基于IEEE802．15．4的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)快速組網(wǎng)研究

摘要：IEEE802．15．4是一種低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議標準，適用于能量有限的無線網(wǎng)絡(luò)中。提出了一種基于IEEE802．15．4標準的低功耗、能夠快速組網(wǎng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案。在該組網(wǎng)方案中，以IEEE 802．15．4協(xié)議標準為基礎(chǔ)，設(shè)計了一個能夠快速組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層。在網(wǎng)絡(luò)層中，使用AODV作為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。
關(guān)鍵詞：IEEE802．15．4協(xié)議標準；Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；AODV路由協(xié)議；快速組網(wǎng)

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)即無線自組織網(wǎng)絡(luò)，是一種無中心、自組織的多跳無線網(wǎng)絡(luò)，不需要任何基礎(chǔ)通信設(shè)施，能夠隨時隨地組建臨時性網(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特別適合應(yīng)用在一些無法或者不便預(yù)先鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的場所或者一些需要臨時快速組建無線網(wǎng)落的場合。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究是因軍事應(yīng)用發(fā)起的，現(xiàn)在仍然主要被運用在軍事上，在民用方面的應(yīng)用也在不斷發(fā)展。
IEEE802．15．4是一個低功耗、低速率個人無線局域網(wǎng)底層協(xié)議標準，是IEEE802系列協(xié)議中的一員，定義了物理層和MAC層協(xié)議標準。低速率個人局域網(wǎng)是一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它使得在低電能和低吞吐量的應(yīng)用環(huán)境中使用無線連接成為可能。與WLAN相比，低速率個人局域網(wǎng)只需要很少的基礎(chǔ)設(shè)施，甚至不需要基礎(chǔ)設(shè)施，為構(gòu)建低功耗的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)提供了可能。
盡管IEEE802．11已經(jīng)成為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議標準，但是IEEE802．11協(xié)議對于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量有很高的要求，限制了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的使用場合。而IEEE802．15．4是一個低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準，基于IEEE802．15．4的的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在某些對于傳輸速率要求不高的場合有明顯的優(yōu)勢。
文中對標準的IEEE802．15．4網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程進行了深入的分析，并在了解AdHoc網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于IEEE802．1 5．4標準的低功耗、能夠快速組網(wǎng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案。在該組網(wǎng)方案中，使用了Atmel公司提供的AVR2025協(xié)議棧做為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層協(xié)議，并在該協(xié)議棧的基礎(chǔ)上構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)層。在網(wǎng)絡(luò)層中，使用AODV做為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議。
本文的內(nèi)容安排如下：第1節(jié)介紹IEEE802．15．4協(xié)議標準；第2節(jié)對IEEE802．15．4的組網(wǎng)過程進行分析，并提出基于IEEE802．15．4的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)快速組網(wǎng)方案；第3節(jié)介紹網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計；最后一節(jié)總結(jié)本文做的工作，并對后續(xù)要做的工作進行了分析。

1 IEEE802．15．4組網(wǎng)分析
IEEE802．15．4組網(wǎng)過程中，在PAN協(xié)調(diào)器啟動以后其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的過程，可以分為兩個部分：信道掃描和請求連接兩個過程。
信道掃描分為主動掃描(Active scan)、被動掃描(Passive claannel scan)、能量掃描(ED channel scan)和孤點信道掃描(Orphan chan nel scan)。PAN協(xié)調(diào)器啟動時，采用能量掃描選擇一個干擾較少的信道建立PAN，而主動掃描和被動掃描則在其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時使用。通常，在信標模式下，多采用被動掃描，而在非信標模式下，則必須采用主動掃描。信道掃描的目的是為了選擇一個干擾少的邏輯信道，在需要快速組網(wǎng)且無線干擾較少的場合可以事先設(shè)置好PAN的邏輯信道，從而省略掉信道掃描的過程，加快網(wǎng)絡(luò)組成。
節(jié)點在獲取PAN的信息以后，就可以向PAN協(xié)調(diào)器發(fā)送連接請求，申請加入該PAN。PAN協(xié)調(diào)器的MlAC層在接收到該請求后，將向請求連接的節(jié)點發(fā)送一個確認幀，同時向上層發(fā)送連接請示原語，標識有節(jié)點請求連接。協(xié)調(diào)器上層接收到MAC層發(fā)來的指示后，在最長aResponse WaitTime個符號周期內(nèi)根據(jù)自己的具體情況決定是否同意連接，如果同意，則協(xié)調(diào)器需要給請求設(shè)備分配一個短地址，并發(fā)送給請求連接節(jié)點一個包含新地址和連接成功狀態(tài)的連接響應(yīng)命令。在非信標模式下，節(jié)點必須等待aResponse WaitTime個符號周期，才能發(fā)送數(shù)據(jù)請求嘗試獲取連接響應(yīng)命令。
可以看出，節(jié)點發(fā)出連接的目的就是為了讓PAN協(xié)調(diào)器動態(tài)地為其分配一個短地址。那么，在需要快速組網(wǎng)的應(yīng)用中，可以對短地址進行實現(xiàn)分配，并使節(jié)點的短地址和節(jié)點的標識ID相對應(yīng)。在事先設(shè)置了短地址后，節(jié)點可以直接使用設(shè)置的短地址發(fā)送數(shù)據(jù)請求，而不需要在經(jīng)過連接請求的過程。
IEEE802．15．4將信道分為32個信道頁(Channel Page)，每個信道頁使用不同的調(diào)制方式。最新的標準使用了3個信道頁，其余29個信道頁保留。在每個信道頁又有不同的邏輯信道，每個邏輯信道都有自己的工作頻率。868 MHz有1個邏輯信道，915 MHz有10個邏輯信道，2 450 MHz有16個邏輯信道。

2 組網(wǎng)方案
由于IEEE802．15．4支持點對點網(wǎng)絡(luò)，可以在點對點的基礎(chǔ)上搭建Mesh網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。在IEEE802．15．4組網(wǎng)分析中，為了加速網(wǎng)絡(luò)的形成，取消了PAN協(xié)調(diào)器建立時的信道掃描，并且網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點的短地址也不由其分配，因此在本文中的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中并沒有標準的IEEE802．15．4網(wǎng)絡(luò)中的PAN協(xié)調(diào)器，也就是說網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點功能相同。