（信息与通信工程专业论文）基于ieee802154的无线传感器网络组网研究.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络是一种特殊的a d h o c 网络，它具有自组织、快速展开、抗 毁坏性强等特点，在军事、环境监测、医疗健康、。 ：= 业控制等方面有着十分广阔 的应用前景。近年来，随着无线通信、集成电路、传感器及微电机系统( m e m s ) 等技术的发展，使得大规模生产体积小、成本低、具有数据收集、短距离无线通 信和数据处理能力的传感器节点成为可能。技术条件的成熟和大量潜在的应用需 求使得无线传感器网络受到人们越来越多的关注和重视。无线传感器网络正成为 国内外无线网络研究的一个热点。 目前，国内外对无线传感器网络的研究主要集中在m a c 算法、路由算法、 定位算法及数据融合算法上，在协议栈各层的功能定义上、在各层数据帧格式、 层与层之间的接口、每一层内的规范管理上都考虑较少。i e e e 8 0 2 ，1 5 4 所定义的 无线个人区域网在低功耗、低成本的应用需求上，与无线传感器网络有很极大的 相似之处。该标准定义了各层之间统一的原语接口、统一的p h y m a c 数据帧格 式，在很大的程度上弥补了无线传感器网络无标准的缺陷。本文针对无线传感器 网络在不同厂商设备的互连互通上的缺陷，提出了基于i e e e 8 0 2 15 4 标准的组 网方案，在解决扩展无线传感器网络的兼容性的同时保持了其算法的灵活性。文 章首先简要介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，在这个基础上讨论了将该标准应用于无 线传感器网络时应考虑的问题，并提出了基于该标准的组网算法；然后通过扫描 信道、建立p a n 网络和建立节点问的关联三个步骤构建了一个简单的网络层， 实现了无线传感器组网功能：最后，在飞思卡尔的z i g b e e 开发平台 1 3 1 9 2 d s k a 0 0 上实现了组网算法的验证仿真，并实现了节点间的数据传输。 关键字：无线传感器网络，i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，z i g b e e 标准，簇树网络， 1 3 1 9 2 i ) s k a 0 0 开发平台 摘要 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sas p e c i a la d h o cn e t w o r k i th a st h e r a p i d d e p l o y m e n t s e l fo r g a n i z a t i o na n df a u l tt o l e r a n c ec h a r a c t e r i s t i e s t h ea b o v ed e s c r i b e d f e a t u r e se n s u r e aw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sf o rs e n s o rn e t w o r k ss u c ha s ： m i l i t a r y , e n v i r o n m e n t ，h e a l t h ，i n d u s t r yc o n t r o la n ds oo n r e c e n ta d v a n c e si nw i r e l e s s c o m m t m i c a t i o n ，m i r c o e l e t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ( m e m s ) t e c h n o l o g y , i n t e g r a t e d c i r c u i th a v ee n a b l e dt h ed e v e l o p m e n to fl o wc o s t ，1 0 w9 0 w e r m u l t i f u n c a t i o n a l s e n s o rn o d e st h a ta r es m a l li ns i z ea n dc o m m u n i c a t eu n t e t h e r e di ns h o r td i s t a n c e s t h e m a t u r ei nt e c h n i q u ea n dq u e n t yo fa p p l i c a t i o nn e e d sa t t r a c t em o r ea n dm o l lc o n c e r n ， w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si sb e c o m i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hh o ti n w i r e l e s sn e t w o r k c u r r e n t t h er e s e a r c hi nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o n c e n t r a t e sp r i m a r i l yi nt h e p r o t o c o lo fm a c ，r o u t i n ga l g o r i t h m s ，p o s i t i o na l g o r i t h m sa n dd a t af u s ea l g o r i t h m s t h ep r o t o c o ls t a c ke a c hl a y e r sf u n c t i o na n dd a t af r a m ef o r m ，t h eu n i f o r mi n t e r f a c e d e f m i t i o nb e t w e e nd i f f e r e n c el a y e r sa n de a c hl a y e r sr e g u l a rm a n a g e m e n ta r e c o n s i d e r e df e w t h el o wr a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ( l r w p a n ) d e f i n e db y i e e e 8 0 2 15 4h a sv e r ye n o r m o u ss i m i l a r i t yw i t hw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k si nt h e l o wp o w e r i nt h e1 0 wc o s ta p p l i c a t i o nd e m a n d 1 1 1 i ss t a n d a r dh a sd e f i n e dt h e c o m m u n i c a t i o np r i m i t i v eb e t w e e nd i f i e f e n c el a y e r sa n dt h en n i f o n i ld a t af r a m ef o n n i nt h ep h yl a y e ra n dm a cl a y e ra n dm a k e su pt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sn o n s t a n d a r df l a wi nt h eg r e a td e g r e e t h i st h e s i si nv i e wo ft l l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k a b o v e f l a w p r o p o s e db a s e do nt h e l e e e 8 0 2 15 4s t a n d a r dn e t w o r k p l a n e x p a n d e dt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki nt h es o l u t i o nc o m p a t i b t es i m u l t a n e o u s l y m a i n t a i n si t s a l g o f i t n nf l e x i b i l i t y i nt h i s t h e s i si e e es t d8 0 2 15 4i s f i r s t l y i n t r o d u c e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a n d a r da n dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki s d i s c u s s e d b a s e d0 1 1i e e es t d8 0 2 1 5 4 t h er e a l i z a t i o no fn e t w o r kc o n s t r u c t i o no f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki s p r o p o s e d t h e nt h r o u g hs c a n n i n g t h ec h a n n e l s ， e s t a b l i s h m e n tt h ep a nn e t w o r ka n dt h ee s t a b l i s h m e n tt h ea s s o c i a t i o nb e t w e e nn o d e s t h r e es t e p sh a sc o n s t r u c t e das i m p l en e t w o r kl a y e r f i n a l l y , t h ea l g o r i t h m s i s i m p l e m e n t e do nt h ef r e e s c a l e s1 3 1 9 2 d s k a o od e v e l o p m e n tk i t k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，i e e es t d8 0 2 15 4 ，z i g b e e ，c l u s t e rt r e en e t w o r k ， 1 3 1 9 2 d s k a 0 0 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着半导体技术和通信技术的发展，我们已经由p c 时代和网络时代进入到 后p c 时代。我们不再一昧发展单一的性能强大的可靠的通用计算机，而是倾向 于生产廉价的具有有限的计算能力并能执行特定任务的微型计算平台，通过配备 微型传感器感知周围的物理世界，从而完成一些传统计算平台所无法完成的任 务。这就是“普适计算【1 ”的计算模式。无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ， w s n ) 作为“普适计算”的一个典型例子，它的出现标志着后p c 时代的到来。 如果说i n t e m e t 构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式， 那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一 起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过无线传感器网络直接感知客观 世界，从而极大的扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和 m i t 技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为2 l 世 纪最有影响的2 1 项技术【2 】和改变世界的1 0 大技术 3 】之一。无线传感器网络由 于在军事、工业控制、环境检测、医疗监护、农业养殖和太空探索等领域的巨大 应用价值，正得到各国政府、军方、跨国公司和科研机构的广泛关注和高度重视， 正成为当今世界工业界、学术界和军队的研究热点。 无线网络传感器是集传感器单元、控制器和无线通信模块于一体的，集数据 采集、数据计算和无线通信于一身的资源受限的嵌入式设备。由这些微型传感器 组成的无线传感器网络能协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对 象的信息，并对信息进行处理，发布给观察者。 无线传感器网络是一种特殊的a d h o e 4 1 网络，与传统的网络相比，它是一 种以数据为中心的自组织无线网络。网络中的节点密集，数量巨大且部署在十分 广泛的区域；网络拓扑结构动态变化，网络具有自组织和自调整的特点。网络节 点具有成本低体积小、能量极其有限、计算能力、存储能力和通信能力有限的特 点。节点的能量是设计节点时考虑的最关键因素。 无线传感器网络的应用前景十分广阔，能够广泛应用于军事、环境检测和预 报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探 索、大型车间管理，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。随着无线传感 器网络的深入研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个方 面。 1 2 无线传感器网络的体系结构 在无线传感器网络中，节点通过飞机撤布、人工布置等方式，大量部署在感 知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式感 知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时 问的采集，处理和分析。这种以自组织形式构成的网络，通过多跳中继方式将数 据传回s i n k 节点( 网关节点) ，最后借助s i n k 链路将整个区域内的数据传送到 第一章绪论 远程控制中心进行集中处理。一个典型的传感器网络的体系结构包括分布式传感 器节点( 群) 、s i n k 节点、互联网和用户界面等 5 ，如图1 - 1 所示。在无线传 感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围，而s i n k 节点作为w s n 内部 网络与远程控制中心的接口，发射能力较强，具有较高的电能，可以把数据发回 远程控制节点。 图卜1 无线传感器网络的体系结构 1 2 1 传感器节点组成 一个典型的无线传感器网络的体系构建包括分布式传感器节点( 群) 、s i n k 节点、互联网和用户界面等。其中，传感器网络节点的基本组成和功能包括如下 几个单元：传感单元( 由传感器和模数转换功能模块组成，负责传感数据的采集) 、 处理单元( 由嵌入式系统构成，包括c p u 、存储器、嵌入式操作系统等，负责 嵌入式系统的控制和数据的处理) 、通信单元( 由无线通信模块组成，负责传感 数据的无线收发) 、以及电源部分，如图1 2 所示。此外，可以选择的其它功能 单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。 图1 - 2 传感器网络节点组成 第一章绪论 1 2 2 网关节点组成 网关主要由中央处理单元、存储单元、w s n 通信模块和c d m a 通信模块组 成，如图1 3 所示。网关的中央处理单元主要用来处理从传感器节点采集到的数 据以及完成一些控制功能。为了将采集到的数据传输给使用者，网关设各还配有 c d m a 通信模块，用户可以通过普通p c 和c d m a 手机终端来观测传感器采集 到的数据。网关同时还配有与传感器节点相同的r f 收发模块，用于接收传感器 节点发送的数据和发送对传感器节点的控制配置信息。 1 2 3 网络层次 图1 - 3 无线传感器网关结构 根据无线传感器网络自身的特点，本文提出了适合无线传感器网络的体系结 构，如图1 4 所示： 匝至至 传输层 臣至三! 陷层 三至三兰三三至至至至! 数据链路层 叵! 塑! 一 图l 一4 无线传感器网络的分层结构 第一章绪论 1 2 2 网关节点组成 网关主要由中央处理单元、存储单元、w s n 通信模块和c d m a 通信模块组 成，如图l - 3 所示。网关的中央处理单元主要用来处珲从传感器节点采集到的数 据以及完成螳控制功能。为了将采集到的数据传输给使用者，网关设备还配有 c d m a 通信模块，用户可以通过普通p c 和c d m a 于机终端来观测传感器采集 蓟的数据。网关同时还配有与传感器节点相同的r f 收发模块，用于接收传感器 节点发送的数据和发送对传感器节点的控制配置信息。 1 2 3 网络层次 幽1 - 3 无线传感器网关结构 根据无线传感器网络自身的特点，奉史提出了适合无线传感器网络的体系结 根据无线传感器网络自身的特点，本文提出了适合无线传感器网络的体系结 构，如幽1 4 所示： 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 例1 4 无线传感器刚络的分层结构 第一章绪论 物理层：物理层负责数据的调制解调、发送与接收。该层的设计将直接影响 到电路的复杂度和能耗。研究的目标是设计低成本、低功耗、小体积的传感器节 点。 数据链路层：数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制。数 据链路层的主要协议是m a c ，目前，现有的数据链路层协议可以分为三类：( 1 ) 基于调度的m a c 协议，如t d m a ，该类协议虽然可以避免冲突，但需要全局信 息，不易维护和扩展；( 2 ) 无冲突的实时m a c 协议，如f d m a 、s d m a ，此类 协议不仅可以避免冲突，而且可以提高网络吞吐量，但硬件成本很高，难以在大 规模系统中应用；( 3 ) 基于竞争的m a c 协议，立, c s m a ，此类协议实现简单， 易于扩展，但冲突会导致能量浪费，时延难以估计。每一种m a c 算法都有各自 的优缺点，我们可以根据不同的应用场合选用来选用m a c 协议。 网络层：网络层主要负责路由生成与路由选择。w s n 的通信模型与传统网 络相比有很大不同，具体体现在以下两个方面： ( 1 ) 以数据为中心 在w s n 中，每个节点不需要全局惟一的标识或地址。举例来说，在某个与 温度相关的无线传感器网络应用中，用户并不关心第2 7 号传感器的温度，而是 需要某区域内多个传感器采集的综合数据，如“给出当前温度超过3 0 。c 的区域 位置”。 f 2 1 面向特定的应用 w s n 系统与物理环境交互密切，其通信构架和所提供的服务都是针对每个 特定的应用而设计的。目前，人们对移动a d h o e 路由协议的研究已经取得了很 大的进展，提出许多新型的路由算法。文献 6 】将这些算法按路由表的维护方式 分成两类：路由表驱动0 a b l ed f i v e n ) 年h 基于需求( o n d e m a n d ) 的路由算法。 传输层：传输层负责数据流的传输控制，是保障通信质量的重要部分。t c p 协议是i n t e m e t 上通用的传输层协议。但w s n 的节点资源受限、高错误率、拓 扑结构动态变化的特点将严重影响t c p 协议的性能。 不像t c p 协议，在传感器网络中终端对终端的通信方式不是基于全局映射。 这些方法必须考虑基于属性的命名被用来指定数据报的目标。能量消耗及规模性 的因素和以数据为中心的路由特性表明传感器网络需要不同的传输层处理方式。 这样，这些需求导致传输层协议新的类型需求。 应用层：应用层负责规范节点的特定任务，并为用户提供一个友好的管理界 面。 1 3 无线传感器网络的研究现状及关键技术 无线传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式计 算技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等多学科交叉的 研究领域，具有鲜明的跨学科研究特点。 4 第一章绪论 1 3 1 研究现状 对无线传感器网络的研究起步于2 0l 丛纪9 0 年代末期。由于无线传感器网络 的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的学术界、工业界和军事部门的极 大关注。从2 0 0 0 年起，国际上开始出现了一些关于传感器网络研究结果的报道， 美国自然科学基金委员会2 0 0 3 年制定了无线传感器网络研究计划，支持相关基 础理论的研究。美国英特尔公司在2 0 0 2 年1 0 月2 4 日发布了“基于微型传感网 络的新型计算发展规划”。该计划将致力于微型传感器网络在预防医学、环境监 测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探测等领域的应用。美国国防部和各军事 部门也对无线传感器网络给予了高度重视，把它列为一个重要的研究领域，设立 了一系列的军事传感器网络研究项目。 我国的中科院上海微系统研究所、沈阳自动化所、软件研究所、计算所、电 子所、自动化所和合肥智能研究所等科研机构，哈尔滨工业大学、清华大学、浙 江大学、北京邮电大学、西北工业大学、天津大学和国防科技大学等院校在国内 较早开展了传感器网路的研究，2 0 0 5 年起有更多的院校和科研机构加入到该领 域的研究工作中来。 1 3 2 关键技术 无线传感器网络是信息感知与采集和计算模式的一场革命。它作为一个全新 的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面上对科技工作者提出了大量的挑战 性研究课题。网络协议、网络安全、时间同步、数据融合、嵌入式操作系统和网 络拓扑控制等技术就是影响无线传感器网络的性能的关键技术。 网络协议 无线传感器网络协议负责使各个独立的节点形成一个多跳的数据传输网络， 目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信 息的传输路径；数据链路层的媒体访问控制( m a c ) 用来共享底层的物理信道， 控制节点的通信过程和工作模式。 在无线传感器网络中，路由协议不仅关心单个节点的能量消耗，更关心整个 网络能量的均衡消耗，这样才能延长整个网络的生存期。目前，提出了多种类型 的无线传感器网络路由协议，如多个能量感知的路由协议，定向扩散，谣传路由 等基于查询的路由协议，g e a r 和g e m 等基于地理位置的路由协议，s p e e d 和 r e l n f o r m 等支持q o s 的路由协议。目前在我们的无线传感器项目中，我们采用 了定向扩散的路由算法。 无线传感器网络的m a c 层协议首先要考虑的是节省能源和可扩展性，其次 才考虑公平性和实用性等。目前提出的m a c 协议包括：s m a c 7 1 、t - m a c 和 s i f t 等基于竞争的m a c 协议，d e a n a 、t r a m a 、d m a c 和周期性调度等时分 复用的m a c 协议，以及c s m a - c a 与c d m a 结合、t d m a 和f d m a 相结合的 m a c 协议。目前在我们的项目中，我们采用了i e e e 8 0 2 1 5 4 1 8 1 定义的m a c 协 议，该协议结合了c s m a j c a 基于竞争的信道访问机制和类似t d m a 的时分复 用机制。与此同时，我们也在积极研究基于s m a c 的网络维护和重建和基于 s m a c s e a r 9 1 的移动节点管理。 第一章绪论 网络安全 为了保证任务的机密布置和任务执行结果的安全传递和融合，无线传感器网 络需要实现一些最基本的安全机制：机密性、点到点的消息认证、数据完整性和 新鲜性、认证广播和安全管理。无线传感器网络s p i n s 安全框架在机密性、点 到点的消息认证、数据完整性和新鲜性、认证广播等方面定义了完整有效的机制 和算法。安全管理方面，目前以密钥预分配模型作为安全初始化和维护的主要机 制，其中随机密钥对模型、基于多项式的密钥对模型等是目前最有代表的算法。 在我们的无线传感器网络项目中采用了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，该标准提供了m a c 子层的访问控制、数据加密、帧完整性和新鲜性等安全机制。与此同时，我们还 将考虑借鉴i e e e 8 0 2 1 6 的m a c 层安全管理机制 1 0 】来进行安全的认证和密钥的 分配管理，来进一步加强网络的安全性能。 时间同步 时间同步是需要协同工作的无线传感器网络系统的一个关键机制。如测量移 动车辆速度需要计算不同传感器检测事件时间差，通过波束阵列确定声源位置节 点问的时间同步。目前已提出了多个时间同步机制，其中r b s 、t i n y m i n i s y n c 和t p s n 被认为是三个基本的同步机制。我们在考虑无线传感器网络的时间同步 问题时，拟采用t p s n 机制。t p s n 采用层次结构实现整个网络节点的时间同步： 所有节点按照层次结构进行逻辑分级，通过基于发送者一接收者的节点对方式， 每个节点能够与上一级的某个节点进行同步，从而实现所有节点都与根节点的时 间同步。 数据融合 数据融合是在传感器节点采集数据的过程中，利用节点本地的计算和存储能 力处理数据的融合，去除冗余信息，从而达到节省能量的目的的一种技术。数据 融合技术可以与无线传感器网络的多个协议层次进行结合。在应用层设计中，可 以利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果；在 网络层很多路由协议均结合了数据融合的机制，以期减少数据传输量；此外，还 有研究者提出了独立于其他协议层的数据融合协议层，通过减少m a c 层的发送 冲突和头部开销达到节省能量的目的，同时又不损失时间性能和信息的完整性。 i e e e 8 0 2 1 5 4 中定义的短地址就是将地址信息由8 个字节减少到了2 个字节，减 少了m a c 头的开销，有效地减少了数据发送次数，从而达到节省能量的目的。 嵌入式操作系统 传感器节点是一个微型的嵌入式系统，硬件资源十分有限，需要操作系统能 够节能地使用其有限的内存、处理器和通信模块，且能够对各种特定应用提供最 大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下，多个应用可以并发地使 用系统的有限资源。 传感器节点由两个突出的特点。一个特点是并发密集，即可能存在多个需要 同时执行的逻辑控制，这需要操作系统能够有效地满足这种发生频率、并发程度 高、执行过程比较短地逻辑控制流程；另一个特点是传感器节点模块化程度很高， 要求操作系统能够让应用程序方便地对硬件进行控制，且保证在不影响整体开销 地情况下，应用程序的各个部分能够比较方便地进行重新组合。上述这些特点对 第一章绪论 设计面向无线传感器网络的操作系统提出了新的挑战。美国加州大学伯克利分校 针对无线传感器网络研发了t i n y o s 操作系统，在我们的项目中拟采用这种操作 系统。 网络拓扑控制 w s n 拓扑控制目前主要的研究问题是在满足网络覆盖和连通度的前提下， 通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点间不必要的无线通信链路，生成一个 高效率的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次型拓 扑结构形成两个方面。通过拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高 路由协议和m a c 协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标定位等方面奠定 基础，有利于节省节点的能量来延长网络的生存期。目前在我们的项目中，尚未 开展网络拓扑控制方面的研究。 1 4 基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的无线传感器网络 i e e e 8 0 2 1 5 4 是i e e e 针对低速率无线个人区域网( l o w r a t ew i r e l e s s p e r s o n a la r e an e t w o r k s ，l r w p a n ) 制定的无线通信标准。该标准把低能量消 耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭内不同设备之问低 速率无线互连提供统一标准。该标准定义的l r w p a n 网络的特征与无线传感器 网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为无线传感器网路的通信标准。目前， i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 已经被z i g b e e 联盟采用，成为整个z i g b e e 无线解决方案的 一部分。标准包括两个部分：物理层( p h y ) 规范和媒体访问控制层( m a c ) 规范。 物理层 物理层在i s o 参考模型中，主要任务是在物理媒介上透明的传输比特流。 i e e e 8 0 2 1 5 4 的物理层定义l r - w p a n 网络的物理信道、调制方式、扩频方式等。 它在3 个频段上共定义了2 7 个物理信道。在频带8 6 8 m h z 、9 0 2 9 2 8 m h z 和 2 4 5 g h z 上的数据率分别为2 0 k b p s 、4 0 k b p s 和2 5 0 k b p s ，8 6 8 9 1 5 m h z 上1 1 个 信道均采用b p s k 调制，而2 4 5 g h z 上的1 6 个信道采用o q p s k 调制。 根据标准的定义，物理层实现了如下功能：激活关闭射频收发单元、对当前 信道进行能量检测、对收到的包进行链路质量指示、接收发送数据、空闲信道评 估。 m a c 层 m a c 层在i s o 七层参考模型中主要的职责是规范信道访问的方式，通过一 定的共享机制使网络中的节点能有序平等的访问物理信道。i e e e 8 0 2 1 5 4 的 m a c 层提供两种信道访问方式：c s m a c a 基于竞争的信道访问机制和g t s ( 时 隙保障机制，将在第二章中详细介绍) 类似t d m a 的时分复用机制。c s m a c a 属于随机涛问信道方式，具有较小的数据延迟，适用于数据传输频率较低但实时 性要求高的应用场合。g t s 机制适用于需要频繁传输数据，但实时性要求较低 的场合。除了信道访问方式，m a c 还提供m a c 帧的封装和解封装，m a c 帧之 间的同步，节点之间的关联的建立，无线通信信道的安全等服务。关于m a c 层 的功能，将在第二章详细介绍。 第一章绪论 虽然i e e e 8 0 2 1 5 4 定义的l r w p a n 包含了无线传感器网络的应用，但是 由于l r w p a n 的宽泛应用，该标准缺乏对无线传感器网络应用的专业定义，某 些特征在w s n 中并不适用。我们的无线传感器网络项目就是充分利用了 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准在不同，一商设备的兼容性上的优点，同时结合无线传感器网络 在不同应用中采用的算法的灵活性，通过调用i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 层提供的服务， 来实现包括组网、路由、定位和安全等算法。 1 5 本文的工作和组织结构 本论文主要提出了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的无线传感器网络组网算法，并 在f r e e s c a l e 公司的1 3 1 9 2 d s k a 0 0 平台上实现了组网算法的验证仿真，实现了 节点间的数据传输。 文章共分为五章，其中第三章和第四章为本文的主要工作和重点。 第一章为绪论。简要介绍了无线传感器网络的体系结构、研究现状和部分关 键技术。同时简要介绍了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的无线传感器网络概念，并指 出了本文的研究内容。 第二章主要介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，着重介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的 m a c 层的功能、信标帧和超帧等关键概念。 第三章主要首先分析了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的网络拓扑结构，在这个基 础上提出了基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的无线传感器网络组网方案。通过扫描信道、建 立p a n 网络和建立节点间的关联三个步骤构建了一个简单的无线传感器网络 层，实现了无线传感器网络组网功能。 第四章首先介绍了项目中采用的开发平台f r e e s c a l e 公司的1 3 1 9 2 d s k a 0 0 的软硬件资源，在这些资源的基础上，用c 语言实现了第三章提出的组网算法， 并给出了最终仿真的结果。 第五章总结全文，并对研究工作作出了展望。 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 简介 2 1 概述 第二章1 e e e 8 0 2 1 5 4 简介 随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围之内通信的需 求，这样就出现了个人区域网络( p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，r a y ) 和无线个人区域网 络( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 的概念。w p a n 网络为近距离范围 内的设备建立无线连接，把几米到十几米范围内的多个设备通过无线方式连接在 一起，使它们可以相互通信甚至接入l a n 或者i n t e m e t 1 1 】。 2 0 0 1 年8 月成立的z i g b e e 联盟 1 2 1 就是一个针对w p a n 网络而成立的产业 联盟。该联盟致力于近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网 络技术的。他们开发出来的技术被称为z i g b e e 技术。这是一种介于无线标记技 术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它采用了 i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 作为其底层的物理层和数据链路层标准，并定义了z i g b e e 网 络层、应用支持子层和应用层规范。z i g b e e 联盟于2 0 0 5 年6 月2 7 公布了z i g b e e s p e c i f i c a i t o nv e r s i o n1 0 1 1 3 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 作为z i g b e e 的底层标准包括两个部分：物理层( p h y s i c a ll a y e r ， p h y ) 规范和媒体疗问控制子层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ls u b l a y e r ，m a c 子层) 规范。图2 1 为i e e e 8 0 2 1 5 4 的分层参考模型。 m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ：m a c 公共部分子层( m c p s ) m l m e ：m a c 层管理实体 p dp h y 数据 p l m e ：p h y 层管理实体 p 旧：p a n 信息数据库 s a e ：服务访问点 图2 1i e e e 8 0 21 54 分层参考模型 在图中，层与层之间通过服务访问点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ，s a p ) 连接。 每一层都可以通过本层与其下层相连的s a p ，调用下层为其服务提供的服务，同 9 第二章i e e e 8 0 2 1 54 简介 时通过其与上层相连的s a p 为上层提供服务。在调用下层服务时，只需要遵循 统一的原语规范，并不需要去了解下层如何处理原语。这样就做到了数据层与层 之问的透明传输。原语的定义遵循“s a p 名称一原语功能原语类型”的规则，如： “m l m e a s s o c i a t e r e q u e s t ”表示m l m e s a p 上提供的关联请求原语( 关于 原语的概念，将在第三章中详细介绍) 。物理层和m a c 层向上的接口都分为两 类：数据s a p 和管理信息s a p 。由于数据与管理信息相比带宽需求要大得多， 专门为数据的处理提供一条独立的通道，有助于提高网络传输的数据吞吐量。 2 2p a n 节点分类 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义了两种物理节点：全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ， f f d ) 和缩减功能设备( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 。f f d 顾名思义就是资 源丰富功能全的节点，r f d 则是为了节省成本缩减某些不必要的功能的低成本 节点。r f d 不具备路由和数据转发功能，只能与f f d 进行通信。 与物理节点相对应，在l r w p a n 中有三种网络角色：队n 网络协调器、 协调器和设备。这三种角色在z i g b e e 规范中分别对应z i g b e e 协调器、z i g b e e 路由器和设备。p a n 网络协调器可以看作是一个p a n 的网关节点( 也即s i n k 节点) 。它是网络建立的起点，负责p a n 网络的初始化，确定p a n 的i d 号和p a n 操作的物理信道并统筹短地址分配。协调器在加入网络之后，获得一定的短地址 空问。这个空间内，它有能力允许其他节点加入网络，并分配短地址。当然，协 调器还具备路由和数据转发的功能。p a n 协调器和协调器周期发出信标帧 ( b e a c o r nf r a m e ，信标帧的概念我们将在2 4 3 节中详细介绍) ，只能是f f d 。 设备是整个p a n 网络的叶节点，它只能与它的父节点通信，也没有加入其他任 何节点的能力。设备可以是f f d 或者r f d 。 2 3 物理层 i e e e 8 0 2 1 5 4 的物理层定义了物理信道和m a c 子层之间的接口，提供物理 层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物 理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库。图2 - 1 中物理层各功能实 体和s a p 的具体描述如下： p l m e ：p h y 层管理实体，处理与物理层管理相关的原语。 p h y p i b ：p h y 层p a n 信息数据库，存储物理层p a n 相关属性。 p d s a p ：p h y 数据服务访问点，物理层与m a c 层的数据接口。接收将 要发送的m a c 帧、面 m a c 层报告收到的m a c 帧，为m a c 层提供p h y 数 据服务。 p l m e s a p ：p l m e 服务访问点，物理层与m a c 层的管理接口。接收m a c 的管理请求原语，向m a c 层报告管理指示原语和确认原语，为上层m a c 层提供p h y 管理服务。 r f s a p ：射频服务访问点，为p h y 层提供射频收发服务。 根据标准的定义，物理层实现了如下功能：激活关闭射频收发单元、对当前 1 0 第二章i e e e 8 0 21 5 4 简介 信道进行能量检测( e n e r g yd e t e c t ，e d ) 、对收到的包进行链路质量指示( l i n k q u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 、接收发送数据、空闲信道评估( c l e a rc h a r m e la s s e s s m e n t ， c c a ) 等。 信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号 的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率 和噪声信号功率之和。 链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质 量的信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号解码，生成的是一个信噪比指 标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。 空闲信道评估判断信道是否空闲。i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估模 式：第一种，简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一个门限值就认为信 道空闲：第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两个方面，即扩 频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和 信号特征，给出信道空闲判断。 2 4m a c 层 2 4 1m a c 层功能描述 m a c 子层提供两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务( m a c s u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，m l m e ) 。前者保证m a c 协议数据单元在物理层数 据服务中正确收发，后者维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息的数据库。 图2 - 1 中m a c 层各功能实体和s a p 的具体描述如下： m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ：m a c 公共部分子层( m c p s ) ，实现m a c 层一般功能。包括m a c 帧的封装、解封装；执行c s m a c a 算法共享 物理信道。 m l m e ：m a c 层管理实体，处理除数据原语之外的所有管理原语，以实 现标准规定的m a c 层功能，如超帧管理( s u p e r f r a m e ) 、信标帧同步、 创建网络、建立释放网络关联等等。 m a cp i b ：m a c 层p a n 信息数据库，存储m a c 层p a n 相关属性。 m c p s s a p ：m c p s n 务访问点，m a c 层与网络层的数据接口。接收上 层的协议数据单元、向上层报告m a c 层服务数据单元，为上层提供m a c 数据服务。 m l m e - s a p ：m l m e 服务访问点，m a c 层与网络层的管理接口。接收 发送数据原语以外的管理服务原语，为上层提供m a c 管理服务。 根据标准的定义，m a c 层的完成如下六个方面的功能：协调器产生并发送 信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；支持p a n 网络的关联 ( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作；支持无线信道通信安全；使 用c s m a c a 机制共享物理信道；支持时隙保障( g u a r a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 第二章1 e e e 8 0 21 5 4 简介 机制；为两个对等的m a c 实体提供可靠的数据链路。 关联操作是指一个设备在加入一个特定p a n 时，向协调器注册以及身份认 证的过程。l r w p a n 网络中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络，这时 就需要进行关联和取消关联操作。 时隙保障机制和时分复用( t i m ed i v