

5、esh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）。WM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IEEE 802.11、Ad hoc网络和无线传感器网络等。Mesh WiFi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SEEMesifi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。SEEMes组织的成员包括英特尔、德州仪器和诺基亚等。WM标准已经出现在 IEEE802.11S

6、、802.15、802.16、802.20 中。1.2无线Mesh网络与蜂窝网络的主要区别 可靠性提高，自愈性强（网状结构 VS星型结构）； 传输速率大大提高（可融合其他网络或技术）； 投资成本降低； 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 对点多跳网络，数据可转发； 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WLAI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； MAC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； 对于路由协议，WLAN是静态的因特网路由协议+移动IP，WM主要是动 态的按需发现

7、的路由协议，只具有较短暂的生命周期。1.4 无线Mesh网络与 Ad hoc网的主要区别 均是P2P的自组织的多跳网络， WMNfe无线路由器构成的骨干网组成，Ad hoc 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 WM差； WMN节点移动性低于移动Ad hoc网络中的节点，故WM注重的是“无线”， 而移动 Ad hoc 网络更强调的是“移动”； 从网络结构来看，WM多为静态或弱移动的拓扑，而移动 Ad hoc网络多 为随意移动（包含高速移动）的网络拓扑； WMN与移动Ad hoc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

8、务，后者节点的业务是任意一对节点之间的业务流； 从应用来看，WMF主要是因特网或宽带多媒体通信业务的接入，而移动Ad hoc 网络主要用于军事或其他专业通信。研究 Ad Hoc 网络，需解决隐终端问题和暴露终端问题。1.5 WMN的优势 可靠性大大增强 具有冲突保护机制 简化链路设计 网络的覆盖范围增大 组网灵活、维护方便投资成本低、风险小无线mesh网构建无线城市2. IEEE 802系列协议简介IEEE 802.11IEEE 802.11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

9、.11S子工作组，制定标准化的 扩展服务集（ESS）,即802.11s专门为 WM定义了 MAC和PHY层协议，WLA接入 点可以像路由器一样转发信息。IEEE 802.15IEEE 802.15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，IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4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Mes

10、hIEEE 802.16IEEE 802.16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。IEEE 802.20EEE802.20 即移动宽带无线接入 MBWA(MobileBroadband Wireless Access) 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3.1 IEEE802.11s Mesh 网络标准1、发展802.11s最早开始于2003

11、年9月成立的IEEE 802.11ESSMesh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 draft D0.01 。经过多次非正式的评论决议 (commentresolu

12、tion )， 2006年 11 月形成 draft D1.00并进行信件投票(Letter Ballot )，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， Draft D2.00 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 WLA!在多个AP之间通过自配 置多跳的方式组网，提高WLAN勺覆盖范围。IEEE802.11

13、S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 WM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WLAF架构中， WLAN勺AP自动形成 WLAN勺WM骨干网。IEEE 802.11 Mesh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勺Ad hoc网络模式下，WM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

14、、In tra-mesh拥塞控制、功率控制、交互工作、安全和帧格式等内容。! !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。3.2 IEEE802.15 Mesh 网络标准IEEE 802.15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 WPA的物理层（PHY和媒体接入控制层（MA）802.15各子工作组定义内容IEEE 802.15子工作组定义内容IEEE 802.15.1蓝牙1.1版IEEE 802.15.1a蓝牙1.2版IEEE

15、802.15.2WLAI与 WPA的共存IEEE 802.15.3咼数据速率IEEE 802.15.1aUWBIEEE 802.15.4低数据速率及ZigBeeIEEE 802.15.5Mesh网络（下一代无线因特网技术：无线 Mesh网络方旭明等P23）IEEE 802. 15. 4IEEE 802. 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IEEE 802. 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

16、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。IEEE 802. 15. 5IEEE 802. 15. 5目前还在开发中，定位于WMN勺MAC层，不需要ZigBee或IP 路由支持。 I

17、EEE 802.15.5 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. 6802. 15. 6 为非官方标准

18、，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。3.3 IEEE802.16 Mesh 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

19、性要远低于P2MP模式。同时，随着节点数的增加，IEEE802.16 Mesh 网络的健壮性加强，覆盖范围扩大。IEEE 802. 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： 由于中心调度信息结构仅支持大约 100 个用户，所以 IEEE 802. 16 Mesh 的可升级性受到限制； IEEE802. 16 Mesh是基于无连接的 MAC其实时业务的 QoS难以保证； 假定两跳以外的节点之间没有干扰，则IEEE 802. 16 Mesh存在隐藏终端冲突； IEEE802. 16 Mesh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相互依赖等冋

20、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。3.4 IEEE802.20 Mesh 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

21、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吉构。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802.11s802.15.5802.16e802.20频带2.4GHz/5GHz2.4GHz/902928MHz/24002483.5MHz266

22、GHz<3.5GHz物理层标准802.11a/b/g802.15.3/802.15.4802.16a覆盖范围:几百米10m以内1.55km约15km,视情况对象WLANPANMANMBWAMesh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勺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。4.1 ZigBee 简介ZigBee是一种无线网络协定，主

23、要由 ZigBee Allianee 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。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915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高25

24、0kbit/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： 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。 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。 时延短：通信时延和从休眠状态

25、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。 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。 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。 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- 1 28的加密算法 ，各个应用可以灵活确定 其安全属性。ZigBee 的优点： 终端节点非常省电 Cluster-Tree 拓扑结构提供非常有效的路由 支持大规模