基于IEEE802．15．4的Ad Hoc網絡快速組網研究

摘要：IEEE802．15．4是一種低功耗的無線網絡通信協(xié)議標準，適用于能量有限的無線網絡中。提出了一種基于IEEE802．15．4標準的低功耗、能夠快速組網的Ad Hoc網絡組網方案。在該組網方案中，以IEEE 802．15．4協(xié)議標準為基礎，設計了一個能夠快速組網的網絡層。在網絡層中，使用AODV作為Ad Hoc網絡的路由協(xié)議。
關鍵詞：IEEE802．15．4協(xié)議標準；Ad Hoc網絡；AODV路由協(xié)議；快速組網

Ad Hoc網絡即無線自組織網絡，是一種無中心、自組織的多跳無線網絡，不需要任何基礎通信設施，能夠隨時隨地組建臨時性網絡。Ad Hoc網絡特別適合應用在一些無法或者不便預先鋪設網絡設備的場所或者一些需要臨時快速組建無線網落的場合。Ad Hoc網絡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是一個低功耗、低速率個人無線局域網底層協(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。低速率個人局域網是一種結構簡單、成本低廉的無線通信網絡，它使得在低電能和低吞吐量的應用環(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網絡提供了可能。
盡管IEEE802．11已經成為Ad Hoc網絡的MAC層協(xié)議標準，但是IEEE802．11協(xié)議對于網絡節(jié)點的能量有很高的要求，限制了Ad Hoc網絡的使用場合。而IEEE802．15．4是一個低功耗的無線網絡協(xié)議標準，基于IEEE802．15．4的的Ad Hoc網絡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網絡的組網過程進行了深入的分析，并在了解AdHoc網絡關鍵技術的基礎上，提出了一種基于IEEE802．1 5．4標準的低功耗、能夠快速組網的Ad Hoc網絡組網方案。在該組網方案中，使用了Atmel公司提供的AVR2025協(xié)議棧做為網絡協(xié)議棧的底層協(xié)議，并在該協(xié)議棧的基礎上構建了網絡層。在網絡層中，使用AODV做為Ad Hoc網絡的路由協(xié)議。
本文的內容安排如下：第1節(jié)介紹IEEE802．15．4協(xié)議標準；第2節(jié)對IEEE802．15．4的組網過程進行分析，并提出基于IEEE802．15．4的Ad Hoc網絡快速組網方案；第3節(jié)介紹網絡層的設計；最后一節(jié)總結本文做的工作，并對后續(xù)要做的工作進行了分析。

1 IEEE802．15．4組網分析
IEEE802．15．4組網過程中，在PAN協(xié)調器啟動以后其他節(jié)點加入網絡的過程，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)點加入網絡時使用。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，在需要快速組網且無線干擾較少的場合可以事先設置好PAN的邏輯信道，從而省略掉信道掃描的過程，加快網絡組成。
節(jié)點在獲取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(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)送數據請求嘗試獲取連接響應命令。
可以看出，節(jié)點發(fā)出連接的目的就是為了讓PAN協(xié)調器動態(tài)地為其分配一個短地址。那么，在需要快速組網的應用中，可以對短地址進行實現分配，并使節(jié)點的短地址和節(jié)點的標識ID相對應。在事先設置了短地址后，節(jié)點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 組網方案
由于IEEE802．15．4支持點對點網絡，可以在點對點的基礎上搭建Mesh網絡，如圖1所示。在IEEE802．15．4組網分析中，為了加速網絡的形成，取消了PAN協(xié)調器建立時的信道掃描，并且網絡中其他節(jié)點的短地址也不由其分配，因此在本文中的Ad Hoc網絡中并沒有標準的IEEE802．15．4網絡中的PAN協(xié)調器，也就是說網絡中的每個節(jié)點功能相同。