IEEE802.15.4研究背景

IEEE 802.15.4是ZigBee，WirelessHART，MiWi等規(guī)范的基礎(chǔ)，描述了低速率無線個人局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制協(xié)議，屬于IEEE 802.15工作組。在868/915M、2.4GHz的ISM頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)250kbps。其低功耗、低成本的優(yōu)點使它在很多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。在打包提供的免費(fèi)協(xié)議棧代碼中，TI公司的協(xié)議棧部分以庫的形式提供，限制了其應(yīng)用范圍即只能應(yīng)用于其公司所生產(chǎn)的單片機(jī)芯片上，不方便擴(kuò)展、修改;而Microchip盡管提供了源代碼，但在編程風(fēng)格、多任務(wù)操作系統(tǒng)上運(yùn)行考慮欠周。鑒于此，設(shè)計實現(xiàn)結(jié)構(gòu)清晰、層次分明、移植方便、能運(yùn)行在多任務(wù)環(huán)境上的IEEE802.15.4協(xié)議代碼，可為架構(gòu)上層協(xié)議及應(yīng)用擴(kuò)展建立良好的基礎(chǔ)。

IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?；陂_放系統(tǒng)互連模型(OSI)，每一層都實現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務(wù)接口。

IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò)，也可以組織成點對點網(wǎng)絡(luò)。在星型結(jié)構(gòu)中，所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。在這種網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動化、個人計算機(jī)的外設(shè)以及個人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。

與星型網(wǎng)不同，點對點網(wǎng)絡(luò)只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內(nèi)，任何兩個設(shè)備之都可以直接通信。點對點網(wǎng)絡(luò)中也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)實現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認(rèn)證設(shè)備身份等功能。點對點網(wǎng)絡(luò)模式可以支持ad hoc網(wǎng)絡(luò)允許通過多跳路由的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)。不過一般認(rèn)為自組織問題由網(wǎng)絡(luò)層來解決，不在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)討論范圍之內(nèi)。點對點網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)造更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，適合于設(shè)備分布范圍廣的應(yīng)用，比如在工業(yè)檢測與控制、貨物庫存跟蹤和智能農(nóng)業(yè)等方面有非常好的應(yīng)用背景。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男纬蛇^程

雖然網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成過程屬于網(wǎng)絡(luò)層的功能，但I(xiàn)EEE 802.15.4為形成各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了充分支持。這部分主要討論IEEE 802.15.4對形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供的支持，并詳細(xì)地描述了星型網(wǎng)絡(luò)和點對點網(wǎng)絡(luò)的形成過程。

1、星型網(wǎng)絡(luò)形成

星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。任何一個FFD設(shè)備都有成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可能，一個網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層協(xié)議決定。一種簡單的策略是:一個FFD設(shè)備在第一次被激活后，首先廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求，如果接收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再通過一系列認(rèn)證過程，設(shè)備就成為了這個網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。如果沒有收到回應(yīng)，或者認(rèn)證過程不成功，這個FFD設(shè)備就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且成為這個網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。當(dāng)然，這里還存在一些更深入的問題，一個是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器過期問題，如原有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器損壞或者能量耗盡;另一個是偶然因素造成多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器競爭問題，如移動物體阻擋導(dǎo)致一個FFD自己建立網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)移動物體離開的時候，網(wǎng)絡(luò)中將出現(xiàn)多個協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要為網(wǎng)絡(luò)選擇一個惟一的標(biāo)識符，所有該星型網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都是用這個標(biāo)識符來規(guī)定自己的屬主關(guān)系。不同星型網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備通過設(shè)置專門的網(wǎng)關(guān)完成相互通信。選擇一個標(biāo)識符后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就允許其他設(shè)備加入自己的網(wǎng)絡(luò)，并為這些設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。

星型網(wǎng)絡(luò)中的兩個設(shè)備如果需要互相通信，都是先把各自的數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給對方。

2、點對點網(wǎng)絡(luò)的形成

點對點網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個設(shè)備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進(jìn)行直接通信，不需要其他設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)。但點對點網(wǎng)絡(luò)中仍然需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，不過該協(xié)調(diào)器的功能不再是為其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而是完成設(shè)備注冊和訪問控制等基本的網(wǎng)絡(luò)管理功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的產(chǎn)生同樣由上層協(xié)議規(guī)定，比如把某個信道上第一個開始通信的設(shè)備作為該信道上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議器。簇樹網(wǎng)絡(luò)是點對點網(wǎng)絡(luò)的一個例子，下面以簇樹網(wǎng)絡(luò)為例描述點到點網(wǎng)絡(luò)的形成過程.

在簇樹網(wǎng)絡(luò)中，絕大多數(shù)設(shè)備是FFD設(shè)備，而RFD設(shè)備總是作為簇樹的葉設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。任意一個FFD都可以充當(dāng)RFD協(xié)調(diào)器或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，為其他設(shè)備提供同步信息。在這些協(xié)調(diào)器中，只有一個可以充當(dāng)整個點對點網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可能和網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備一樣，也可能擁有比其他設(shè)備更多的計算資源和能量資源。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先將自己設(shè)為簇頭(cluster header ,CLH)，并將簇標(biāo)識符(cluster identifier, CID)設(shè)置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，形成網(wǎng)絡(luò)中的第一個簇。接著，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始廣播信標(biāo)幀。鄰近設(shè)備收到信標(biāo)幀后，就可以申請加入該簇。設(shè)備可否成為簇成員，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定。如果請求被允許，則該設(shè)備將作為簇的子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的鄰居列表。新加入的設(shè)備會將簇頭作為它的父設(shè)備加入到自己的鄰居列表中。

上面討論的只是一個由單簇構(gòu)成的最簡單的簇樹。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以指定另一個設(shè)備成為鄰接的新簇頭，以此形成更多的簇。新簇頭同樣可以選擇其他設(shè)備成為簇頭，進(jìn)一步擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。但是過多的簇頭會增加簇間消息傳遞的延遲和通信開銷。為了減少延遲和通信開銷，簇頭可以選擇最遠(yuǎn)的通信設(shè)備作為相鄰簇的簇頭，這樣可以最大限度地縮小不同簇間消息傳遞的跳數(shù)，達(dá)到減少延遲和開銷的目的。

《國外電子信息精品著作:IEEE802.15.4系統(tǒng)無線傳感器(影印版)》在數(shù)據(jù)處理以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域進(jìn)行了深入的探討。同時在IEEE802.15.4/ZigBee紫蜂技術(shù)中如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理給出了實際的展望?！秶怆娮有畔⒕分?IEEE802.15.4系統(tǒng)無線傳感器(影印版)》適合相關(guān)領(lǐng)域研究生及高年級本科生使用。

Part Ⅰ Fundamentals

1 Wireless Sensor Network

1.1 Wireless Sensor Networks Fundamentals

1.1.1 Main Features of WSNs

1.1.2 Issues Related to Energy Management

1.2 Applications

1.3 IEEE 802.15.4 Technology

1.3.1 IEEE 802.15.4 Physical Layer

1.3.2 IEEE 802.15.4 Network Topologies and Operational Modes

1.3.3 IEEE 802.15.4 MAC Layer

1.3.4 Data Transfer Protocol and MAC Frames

1.3.5 The IEEE 802.15.4 Topology Formation Procedure

1.4 Zigbee Upper Layers

1.4.1 Zigbee Topologies