基于IEEE802.15.4的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)快速組網(wǎng)研究

李曉輝，王福豹，黃 亮

（西北工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710072）

Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)[1]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[3]，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)[3]，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IEEE802.15.4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，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[4]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 channel scan）、能量掃描（ED channel scan）和孤點(diǎn)信道掃描（Orphan channel 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MAC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)aResponseWaitTime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aResponseWaitTime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)[4]。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。

圖1 基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)形成的Mesh網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Mesh network based on point-to-point network

取消掉信道掃描和短地址分配兩個(gè)過(guò)程以后，基于IEEE802.15.4的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的形成過(guò)程如圖2所示。

首先，節(jié)點(diǎn)需要初始化IEEE802.15.4協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)層。初始化完成以后，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)將自己的PAN ID、邏輯信道和短地址設(shè)置為事先約定好的值。節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行通信時(shí)，需要建立路由信息。

3 網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層提供兩種類型的服務(wù)：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)，這兩種服務(wù)的實(shí)體在網(wǎng)絡(luò)層中分別被叫做NLDE和NLME。這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體都為上層提供功能接口，兩個(gè)實(shí)體之間也有網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)部接口。NLME會(huì)調(diào)用NLDE提供的內(nèi)部接口，以完成一些管理功能。節(jié)點(diǎn)軟件的參考模型如圖3所示。

圖2 基于IEEE802.15.4的Ad Hoc組網(wǎng)過(guò)程Fig.2 Networking process of Ad Hoc network based on IEEE802.15.4

圖3 軟件參考模型Fig.3 Software reference model

在網(wǎng)絡(luò)層可能需要發(fā)送3種幀：上一層需要網(wǎng)絡(luò)層向某一節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀；網(wǎng)絡(luò)層由于找不到可以利用的路徑，需要廣播發(fā)送RREQ幀啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程；網(wǎng)絡(luò)層接收到RREQ消息時(shí)，符合條件需要發(fā)送 RREP消息給源節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，首先會(huì)在本地路由表中查找到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)路徑。如果找到該路徑，將數(shù)據(jù)幀沿著該路徑發(fā)送出去；如果沒(méi)有找到路徑，會(huì)先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀緩存起來(lái)，而后調(diào)用路由模塊，生成 RREQ消息，啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層接收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，首先檢查該數(shù)據(jù)幀的目的節(jié)點(diǎn)是否為本節(jié)點(diǎn)。如果為本節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)層將該數(shù)據(jù)幀的幀頭去掉，將數(shù)據(jù)傳送給上一層；如果目的節(jié)點(diǎn)不為本節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)層首先在本地路由表中查找到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的下一跳地址。如果找到下一跳地址，將該數(shù)據(jù)幀繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一跳；如果沒(méi)有下一跳地址，網(wǎng)絡(luò)層需要生成 RREQ消息，啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程。

而當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層接收到一個(gè) RREQ消息、RREP消息或者其他命令幀時(shí)，會(huì)交給路由模塊進(jìn)行處理。

4 結(jié) 論

文中提出了一種基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)方案，設(shè)計(jì)了MAC層之上的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，試圖建立一種能夠進(jìn)行快速組網(wǎng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。首先，分析了基于IEEE 802.15.4組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的有點(diǎn)和可能性。其次，在分析了IEEE802.15.4的組網(wǎng)流程的基礎(chǔ)上，省略掉了一些在特定環(huán)境下沒(méi)有必要的組網(wǎng)操作，簡(jiǎn)化了組網(wǎng)的流程，減少了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)時(shí)間。

由于基于IEEE802.15.4組建Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究很少，本文只是在這方面進(jìn)行了一些探索研究。關(guān)于如何在IEEE 802.15.4基礎(chǔ)上組建完全符合實(shí)際應(yīng)用的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，個(gè)人認(rèn)為還有以下許多工作要做。

1）安全機(jī)制。由于現(xiàn)有的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)大都應(yīng)用于軍事上，安全機(jī)制是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中需要研究的關(guān)鍵點(diǎn)之一。文中，為了簡(jiǎn)化協(xié)議的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，沒(méi)有考慮網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的安全性。在網(wǎng)絡(luò)層中，需要加入安全機(jī)制來(lái)確保數(shù)據(jù)來(lái)自本網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。例如，可以采用數(shù)字簽名的方法來(lái)增加AODV協(xié)議的安全性。目前，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的安全機(jī)制很多，需要選擇一種適合該網(wǎng)絡(luò)在戰(zhàn)場(chǎng)上使用的安全機(jī)制。

2）對(duì)AODV路由協(xié)議的適當(dāng)改進(jìn)。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)在不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)路由協(xié)議的要求不盡相同，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需求對(duì)AODV協(xié)議做出適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。另外，盡管AODV協(xié)議已經(jīng)被提出并使用了很多年，但是AODV本身仍然有一些問(wèn)題需要改進(jìn)[6]。

3）合適的傳輸協(xié)議。使用合適的傳輸協(xié)議為Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸提供保障。

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