基于 IEEE 802.15.4 标准的无线多跳网络的研究与实现

刘光迪，高唯一，易 勇

(1.西华大学 数学与计算机学院，四川 成都 610039;2.成都大学图书馆，四川 成都 610106)

基于 IEEE 802.15.4 标准的无线多跳网络的研究与实现

刘光迪1，2，高唯一2，易 勇2

(1.西华大学 数学与计算机学院，四川 成都 610039;2.成都大学图书馆，四川 成都 610106)

IEEE 802.15.4标准是针对短距离、低速率、低功耗和低成本设备设计的短距离无线通讯协议，定义了低速无线个域网的MAC层和物理层规范，在分析低速无线个域网规范的基础上，设计并实现了一个兼容Zig-Bee规范的无线多跳网络.

IEEE 802.15.4标准;低速无线个人局域网;无线传感器网络

0 引言

近年来，随着传感器技术、无线通信技术与嵌入式计算技术的不断进步和日益成熟，众多具有通信、计算能力的传感器通过无线方式连接，相互协作，共同完成特定的应用任务，这些微型传感器构成的无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)引起了人们的极大关注.WSN由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一种多跳自组织的网络系统，能够实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，从而获取详尽而准确的信息［1－2］.基于 IEEE 802.15.4 标准定义的低速无线个域网(Low-Rate Wireless personal area network，LR-WPAN)标准主要应用于无线传感器网络，所以很多研究机构及用户把它作为无线传感器的无线通信平台.对此，本研究通过分析IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN网的网络拓扑及形成过程，并在此基础上，实现了一个无线多跳网络.

1 IEEE 802.15.4标准及网络拓扑结构

为了满足低功耗、低成本的无线网络要求，美国电气电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineering，IEEE)于2003年10月发布了IEEE 802.15.4标准.该标准覆盖了低速率无线个域网(Wireless personal area network，WPAN)的物理层和MAC层.IEEE 802.15.4标准具有复杂度低、实现成本小、设备功耗低等特点，能在低成本设备之间进行低数据率的传输，其目标是在无线传感器网络、家庭自动化与家庭网络等领域中应用.

LR-WPAN有2种拓扑结构［3］:星形拓扑结构和对等拓扑结构，分别如图1，图2所示.

图1 星形拓扑结构示意图

图2 对等拓扑结构示意图

在星形拓扑结构中，通信是在设备和一个个域网(Personal Area Network，PAN)协调器之间进行的.PAN协调器是PAN中的控制设备.而端到端的对等拓扑结构同样需要一个PAN协调器，其不同点是，网络中的任何设备只要在其他设备的通信范围内，它们之间就可以直接进行通信，而不必通过协调器中转.一个对等网络是一个自组织、自愈合的网络.在网络中，任何设备发送的消息经过多跳路由后就可以到达任何其他设备.

2 多跳自组网方案

无线多跳自组织网络可以分为几个PAN，每个PAN都有一个PAN协调器以及一组PAN成员［5］.通过PAN，数据包携带一个16位PAN标识(短地址由PAN协调器分配，而且只在PAN中有效)，用来指定出数据包的目的地是哪一个PAN.与物理节点相对应，在LR-WPAN中有3种网络角色:PAN网络协调器、协调器和设备.协调器的主要功能是建立和启动网络这一过程设置参数，其中包括选择一个射频信道、惟一的网络标识符以及一系列操作参数.路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够用来拓展网络的范围，而终端设备不参与路由选择.由于路由器和终端设备被整合到网络中，所以它们从协调器处，或从任何已经处于网络中的路由器处可以获得有关网络的信息.

IEEE 802.15.4的组网过程可以分为4个步骤:协调器建立网络、节点加入网络、地址分配和路由选择［6］.

2.1 协调器建立网络

首先，对网络层进行初始化，协调器在初始化之后开始建立网络;然后，路由和终端设备在发现网络后请求加入网络，在加入网络的过程中进行地址分配.数据发送与接收涉及路由的选择，发起一个路由之后将对路由算法进行选择，在这个过程中进行邻居列表维护、路由表的维护等操作.

2.2 节点加入网络

在协调器建立好网络之后，其他设备请求加入该网络可分为2种情况:路由以协调器或者其他路由、终端设备为父节点.事实上，在加入网络之前需要有一个发现网络的过程.当一个设备需要加入网络时，首先要发现网络，待加入网络的设备通过分析接收到的信标帧决定其父节点.这里有2个参考指标:一个是LQI值，另外一个是网络深度.LQI值越高说明链路质量越高、越可靠.在同样LQI值的情况下，设备优先选择网络深度小的作为其父节点.

2.3 地址分配

本研究地址分配采用ZigBee中的地址分配方法，即当NB中的nwkUseTreeAddrAlloc=TRUE时，采用块地址分配方式.

2.4 路由选择

树形路由是最简单有效的路由方式，但同时带来的问题是效率比较低.小规模且移动性不高的网络可以考虑采用这种路由方式.当有数据需要发送时，首先根据公式A＜D＜A+Cskip(d-1)，其中D为目的地址，A为深度为d的路由，如果D满足该公式，则目的节点为该路由的后代节点，同时判断目的地址处于哪个sub-block地址块里，然后发送到该路由器.若不满足公式，则一直向上发送，直到满足公式为止.

通过以上的分析可知，节点在组网过程时，PAN网络协调器最初建立网络，其他协调器作为子节点加入网络，在节点加入网络的过程中，相互通信的一对节点构成父子关系.节点的组网流程如图3所示.

图3 节点的组网流程示意图

3 多跳自组网方案实现

3.1 IEEE 802.15.4协议栈的实现

3.1.1 PAN协调器建立网络.

网络层初始化完成后，全功能设备(Full Function Device，FFD)通过主动扫描信道选择一个合适的PAN标识，并设置属性macShortAddress为小于oxffff的值，在请求原语 MLME-START.request的指示下，FFD开始建立一个PAN.此时该请求原语中的PAN Coordinator参数为 TRUE，CoordRealignment参数为FALSE.FFD的MAC层接收到请求原语后，把phyCurrentChannel属性值设置为原语中的逻辑信道，把macPANId属性值设置为原语中的PAN标识.完成这些操作后，MAC层就通过证实原语MLME-START.confirm向其上层报告建立PAN的结果，此后，该FFD就以一个PAN协调器的身份开始工作.

3.1.2 建立网络关联.

一个尚未关联的设备关联过程是:首先向一个现存PAN中的协调器发出关联请求命令，如果协调器正确接收到了关联请求命令就反馈一个确认帧.协调器发出的关联请求确认并不是表示设备已经关联，协调器需要时间判决PAN当前的资源能否允许一个设备关联，并且在a Response Wait Time个符号周期内做出决定.如果有足够的资源，协调器就给请求关联设备分配一个短地址并发出关联响应命令，关联响应命令中包含有新地址和标识关联成功的状态信息.创建PAN的信息流程如图4所示.

图4 创建PAN的信息流程——PAN协调器

3.2 实 验

本研究在Programmers Notepad集成开发环境中编写、编译调试通过程序后，将编译好的代码通过仿真器AVR Studio 4写到节点上，然后通过PC上的网络管理软件SNAMP观测串口传输来的信息.

图5为串口消息示意图;图6为SNAMP后台运行时的传感数据动态曲线图.

图5 串口消息示意图

图6 SNAMP后台运行时的实时传感数据曲线图

从图5串口消息示意图可以得知，网络最大深度为Lm，节点最多可容纳孩子数为Cm，在哪个信道等待信标请求帧，以及传感器采集的实时数据等信息.此表明，本实验在IEEE 802.15.4标准上搭建成功了一个无线多跳网络.

4 结语

本研究提出了一种基于IEEE 802.15.4协议标准的无线多跳自组织网络方案，设计了MAC之上的网络层，并利用GAINZ开发套件快速组建了一个无线个域网，实现了对传感数据的动态显示.有理由相信，由于协议的开放性，基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络作为一种分布式多跳无线通信系统将会被广泛应用于军事和民用领域.

［1］潘浩，董齐芬，张贵军，等.无线传感器网络操作系统TinyOS［M］.北京:清华大学出版社，2011.

［2］孙利民，李建中，等.无线传感器网络［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［3］邱天爽，唐洪，李婷，等.无线传感器网络协议与体系结构［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［4］欧杰锋.基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络组网研究［D］.杭州:浙江大学，2006.

［5］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 wireless personal area networks(WPANs)［M］.New York:IEEE Press，2006.

［6］徐勇军，安竹林，蒋文丰，等.无线传感器网络实验教程［M］.北京:北京理工大学出版社，2007.

Research and Implementation of Wireless Multi-hop Networks Based on IEEE 802.15.4 Standard

LIU Guangdi1，2，GAO Weiyi2，YI Yong2
(1.School of Mathematics and Computer Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China;2.Library of Chengdu University，Chengdu 610106，China)

IEEE 802.15.4 standard is a short-range wireless communication protocol for short-range，lowspeed，low-power and low-cost devices，which defines the MAC layer and physical layer specifications of the low-rate wireless personal area networks(LR-WPAN).Based on analysis of LR-WPAN specifications，this paper designs and implements a wireless multi-top network compatible with the ZigBee specification.

IEEE 802.15.4 standard;low-rate wireless personal area network;wireless sensor network

TP393

A

1004－5422(2014)01－0041－04

2014－02－10.

刘光迪(1987—)，男，硕士研究生，从事计算机网络技术研究.