无线通信协议设计.doc

关键字：网络协议，成本低，外围电路少，传感器。 第一阶段传感器网络的三要素是传感器，观察者和感知对象。传感器由电源，感知部件，嵌入式处理器，存储器，通信部件和软件这几部分构成。无线传感器网络通常包括传感器节点，汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，这一过程可以通过飞行器撒播，人工埋置和火箭弹射等方式完成。撒放后的传感器节点进入到自检启动的唤醒状态，在簇首节点的引领下，建立起路由拓扑，之后传感器节点采集并记录周围感兴趣的环境信息，沿着之前建立好的路由拓扑路径逐跳进行传输，在传输过程中数据可能被多个节点处理，经过单跳或者路由多跳后传输到汇聚节点，汇聚节点通过串口将数据传送到网关节点进行集中处理。在本课题中网关节点用PC充当，网关节点再连接到基于IPv6的cernet2主干网上，监控中心从cernet2上获取数据，并完成对数据的融合，展示，预测，以及决策，从而对整个网络进行协调和控制。无线传感器网络具有以下特点：（1） 网络规模大。（2） 网络的自组织能力（要求传感器节点具有自组织的能力，并且能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统）（3） 无线传感器网络节点的通信能力有限（无线传感器网络中传感器节点的传输率低，一般只有200kbps左右，通信距离短）（4） 无线传感器网络节点的电源能量有限（5） 无线传感器网络存储和计算能力有限（无线传感器网络中的传感器节点是一种微型嵌入式设备）（6） 无线传感器网络以数据为中心 一个基于ZigBee技术的无线传感器网络平台研究了无线传感器网络中控制信息及传感器数据的获取，描述，解析，存储和传输。采用了新兴的ZigBee技术，为解决WSNs中的核心问题能量限制建立了基础。设计和实现了低成本的两层板的工作频率为2.4GHZ的无线数据传输模块。(4)建立了一个分知式的远程无线监测及控制的平台。在该平台上实现了ZigBee协议，组建了一个具有路由节点的无线网络。为进步的无线传感器的实际应用打下了基础。立意的意义 目前，无线传感器终端的希望和要求主要集中在尽量节省的系统能量消耗、尽量节省的信息处理以及简易的信号收发。对于无线传感器网络中的网络协议的期待是：用简洁的协议栈支持传感器网络的有效运行，到处存在接入可能；利用广播信息，避免交互应答：简化的协议层次、简练的信令方式；节省的系开销等。正是基于无线传感器网络终端的要求，ZigBee协议应运而生。ZigBee协议是专用于无线传感器网络的通信协议，能最大可能的节省网络中能量，可随时接入大量节点，高容错性，强鲁棒性，逐渐成为了无线传感器网络的首选络协议。到目前为止无线传感器网络的发展己经经历了三个阶段25：(1) 点对点。只是简单取代了有线网络，各个设备之间只是直接联系，只有有限通信能力。(2) 点对多点。传感器网络中有一个路由和控制的中央节点，所有数据流动必须通过基站。(3) 多跳网状结构。完全的RF冗余，具有多数据通道，自我建构，自我调整，智能分布式。ZigBee是一种专门为低速率传感器网络而设计的低成本、低功耗的短距离无线通信新技术。具有高效节能优势的ZigBee无线传感器网络在工业控制、智能家居等领域有着非常广阔的应用前景。本课题围绕着ZigBee协议展开，进行了深入的理论研究和仿真分析，并提出了一种基于路由开销控制的ZigBee路由协议改进算法，以实现提高ZigBee网络性能的目的。首先，本课题在介绍了ZigBee无线传感器网络的技术特点及发展状况的前提下，简要介绍IEEE 802154ZigBee协议物理层、MAC层标准，以及网络层的设备划分与网络拓扑。其次，重点介绍了ZigBee网络的组网过程以及路由过程，并搭建基于NS2软件的Zigaee仿真平台，对Zigaee组网过程和路由过程进行了网络仿真。在与另一种典型的自组织路由协议DSDV进行的对比测试中，按需驱动的zigBee路由协议表现出了更小的路由开销。最后，课题提出了一种提出了基于Zigaee路由请求分组广播范围自适应调整的优化算法，通过ZigBee网络拓扑特点与地址分配机制减小了路由请求分组的广播半径。仿真结果表明，改进的路由协议能够限制网络内的冗余的路由请求分组，减少节点的路由开销，提高了网络性能。与现有的各种无线通信技术相比，ZigBee技术非常适合于复杂环境的工业控制，承载数据流较小，且不需要实时传输或连续更新的场所。zigBee技术的主要技术特点包括以下几点：1)低功耗。由于收发信息功率较低，且采取空闲时休眠的技术，使得ZigBee网络保持着极低的功率消耗。2)可靠性强。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。3)时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。网络容量大。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点：同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。安全性高。提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES128。确保了数据传输过程中的高度保密。6)低速率。ZigB工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。 第二阶段1网络协议遍及OSI通信模型的各个层次，从我们非常熟悉的TCP/IP、HTTP、FTP协议，到OSPF、IGP等协议，有上千种之多。对于普通用户而言，不需要关心太多的底层通信协议，只需要了解其通信原理即可。在实际管理中，底层通信协议一般会自动工作，不需要人工干预。但是对于第三层以上的协议，就经常需要人工干预了，比如TCP/IP协议就需要人工配置它才能正常工作。2当今局域网中最常见的三个协议是MICROSOFT的NETBEUI、NOVELL的IPX/SPX和交叉 平台TCP/IP。 一：NETBEUI NETBEUI是为IBM开发的非路由协议，用于携带NETBIOS通信。NETBEUI缺乏路由和网络 层寻址功能，既是其最大的优点，也是其最大的缺点。因为它不需要附加的网络地址和网 络层头尾，所以很快并很有效且适用于只有单个网络或整个环境都桥接起来的小工作组环 境。 因为不支持路由，所以NETBEUI永远不会成为企业网络的主要协议。NETBEUI帧中唯一 的地址是数据链路层媒体访问控制（MAC）地址，该地址标识了网卡但没有标识网络。路由 器靠网络地址将帧转发到最终目的地，而NETBEUI帧完全缺乏该信息。 网桥负责按照数据链路层地址在网络之间转发通信，但是有很多缺点。因为所有的广 播通信都必须转发到每个网络中，所以网桥的扩展性不好。NETBEUI特别包括了广播通信的 记数并依赖它解决命名冲突。一般而言，桥接NETBEUI网络很少超过100台主机。 近年来依赖于第二层交换器的网络变得更为普遍。完全的转换环境降低了网络的利用 率，尽管广播仍然转发到网络中的每台主机。事实上，联合使用100-BASE-T Ethernet,允 许转换NetBIOS网络扩展到350台主机，才能避免广播通信成为严重的问题。 二：IPX/SPX IPX是NOVELL用于NETWARE客户端/服务器的协议群组，避免了NETBEUI的弱点。但是， 带来了新的不同弱点。 IPX具有完全的路由能力，可用于大型企业网。它包括32位网络地址，在单个环境中允 许有许多路由网络。 IPX的可扩展性受到其高层广播通信和高开销的限制。服务广告协议（Service Adver tising Protocol,SAP)将路由网络中的主机数限制为几千。尽管SAP的局限性已经被智能路 由器和服务器配置所克服，但是，大规模IPX网络的管理员仍是非常困难的工作。 三：TCP/IP 每种网络协议都有自己的优点，但是只有TCP/IP允许与Internet完全的连接。TCP/IP 是在60年代由麻省理工学院和一些商业组织为美国国防部开发的，即便遭到核攻击而破坏 了大部分网络，TCP/IP仍然能够维持有效的通信。ARPANET就是由基于协议开发的，并发展 成为作为科学家和工程师交流媒体的Internet。 TCP/IP同时具备了可扩展性和可靠性的需求。不幸的是牺牲了速度和效率（可是：TCP /IP的开发受到了政府的资助）。 Internet公用化以后，人们开始发现全球网的强大功能。Internet的普遍性是TCP/IP 至今仍然使用的原因。常常在没有意识到的情况下，用户就在自己的PC上安装了TCP/IP栈 ，从而使该网络协议在全球应用最广。 TCP/IP的32位寻址功能方案不足以支持即将加入Internet的主机和网络数。因而可能 代替当前实现的标准是IPv6。 传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外，还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源（通常为电池）。传感器网络主要包括三个方面：感应、通讯、计算（硬件、软件、算法）。其中的关键技术主要有无线数据库技术，比如使用在无线传感器网络的查询，和用于和其它传感器通讯的网络技术，特别是多次跳跃路由协议。例如摩托罗拉使用在家庭控制系统中的ZigBee无线协议。传感网络的节点间距离很短，一般采用多跳（multi-hop）的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到Internet，使用户可以远程访问。传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分。此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、运动系统以及发电装置等。在传感器网络中，节点通过各种方式大量部署在被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间的采集，处理和分析。一个典型的传感器网络的结构包括分布式传感器节点（群）、sink节点、互联网和用户界面等. 传感节点之间可以相互通信，自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink（基站节点），Sink节点收到数据后，通过网关（Gateway）完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理器来管理和控制这个系统。传感器网络的特性使得其有着非常广泛的应用前景，其无处不在的特点使其在不远的未来成为我们生活中不可缺少的一部分。 第三阶段Zigbee是针对小型设备的无线联网和控制而制定的协议规范，拥有一套非常完整的协议层次结构，由IEEE8021 54和Zigbee联盟共同制订完成。Zigbee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的无线传输技术，它工作于无需注册的24GHz ISM频段，传输速率为20250kbs，传输距离为1075m。具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点，主要适用于无线传感器网络、自动控制和远程控制领域。Zigbee技术的出现弥补了无线通信市场上低成本低功耗设备领域的空缺，Zigbee是IEEE802154标准的扩展集， IEEE802154工作组主要负责制订物理层及MAC层的协议，Zigbee联盟负责高层应用、测试和市场推广等工作Zi gbee是为建立一种可靠的、高性价比的、低功耗的，可以实现监测和控制的无线网络而制定的，(1)协议简单。Zigbee采用基本的主一从结构配合静态的星型网络，因此更加适用于使用频率低、传输速率低的设备；(2)功耗低。由于工作周期很短，收发信息功耗也较低，并且采用了多种节能方式，电池的使用时间最终决定于不同的网络应用，通常情况下，Zi gbee两节五号电池可以支持长达6个月到2年的使用时间；(3)时延短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms，这对某些时间敏感的信息至关重要，另外还节省了能量消耗，能够满足大多数情况下应用的时延要求；(4)可靠。由于Zigbee采用了防碰撞机制，同时对需要固定带宽的通信业务采用预留专用时隙的策略，避免了发送数据时的竞争和冲突。在接入层采用确认的数据传输机制，每个发送的数据包必须等待接收点的确认信息，才可发送下一个数据包；(5)成本低。低数据速率、简单的协议和小的存储空间大大降低了Zi gbee的成本，每块芯片的价格约为2美元，另外Zigbee协议不需要支付专利费；(6)网络容量大：每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接，一个区域内可以同时存在最多1 oo个Zigbee网络；(7)安全。Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES一128加密算法，同时不同的应用可以依据各自的具体要求灵活确定其安全属性；(8)工作频段灵活：使用的频段分别为24GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。目前，市场上的短距离无线通信技术主要有蓝牙、无线局域网WiFi和一些专用标准(如Ad hoe网)的产品。一些公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如无线USB、超宽带通信UWB和WiMax等。下面介绍几种常见技术并针对WSN的应用做相关比较心。(1)蓝牙(BlucTooth)蓝牙主要用于通信和信息设备的无线连接，适合于语音业务和需要更高数据量的业务，如移动终端、耳机、PDA联网等。它的工作频率为24GHz，能够在10m半径范围内实现单点对多点的无线数据和声音传输。B1uetooth列入了IEEE 802151，规定了包括PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。为语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供250kB系统开销，从而增加了系统成本和集成复杂性。另外，Bluetooth对每个Piconet(微微网)有只能配置7个节点，制约了其在大型传感器网络开发中的应用。蓝牙技术发展从1999年起历经多年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的网扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域，且互通性方面也存在问题。与蓝牙技术相比，Zigbee技术的传输速率要低些(Zigbee的峰值速率为250kbps，蓝牙的峰值速率为750kbps)，但Zigbee的待机功耗比蓝牙低l到2个数量级(Zigbee为3400A，蓝牙为200A)幢劓。(2)WiFiwiFi(Wireless Fideity，无线高保真)也是一种无线通信协议。IEEE80211规范提出的主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，其工作频率也是24GHz。IEEE80211流行的几个版本包括。(a)在518GHz波段带宽为54MBps；(b)波段214GHz带宽为llMBps；(c)波段214GHz带宽为22MBps。这种复杂性增加了用户选择标准化无线平台的难度。WIFi在Intel的大力支持下，借迅驰处理器迅速占领市场：采用IEEE8021 lb标准，使用24GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mbps，并可根据信号强弱把传输速率调整为55Mbps、2Mbps和1Mbps；采用最新的802119时，速率可达54Mbps，是目前应用最广的无线网络传输协议。WiFi规定了协议的物理(PHY)层和媒体接入控制(MAC)层，并依赖TCPIP作为网络层。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多数便携WiFi装置都需要常规充电，这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。(3)红外通讯技术(IrDA)IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术。IrDA标准的无线设备传输速率已从1152kbps逐步发展到4Mbps、16Mbps。支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备上被广泛使用。具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低廉等特点。与Zigbee相比，IrDA的不足有：(a)只能实现点到点连接，不能同时链接多台设备，无法灵活构成网络，而Z igbee至少可以同时链接255台设备。(b)IrDA对方向性要求很高，垂直15度角才能发收信号，Zi gbee则利用无线电波具有全向性。(c)IrDA必须在视距范围内定向传输，中间不能出现阻挡，同时要