基于IEEE802.15.4的Ad Hoc網絡快速組網研究

李曉輝，王福豹，黃 亮

（西北工業(yè)大學 陜西 西安 710072）

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

圖1 基于點對點網絡形成的Mesh網絡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過程以后，基于IEEE802.15.4的Ad Hoc網絡的形成過程如圖2所示。

首先，節(jié)點需要初始化IEEE802.15.4協(xié)議棧和網絡層。初始化完成以后，網絡中的每個節(jié)點會將自己的PAN ID、邏輯信道和短地址設置為事先約定好的值。節(jié)點之間需要進行通信時，需要建立路由信息。

3 網絡層設計

網絡層提供兩種類型的服務：網絡層數據服務和網絡層管理服務，這兩種服務的實體在網絡層中分別被叫做NLDE和NLME。這兩個服務實體都為上層提供功能接口，兩個實體之間也有網絡層內部接口。NLME會調用NLDE提供的內部接口，以完成一些管理功能。節(jié)點軟件的參考模型如圖3所示。

圖2 基于IEEE802.15.4的Ad Hoc組網過程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

在網絡層可能需要發(fā)送3種幀：上一層需要網絡層向某一節(jié)點發(fā)送數據幀；網絡層由于找不到可以利用的路徑，需要廣播發(fā)送RREQ幀啟動路由發(fā)現過程；網絡層接收到RREQ消息時，符合條件需要發(fā)送 RREP消息給源節(jié)點。

當網絡層要發(fā)送數據幀時，首先會在本地路由表中查找到達目的節(jié)點的活動路徑。如果找到該路徑，將數據幀沿著該路徑發(fā)送出去；如果沒有找到路徑，會先將要發(fā)送的數據幀緩存起來，而后調用路由模塊，生成 RREQ消息，啟動路由發(fā)現過程。

當網絡層接收到一個數據幀時，首先檢查該數據幀的目的節(jié)點是否為本節(jié)點。如果為本節(jié)點，網絡層將該數據幀的幀頭去掉，將數據傳送給上一層；如果目的節(jié)點不為本節(jié)點，網絡層首先在本地路由表中查找到達目的節(jié)點的下一跳地址。如果找到下一跳地址，將該數據幀繼續(xù)轉發(fā)到下一跳；如果沒有下一跳地址，網絡層需要生成 RREQ消息，啟動路由發(fā)現過程。

而當網絡層接收到一個 RREQ消息、RREP消息或者其他命令幀時，會交給路由模塊進行處理。

4 結 論

文中提出了一種基于IEEE802.15.4協(xié)議標準的Ad Hoc網絡方案，設計了MAC層之上的網絡層協(xié)議，試圖建立一種能夠進行快速組網的Ad Hoc網絡。首先，分析了基于IEEE 802.15.4組建Ad Hoc網絡的有點和可能性。其次，在分析了IEEE802.15.4的組網流程的基礎上，省略掉了一些在特定環(huán)境下沒有必要的組網操作，簡化了組網的流程，減少了Ad Hoc網絡的組網時間。

由于基于IEEE802.15.4組建Ad Hoc網絡的研究很少，本文只是在這方面進行了一些探索研究。關于如何在IEEE 802.15.4基礎上組建完全符合實際應用的Ad Hoc網絡，個人認為還有以下許多工作要做。

1）安全機制。由于現有的Ad Hoc網絡大都應用于軍事上，安全機制是無線網絡協(xié)議中需要研究的關鍵點之一。文中，為了簡化協(xié)議的設計復雜度，沒有考慮網絡層協(xié)議的安全性。在網絡層中，需要加入安全機制來確保數據來自本網絡中的節(jié)點。例如，可以采用數字簽名的方法來增加AODV協(xié)議的安全性。目前，網絡協(xié)議中的安全機制很多，需要選擇一種適合該網絡在戰(zhàn)場上使用的安全機制。

2）對AODV路由協(xié)議的適當改進。Ad Hoc網絡在不同的應用場合對路由協(xié)議的要求不盡相同，應該根據實際需求對AODV協(xié)議做出適當的改進。另外，盡管AODV協(xié)議已經被提出并使用了很多年，但是AODV本身仍然有一些問題需要改進[6]。

3）合適的傳輸協(xié)議。使用合適的傳輸協(xié)議為Ad Hoc網絡的可靠傳輸提供保障。

[1]Perkins C E.Ad Hoc Networking：An introduction[M].Boston：Addison-Wesley Longman，2001.

[2]Jubin J，Tornow J D.The DARPA packet radio network protocol[J].Proc.of the IEEE，1987，75（1）：21-32.

[3]LAN/MAN Standards Committee.IEEE Std 802.15.4TM-2006.IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 15.4：Wireless Medium Access Control（MAC） and Physical Layer（PHY） Specifications for Low-Rate WirelessPersonal Area Networks （WPANs）[S].NewYork：IEEE，2006.

[4]Perkins C E，Belding-Royer E M.Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing[C]//Proceedings of Mobile Computing System and Applications，California：[s.n.]，1999：90-100.

[5]孟繁亮，韓毅剛.IEEE802.15.4在快速組網中的研究與實現[J].南開大學學報：自然科學版，2010，43（3）：61-65.

MENG Fan-liang，HAN Yi-gang.Analysis and design of IEEE802.15.4 in fast association network[J].Academic Journal of Naikai University，2010，43（3）：61-65.

[6]黃亮.移動無線傳感器網絡路由技術研究[D].西安：西北工業(yè)大學，2011.

[7]李鋒，袁軍社.BP神經網絡在結構邊界參數識別中的應用[J].火箭推進，2009（4）：30-33.

LI Feng，YUAN Jun-she.Application of BP neural network in characteristics identification of frame structure[J].Journal of Rocket Propulsion，2009（4）：30-33.