6TiSCH无线工业网络：确定性与IPv6的融合

### 6TiSCH无线工业网络：确定性与IPv6的融合 #### 1. TSCH调度 Timeslotted Channel Hopping（TSCH）与传统低功耗MAC协议不同，因其具有调度性质。在TSCH网络中，每个节点都遵循一个调度表。这个调度表类似于一个矩阵，其宽度等于时隙帧大小，高度等于可用频率的数量。 TSCH调度表中的单个元素由时隙偏移（slotOffset）和信道偏移（channelOffset）标识，被称为一个单元（cell）。单元可被视为调度算法分配的原子单位。由于TSCH的信道跳变特性，调度算法无需担心实际通信发生的频率，因为它会在每个时隙帧迭代时改变。 TSCH调度表指示每个节点在每个时隙中要执行的操作：发送、接收或休眠。因此，单元可以是已调度或未调度的。在未调度单元期间，节点不进行通信。当单元被调度时，它会被分配一个MAC层时隙帧标识符、一个邻居MAC地址（可以是广播地址），以及以下一个或多个标志：TX（发送）、RX（接收）、共享（shared）、计时（timeskeeping）、硬单元（hard）。 TSCH调度表包含所有时隙帧中的所有已调度单元，足以确定TSCH网络中的通信。一旦节点获得其调度表，它就会执行该表： - 对于每个TX单元，节点检查传出队列中是否有与该时隙调度信息中写入的邻居匹配的数据包。如果没有，则节点在该时隙期间关闭其无线电。如果有，则节点可以要求邻居进行确认，在这种情况下，它必须在发送后监听确认信息。 - 对于每个RX单元，节点监听可能的传入数据包。如果在一段时间的监听后没有收到任何数据包，则关闭其无线电。如果收到一个寻址到该节点的数据包，并且通过了安全检查，则节点可以根据请求发回确认信息。 假设调度表构建良好，如果节点E被调度在时隙偏移1和信道偏移1处向节点B发送数据，那么节点B将被调度在相同的时隙偏移和信道偏移处从节点E接收数据。 如果有大量数据从节点E流向节点B，调度表可能在同一时隙帧中包含多个从E到B的单元。调度给同一邻居的多个单元通常是等效的，即MAC层会在数据包放入MAC队列后，在这些单元中首先出现的单元上发送数据包。所有由不同的[时隙偏移，信道偏移]标识的这些单元的集合，它们被调度用于相同的目的，与相同的邻居（例如，两个邻居E和B之间），具有相同的标志和相同的时隙帧，被称为一个捆绑（bundle）。由于时隙帧会随时间重复，每个单元为给定邻居提供一定的带宽“量子”。修改捆绑中的单元数量会修改两个邻居之间分配的资源量。 默认情况下，TSCH调度表中的每个已调度TX单元是专用的，即仅保留给节点E向节点B发送数据。IEEE 802.15.4e还允许将单元标记为共享。在共享单元中，多个节点可以在同一频率上同时发送数据。为避免冲突，TSCH为共享单元定义了一种退避算法。 已调度单元可以同时标记为发送（TX）和接收（RX）。在这种情况下，如果节点的输出缓冲区中有合适的数据包，则发送；否则监听。将单元标记为[TX，共享，RX]会导致时隙ALOHA行为。 沿多跳路径调度的单元序列称为轨道（track）。它是预留的结果，属于初始化建立轨道过程的节点。 调度表完全定义了节点之间的同步和通信。通过在邻居之间添加/删除单元，可以使调度表适应特定应用的需求。可以： - 对于节点需要尽可能少消耗能量的应用，使调度表“稀疏”，但代价是带宽降低。 - 对于节点生成大量数据的应用，使调度表“密集”，但代价是功耗增加。 - 沿着有许多数据包流动的多跳路由添加更多单元。 TSCH定义了执行通信调度表的机制。然而，调度表如何构建、更新和维护，以及由哪个实体负责，超出了IEEE 802.15.4e标准的范围。研究界已经研究了几种调度方法： - 集中式流量感知调度算法（TASA）：利用匹配和着色程序，根据网络拓扑和流量负载为整个网络拓扑图中的所有节点调度单元和轨道，以提供所需的QoS水平。 - 分散式方法：如OpenWSN项目中的uRes，采用基于协商的方法，节点与其邻居协商分配单元，以最小化冲突数量；Morell等人提出的方法引入了TSCH网络中的标签交换概念，并使用预留来建立和管理节点之间的轨道。 #### 2. 信道跳变 IEEE 802.15.4e的TSCH模式结合了时间同步和信道跳变，能够提供超高可靠性和超低功耗。对于每个已调度单元，调度表定义了一个时隙偏移和一个信道偏移。后者由两个通信节点使用以下公式转换为频率： ```plaintext frequency = F(channelOffset + ASN) MOD nFreq ``` 函数F由一个查找表组成，该表包含可用信道的集合。查找表的大小等于可用频率的数量nFreq。信道偏移值的数量与可用频率的数量相同（例如，使用符合IEEE 802.15.4的2.4GHz无线电且使用所有信道时为16个）。由于两个节点在其调度表中为该已调度单元写入了相同的信道偏移，并且由于它们是同步的，所以具有相同的ASN计数器，因此它们计算出相同的频率。然而，在时隙帧的下一次迭代（周期）中，信道偏移相同，但ASN会改变，从而导致计算出不同的频率。 TSCH的信道跳变特性使链路非常稳定。无线现象（如多径衰落和外部干扰）在每个频率上对两个节点之间的无线链路的影响不同。如果两个节点之间的传输失败，在不同频率上重传比在相同频率上重传更有可能成功。因此，即使某些频率表现不佳，信道跳变也会平均每个频率的贡献，从而导致更稳定的链路和更稳定的拓扑。 #### 3. TSCH确定性网络 IEEE 802.15.4e TSCH由于时分复用（TDM）、时间同步以及将时间格式化为时隙帧的组合，形成了一种确定性无线MAC标准，适用于确定性流量，即发射速率和路由路径模式预先已知的流量。对于此类流量，确定性网络会在多跳路由路径上的精确时刻分配所需的资源（缓冲区、处理器、介质访问）。在TSCH网络中，带宽以TDM方式预先格式化。因