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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議標準，適用于能量有限的無(wú)線(xiàn)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，設計了一個(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(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )，是一種無(wú)中心、自組織的多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，不需要任何基礎通信設施，能夠隨時(shí)隨地組建臨時(shí)性網(wǎng)絡(luò )。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )特別適合應用在一些無(wú)法或者不便預先鋪設網(wǎng)絡(luò )設備的場(chǎng)所或者一些需要臨時(shí)快速組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)落的場(chǎng)合。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò )的研究是因軍事應用發(fā)起的，現在仍然主要被運用在軍事上，在民用方面的應用也在不斷發(fā)展。
IEEE802．15．4是一個(gè)低功耗、低速率個(gè)人無(wú)線(xiàn)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(gè)人局域網(wǎng)是一種結構簡(jiǎn)單、成本低廉的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，它使得在低電能和低吞吐量的應用環(huán)境中使用無(wú)線(xiàn)連接成為可能。與WLAN相比，低速率個(gè)人局域網(wǎng)只需要很少的基礎設施，甚至不需要基礎設施，為構建低功耗的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(xiàn)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(chǎng)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(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)議棧的基礎上構建了網(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。
本文的內容安排如下：第1節介紹IEEE802．15．4協(xié)議標準；第2節對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節介紹網(wǎng)絡(luò )層的設計；最后一節總結本文做的工作，并對后續要做的工作進(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)調器啟動(dòng)以后其他節點(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)掃描則在其他節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)使用。通常，在信標模式下，多采用被動(dòng)掃描，而在非信標模式下，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(xiàn)干擾較少的場(chǎng)合可以事先設置好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。
節點(diǎn)在獲取PAN的信息以后，就可以向PAN協(xié)調器發(fā)送連接請求，申請加入該PAN。PAN協(xié)調器的MlAC層在接收到該請求后，將向請求連接的節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認幀，同時(shí)向上層發(fā)送連接請示原語(yǔ)，標識有節點(diǎn)請求連接。協(xié)調器上層接收到MAC層發(fā)來(lái)的指示后，在最長(cháng)aResponse WaitTime個(gè)符號周期內根據自己的具體情況決定是否同意連接，如果同意，則協(xié)調器需要給請求設備分配一個(gè)短地址，并發(fā)送給請求連接節點(diǎn)一個(gè)包含新地址和連接成功狀態(tài)的連接響應命令。在非信標模式下，節點(diǎn)必須等待aResponse WaitTime個(gè)符號周期，才能發(fā)送數據請求嘗試獲取連接響應命令。
可以看出，節點(diǎn)發(fā)出連接的目的就是為了讓PAN協(xié)調器動(dòng)態(tài)地為其分配一個(gè)短地址。那么，在需要快速組網(wǎng)的應用中，可以對短地址進(jìn)行實(shí)現分配，并使節點(diǎn)的短地址和節點(diǎn)的標識ID相對應。在事先設置了短地址后，節點(diǎn)可以直接使用設置的短地址發(fā)送數據請求，而不需要在經(jīng)過(guò)連接請求的過(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)使用不同的調制方式。最新的標準使用了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)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，可以在點(diǎn)對點(diǎn)的基礎上搭建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)調器建立時(shí)的信道掃描，并且網(wǎng)絡(luò )中其他節點(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)有標準的IEEE802．15．4網(wǎng)絡(luò )中的PAN協(xié)調器，也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)功能相同。