基于IEEE802．15．4的Ad Hoc网络快速组网研究

摘要：IEEE802．15．4是一种低功耗的无线网络通信协议标准，适用于能量有限的无线网络中。提出了一种基于IEEE802．15．4标准的低功耗、能够快速组网的Ad Hoc网络组网方案。在该组网方案中，以IEEE 802．15．4协议标准为基础，设计了一个能够快速组网的网络层。在网络层中，使用AODV作为Ad Hoc网络的路由协议。
关键词：IEEE802．15．4协议标准；Ad Hoc网络；AODV路由协议；快速组网

    Ad Hoc网络即无线自组织网络，是一种无中心、自组织的多跳无线网络，不需要任何基础通信设施，能够随时随地组建临时性网络。Ad Hoc网络特别适合应用在一些无法或者不便预先铺设网络设备的场所或者一些需要临时快速组建无线网落的场合。Ad Hoc网络的研究是因军事应用发起的，现在仍然主要被运用在军事上，在民用方面的应用也在不断发展。
    IEEE802．15．4是一个低功耗、低速率个人无线局域网底层协议标准，是IEEE802系列协议中的一员，定义了物理层和MAC层协议标准。低速率个人局域网是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与WLAN相比，低速率个人局域网只需要很少的基础设施，甚至不需要基础设施，为构建低功耗的Ad Hoc网络提供了可能。
    尽管IEEE802．11已经成为Ad Hoc网络的MAC层协议标准，但是IEEE802．11协议对于网络节点的能量有很高的要求，限制了Ad Hoc网络的使用场合。而IEEE802．15．4是一个低功耗的无线网络协议标准，基于IEEE802．15．4的的Ad Hoc网络在某些对于传输速率要求不高的场合有明显的优势。
    文中对标准的IEEE802．15．4网络的组网过程进行了深入的分析，并在了解AdHoc网络关键技术的基础上，提出了一种基于IEEE802．1 5．4标准的低功耗、能够快速组网的Ad Hoc网络组网方案。在该组网方案中，使用了Atmel公司提供的AVR2025协议栈做为网络协议栈的底层协议，并在该协议栈的基础上构建了网络层。在网络层中，使用AODV做为Ad Hoc网络的路由协议。
    本文的内容安排如下：第1节介绍IEEE802．15．4协议标准；第2节对IEEE802．15．4的组网过程进行分析，并提出基于IEEE802．15．4的Ad Hoc网络快速组网方案；第3节介绍网络层的设计；最后一节总结本文做的工作，并对后续要做的工作进行了分析。

1 IEEE802．15．4组网分析
    IEEE802．15．4组网过程中，在PAN协调器启动以后其他节点加入网络的过程，可以分为两个部分：信道扫描和请求连接两个过程。
    信道扫描分为主动扫描(Active scan)、被动扫描(Passive claannel scan)、能量扫描(ED channel scan)和孤点信道扫描(Orphan chan nel scan)。PAN协调器启动时，采用能量扫描选择一个干扰较少的信道建立PAN，而主动扫描和被动扫描则在其他节点加入网络时使用。通常，在信标模式下，多采用被动扫描，而在非信标模式下，则必须采用主动扫描。信道扫描的目的是为了选择一个干扰少的逻辑信道，在需要快速组网且无线干扰较少的场合可以事先设置好PAN的逻辑信道，从而省略掉信道扫描的过程，加快网络组成。
    节点在获取PAN的信息以后，就可以向PAN协调器发送连接请求，申请加入该PAN。PAN协调器的MlAC层在接收到该请求后，将向请求连接的节点发送一个确认帧，同时向上层发送连接请示原语，标识有节点请求连接。协调器上层接收到MAC层发来的指示后，在最长aResponse WaitTime个符号周期内根据自己的具体情况决定是否同意连接，如果同意，则协调器需要给请求设备分配一个短地址，并发送给请求连接节点一个包含新地址和连接成功状态的连接响应命令。在非信标模式下，节点必须等待aResponse WaitTime个符号周期，才能发送数据请求尝试获取连接响应命令。
    可以看出，节点发出连接的目的就是为了让PAN协调器动态地为其分配一个短地址。那么，在需要快速组网的应用中，可以对短地址进行实现分配，并使节点的短地址和节点的标识ID相对应。在事先设置了短地址后，节点可以直接使用设置的短地址发送数据请求，而不需要在经过连接请求的过程。
    IEEE802．15．4将信道分为32个信道页(Channel Page)，每个信道页使用不同的调制方式。最新的标准使用了3个信道页，其余29个信道页保留。在每个信道页又有不同的逻辑信道，每个逻辑信道都有自己的工作频率。868 MHz有1个逻辑信道，915 MHz有10个逻辑信道，2 450 MHz有16个逻辑信道。

2 组网方案
    由于IEEE802．15．4支持点对点网络，可以在点对点的基础上搭建Mesh网络，如图1所示。在IEEE802．15．4组网分析中，为了加速网络的形成，取消了PAN协调器建立时的信道扫描，并且网络中其他节点的短地址也不由其分配，因此在本文中的Ad Hoc网络中并没有标准的IEEE802．15．4网络中的PAN协调器，也就是说网络中的每个节点功能相同。

    取消掉信道扫描和短地址分配两个过程以后，基于IEEE802．15．4的Ad Hoc网络的形成过程如图2所示。

    首先，节点需要初始化IEEE802．15．4协议栈和网络层。初始化完成以后，网络中的每个节点会将自己的PAN ID、逻辑信道和短地址设置为事先约定好的值。节点之间需要进行通信时，需要建立路由信息。

3 网络层设计
    网络层提供两种类型的服务：网络层数据服务和网络层管理服务，这两种服务的实体在网络层中分别被叫做NLDE和NLME。这两个服务实体都为上层提供功能接口，两个实体之间也有网络层内部接口。NLME会调用NLDE提供的内部接口，以完成一些管理功能。节点软件的参考模型如图3所示。

    在网络层可能需要发送3种帧：上一层需要网络层向某一节点发送数据帧；网络层由于找不到可以利用的路径，需要广播发送RREQ帧启动路由发现过程；网络层接收到RRE0消息时，符合条件需要发送RREP消息给源节点。
    当网络层要发送数据帧时，首先会在本地路由表中查找到达目的节点的活动路径。如果找到该路径，将数据帧沿着该路径发送出去；如果没有找到路径，会先将要发送的数据帧缓存起来，而后调用路由模块，生成RREQ消息，启动路由发现过程。
    当网络层接收到一个数据帧时，首先检查该数据帧的目的节点是否为本节点。如果为本节点，网络层将该数据帧的帧头去掉，将数据传送给上一层；如果目的节点不为本节点，网络层首先在本地路由表中查找到达目的节点的下一跳地址。如果找到下一跳地址，将该数据帧继续转发到下一跳；如果没有下一跳地址，网络层需要生成RREQ消息，启动路由发现过程。
    而当网络层接收到一个RREQ消息、RREP消息或者其他命令帧时，会交给路由模块进行处理。

4 结论
    文中提出了一种基于IEEE802．15．4协议标准的Ad Hoc网络方案，设计了MAC层之上的网络层协议，试图建立一种能够进行快速组网的Ad Hoc网络。首先，分析了基于IEEE802．15．4组建Ad Hoc网络的有点和可能性。其次，在分析了IEEE802．15．4的组网流程的基础上，省略掉了一些在特定环境下没有必要的组网操作，简化了组网的流程，减少了Ad Hoc网络的组网时间。
    由于基于IEEE802．15．4组建Ad Hoc网络的研究很少，本文只是在这方面进行了一些探索研究。关于如何在IEEE802．15．4基础上组建完全符合实际应用的Ad Hoc网络，个人认为还有以下许多工作要做。
    1)安全机制。由于现有的Ad Hoc网络大都应用于军事上，安全机制是无线网络协议中需要研究的关键点之一。文中，为了简化协议的设计复杂度，没有考虑网络层协议的安全性。在网络层中，需要加入安全机制来确保数据来自本网络中的节点。例如，可以采用数字签名的方法来增加AODV协议的安全性。目前，网络协议中的安全机制很多，需要选择一种适合该网络在战场上使用的安全机制。
    2)对AODV路由协议的适当改进。Ad Hoc网络在不同的应用场合对路由协议的要求不尽相同，应该根据实际需求对AODV协议做出适当的改进。另外，尽管AODV协议已经被提出并使用了很多年，但是AODV本身仍然有一些问题需要改进。
    3)合适的传输协议。使用合适的传输协议为Ad Hoc网络的可靠传输提供保障。