采用全網(wǎng)絡(luò)休眠方法的另一個反響是，用戶被迫接受低于應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)速率 (因此也就少于應(yīng)用所要求的數(shù)據(jù))。這種折中令人遺憾，因為 WSN 的主要用途是可靠傳送數(shù)據(jù)，并通過這些數(shù)據(jù)更深入地洞察用戶系統(tǒng)，確定是否存在不良運行趨勢和效率低的問題，例如是否因發(fā)動機(jī)老化而出現(xiàn)了性能劣化，或者零售店中的冷藏設(shè)備是否因太過陳舊而周期性地增大了功耗。如果由于網(wǎng)絡(luò)限制而使 WSN 提供的數(shù)據(jù)過于稀疏，那么 WSN 的實用性和洞察能力就變得有限了，而且就監(jiān)視 / 控制系統(tǒng)這一總體價值主張而言，也有實現(xiàn)效果大打折扣的風(fēng)險。

時間同步通道跳頻網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)

時間同步通道跳頻 (TSCH) 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)跨整個多跳網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)嚴(yán)格的時間同步，嚴(yán)密協(xié)調(diào)通信及頻道使用。在 TSCH 網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點都采用共同的時間標(biāo)準(zhǔn)，整個網(wǎng)絡(luò)的時間標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確度在數(shù) 10 微妙以內(nèi)。相鄰節(jié)點之間交換時間偏移信息，以保持時間同步。網(wǎng)絡(luò)通信被安排到多個時隙中，在這些時隙中，每個數(shù)據(jù)包的發(fā)送 / 接收都排定了時間。也就是說，每個時隙都足夠長 (例如 7.5ms)，以供發(fā)送節(jié)點喚醒、發(fā)送數(shù)據(jù)包并接收來自接收節(jié)點的鏈路層確認(rèn)信號。TSCH 網(wǎng)絡(luò)的流量傳送可以動態(tài)地安排，這就實現(xiàn)了成對通道跳頻、完整路徑和頻率多樣性，也實現(xiàn)了低功耗數(shù)據(jù)包和高可用性占空比。

成對通道跳頻 ─ 時間同步能夠在每一個發(fā)送器-接收器對上實現(xiàn)通道跳頻，因此實現(xiàn)了頻率多樣性。在 TSCH 網(wǎng)絡(luò)中，每個數(shù)據(jù)包交換通道都會跳頻，以避開不可避免的 RF 干擾和多徑衰落。此外，不同設(shè)備對之間的多次數(shù)據(jù)傳送可以在不同的通道上同時發(fā)生，這增大了網(wǎng)絡(luò)帶寬。例如，在 IEEE 802.15.4 2.4GHz 無線規(guī)范中，提供了 15 個可用通道，該規(guī)范是 WSN 最常用的選擇，因為全球都可以使用這一 ISM 頻段。這就意味著，與單通道 802.15.4 WSN 相比，TSCH 網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬擴(kuò)大到 15 倍。

完整通路和頻率多樣性 ─ 每個設(shè)備都有冗余通路以克服干擾引起的通信中斷、物理障礙或多徑衰落問題。如果一個數(shù)據(jù)包在一條通路上的傳輸失敗了，那么智能節(jié)點會自動在下一個可用通路及不同的 RF 通道上重試 (參見圖 1)。每次重試 (時間多樣性) 都利用了通路多樣性和頻率多樣性，因此每次重試成功的可能性都比單通道系統(tǒng)高。

低功率數(shù)據(jù)包交換 ─ 采用 TSCH 后，允許節(jié)點在排定的通信間隙以超低功耗休眠。每個設(shè)備都僅在發(fā)送數(shù)據(jù)包或等待來自相鄰設(shè)備可能發(fā)送的數(shù)據(jù)包時，才進(jìn)入工作模式。更重要的是，既然每個節(jié)點都知道自己的排定喚醒時間，所以所有節(jié)點都隨時可用來轉(zhuǎn)發(fā)來自相鄰節(jié)點的信息。因此，TSCH 網(wǎng)絡(luò)常常達(dá)到 <1% 的占空比，同時仍能保持網(wǎng)絡(luò)完全可用。此外，既然對每個數(shù)據(jù)包的收發(fā)都排定了時間，那么在 TSCH 網(wǎng)絡(luò)中就沒有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)包碰撞問題。網(wǎng)絡(luò)可以非常密集，并可以擴(kuò)展，而不會產(chǎn)生削弱 RF 信號的自干擾。

高可用性動態(tài)占空比 ─ 與全網(wǎng)絡(luò)動態(tài)占空比網(wǎng)絡(luò)不同，在 TSCH 網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都僅當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)包或等待接收數(shù)據(jù)包時，才喚醒其收發(fā)器。通過將網(wǎng)絡(luò)信息傳送的時間安排細(xì)化到單獨的發(fā)送器-接收器收發(fā)操作這一層面，TSCH 網(wǎng)絡(luò)可以非常方便地跨整個網(wǎng)絡(luò)提供不同占空比的數(shù)據(jù)傳送。例如，如果用戶在一處使用了僅需 1 小時發(fā)送一次數(shù)據(jù)的水箱水位傳感器，而在另一處使用了每隔幾秒鐘就需報告一次數(shù)據(jù)的壓力 / 水流傳感器，那么 TSCH 網(wǎng)絡(luò)將僅按照傳感器各自所需的頻度喚醒節(jié)點 (及其母節(jié)點)，以可靠支持該類型的數(shù)據(jù)傳送。

整合 TSCH 與低功率硬件可產(chǎn)生巨大威力

過去 10 年來，802.15.4 收發(fā)器在發(fā)送、接收和休眠等一般工作模式時所需的工作電流一直在穩(wěn)步下降。例如，凌力爾特公司提供的 LTC5800-IPM 消耗 +8dBm 發(fā)送功率時，吸取 9.5mA 電流，接收時吸取 4.5mA 電流，這比前一代 802.15.4 收發(fā)器低 3 至 5 倍。降低所需峰值電流是一個良好的開端，但是發(fā)送一個數(shù)據(jù)包所需的能量是一段時間內(nèi)所吸取電荷總量的函數(shù)。如果用示波器測量所吸取的電流，并畫出隨時間變化的電流曲線 (參見圖 2)，那么發(fā)送一個數(shù)據(jù)包所需能量就可以用曲線下方涵蓋的面積表示，可以看出該能量既受到峰值電流的影響，又受到每次處于工作狀態(tài)的時長所影響。LTC5800-IPM 等產(chǎn)品實現(xiàn)了精確優(yōu)化的數(shù)據(jù)包交換，在 3.6V 電源電壓時僅需 54.5µC 電荷量 (或消耗 196.2µJ 能量) 就可成功完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送 / 確認(rèn)。

圖 2：通路和頻率多樣性 ─ 如果通信在“綠色”箭頭所示方向失敗，那么節(jié)點 D 就會采用另一個通道和途徑，在“紫色”箭頭所示方向重試。