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(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，適用于能量有限的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。提出了一種基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)；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(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，是一種無(wú)中心、自組織的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，不需要任何基礎(chǔ)通信設(shè)施，能夠隨時(shí)隨地組建臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)特別適合應(yīng)用在一些無(wú)法或者不便預(yù)先鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的場(chǎng)所或者一些需要臨時(shí)快速組建無(wú)線網(wǎng)落的場(chǎng)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(yùn)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(gè)低功耗、低速率個(gè)人無(wú)線局域網(wǎng)底層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是IEEE802系列協(xié)議中的一員，定義了物理層和MAC層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。低速率個(gè)人局域網(wǎng)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的無(wú)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(wú)線連接成為可能。與WLAN相比，低速率個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，但是IEEE802．11協(xié)議對(duì)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量有很高的要求，限制了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的使用場(chǎng)合。而IEEE802．15．4是一個(gè)低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，基于IEEE802．15．4的的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在某些對(duì)于傳輸速率要求不高的場(chǎng)合有明顯的優(yōu)勢(shì)。
文中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802．15．4網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過(guò)程進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)；第2節(jié)對(duì)IEEE802．15．4的組網(wǎng)過(guò)程進(jìn)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(jì)；最后一節(jié)總結(jié)本文做的工作，并對(duì)后續(xù)要做的工作進(jìn)行了分析。

1 IEEE802．15．4組網(wǎng)分析
IEEE802．15．4組網(wǎng)過(guò)程中，在PAN協(xié)調(diào)器啟動(dòng)以后其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程，可以分為兩個(gè)部分：信道掃描和請(qǐng)求連接兩個(gè)過(guò)程。
信道掃描分為主動(dòng)掃描(Active scan)、被動(dòng)掃描(Passive claannel scan)、能量掃描(ED channel scan)和孤點(diǎn)信道掃描(Orphan chan nel scan)。PAN協(xié)調(diào)器啟動(dòng)時(shí)，采用能量掃描選擇一個(gè)干擾較少的信道建立PAN，而主動(dòng)掃描和被動(dòng)掃描則在其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用。通常，在信標(biāo)模式下，多采用被動(dòng)掃描，而在非信標(biāo)模式下，則必須采用主動(dòng)掃描。信道掃描的目的是為了選擇一個(gè)干擾少的邏輯信道，在需要快速組網(wǎng)且無(wú)線干擾較少的場(chǎng)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(guò)程，加快網(wǎng)絡(luò)組成。
節(jié)點(diǎn)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(qǐng)求，申請(qǐng)加入該P(yáng)AN。PAN協(xié)調(diào)器的MlAC層在接收到該請(qǐng)求后，將向請(qǐng)求連接的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀，同時(shí)向上層發(fā)送連接請(qǐng)示原語(yǔ)，標(biāo)識(shí)有節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求連接。協(xié)調(diào)器上層接收到MAC層發(fā)來(lái)的指示后，在最長(zhǎng)aResponse WaitTime個(gè)符號(hào)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(qǐng)求設(shè)備分配一個(gè)短地址，并發(fā)送給請(qǐng)求連接節(jié)點(diǎn)一個(gè)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(biāo)模式下，節(jié)點(diǎn)必須等待aResponse WaitTime個(gè)符號(hào)周期，才能發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求嘗試獲取連接響應(yīng)命令。
可以看出，節(jié)點(diǎn)發(fā)出連接的目的就是為了讓PAN協(xié)調(diào)器動(dòng)態(tài)地為其分配一個(gè)短地址。那么，在需要快速組網(wǎng)的應(yīng)用中，可以對(duì)短地址進(jìn)行實(shí)現(xiàn)分配，并使節(jié)點(diǎn)的短地址和節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)ID相對(duì)應(yīng)。在事先設(shè)置了短地址后，節(jié)點(diǎn)可以直接使用設(shè)置的短地址發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，而不需要在經(jīng)過(guò)連接請(qǐng)求的過(guò)程。
IEEE802．15．4將信道分為32個(gè)信道頁(yè)(Channel Page)，每個(gè)信道頁(yè)使用不同的調(diào)制方式。最新的標(biāo)準(zhǔn)使用了3個(gè)信道頁(yè)，其余29個(gè)信道頁(yè)保留。在每個(gè)信道頁(yè)又有不同的邏輯信道，每個(gè)邏輯信道都有自己的工作頻率。868 MHz有1個(gè)邏輯信道，915 MHz有10個(gè)邏輯信道，2 450 MHz有16個(gè)邏輯信道。

2 組網(wǎng)方案
由于IEEE802．15．4支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，可以在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)的信道掃描，并且網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)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(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802．15．4網(wǎng)絡(luò)中的PAN協(xié)調(diào)器，也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)功能相同。