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基于ZigBee的WPAN網絡配置應用

作者: 時間:2011-03-29 來源:網絡 收藏

3 工作模式
的工作模式可以分為信標(Beacon)和非信標(Non-beacon)2種模式,信標模式實現了中所有設備的同步工作和同步休眠,以達到最大限度的功耗節省,而非信標模式則只允許ZE進行周期性休眠,ZC和所有ZR設備必須長期處于工作狀態。

本文引用地址:http://www.j9360.com/article/156512.htm


信標模式下,ZC負責以一定的間隔時間(一般在15ms~4min)向網絡廣播信標幀,2個信標幀發送之間有16個相同的時槽,這些時槽分為網絡休眠區和網絡活動區2個部分,消息只能在網絡活動區的各時槽內發送。


非信標模式下,標準采用父節點為ZE子節點緩存數據,ZE主動向其父節點提取數據的機制,實現ZE的周期性(周期可設置)休眠。網絡中所有父節點需為自己的ZE子節點緩存數據幀,所有ZE子節點的大多數時間都處于休眠模式,周期性的醒來與父節點握手以確認自己仍處于網絡中,其從休眠模式轉入數據傳輸模式一般只需要15ms。

網絡拓撲結構
IEEE 802.15.4網絡根據的需要可以組織成星型網絡,也可以組織成點對點網絡。在星型結構中,所有設備都與中心設備PAN網絡協調器通信。在這種網絡中,網絡協調器一般使用持續電力系統供電,而其他設備采用電池供電。星型網絡適合家庭自動化、個人計算機的外設以及個人健康護理等小范圍的室內。與星型網不同,點對點網絡只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內,任何2個設備都可以直接通信。點對點網絡中也需要網絡協調器,負責實現管理鏈路狀態信息,認證設備身份等功能。點對點網絡模式可以支持Ad Hoc網絡,允許通過多跳路由的方式在網絡中傳輸數據。不過一般認為自組織問題由網絡層來解決,不在IEEE 802.15.4標準討論范圍之內。點對點網絡可以構造更復雜的網絡結構,適合于設備分布范圍廣的,例如,在工業檢測與控制、貨物庫存跟蹤和智能農業等方面有非常好的應用背景。


由于樹狀網絡和網狀網絡具有在多個網絡之間路由數據包的功能,因而被稱為多跳網絡,而星形網絡則被稱為單跳網絡。和任何網絡一樣,網絡也是多點接入網絡,這意味著網絡中的所有節點對通信介質的訪問是同等的。其有2種類型的多點接入機制,在沒有使能信標的網絡中,只要信道是空閑的,在任何時候都允許所有節點發送。在使能了信標的網絡中,僅允許節點在預定義的時隙內進行發送。協調器會定期以一個標識為信標幀的超級幀開始發送,并且希望網絡中的所有節點與此幀同步。在這個超級幀中為每個節點分配了一個特定的時隙,在該時隙內允許節點發送和接收數據。超級幀可能還含有一個公共時隙,在此時,隙內所有節點競爭接入信道。


雖然網絡拓撲結構的形成過程屬于網絡層的功能,但IEEE 802.15.4為形成各種網絡拓撲結構提供了充分支持。在規劃設計時,通常需要考慮網絡容量和時延。ZigBee標準的網絡容量雖然可以支持到最多65535個網絡節點,但每2個相鄰節點完成一次通信需要15ms時間,所以在實際應用中需要考慮網絡覆蓋范圍和響應時間。單點容量大了,覆蓋范圍擴充不大;響應時間大了,應用業務實現不了。這就需要根據應用環境的不同,設計有效的網絡拓撲組合來滿足各種不同應用。


1 星型網絡
星形網絡是一個輻射狀系統,數據和網絡命令都通過中心節點傳輸。在這種路由拓撲中,外圍節點需要直接與中心節點無線連接,某個節點的沖突或者故障將會降低系統的可靠性。星形網絡拓撲結構最大的優點是結構簡單,因為很少有上層協議需要執行,設備成本低、較少的上層路由管理;中心節點承擔絕大多數管理工作,如發放證書和遠距離網關管理等。缺點是:靈活性差,因為需要把每個終端節點放在中心節點的通信范圍內,必然會限制無線網絡的覆蓋范圍;而且,集中的信息涌向中心節點,容易造成網絡阻塞、丟包、性能下降等情況。


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


網絡協調器要為網絡選擇一個唯一的標識符,所有該星型網絡中的設備都是用這個標識符來規定自己的屬主關系。不同星型網絡之間的設備通過設置專門的網關完成相互通信。選擇一個標識符后,網絡協調器就允許其他設備加入自己的網絡,并為這些設備轉發數據分組。星型網絡中的2個設備如果需要互相通信,都是先把各自的數據包發送給網絡協調器,然后由網絡協調器轉發給對方。


2 樹狀網絡
樹狀網絡是點對點網絡的一個例子,也是ZigBee典型的網絡拓撲結構。在一般的點對點網絡中,任意2個設備只要能夠彼此收到對方的無線信號,就可以進行直接通信,不需要其他設備的轉發。但點對點網絡中仍然需要一個網絡協調器,不過該協調器的功能不再是為其他設備轉發數據,而是完成設備注冊和訪問控制等基本的網絡管理功能。網絡協調器的產生同樣由上層協議規定,例如,把某個信道上第一個開始通信的設備作為該信道上的網絡協議器。


在ZigBee的樹狀網絡中,絕大多數設備是FFD設備,而RFD設備總是作為樹狀的葉設備連接到網絡中。任意一個FFD都可以充當RFD協調器或者網絡協調器,為其他設備提供同步信息。在這些協調器中,只有一個可以充當整個點對點網絡的網絡協調器。網絡協調器可能和網絡中其他設備一樣,也可能擁有比其他設備更多的計算資源和能量資源。網絡協調器首先將自己設為簇頭(Cluster Header,CLH),并將簇標識符(Cluster Identifier,CID)設置為0,同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網絡標識符,形成網絡中的第一個簇。接著,網絡協調器開始廣播信標幀;鄰近設備收到信標幀后,就可以申請加入該簇;設備可否成為簇成員,由網絡協調器決定。如果請求被允許,則該設備將作為簇的子設備加入網絡協調器的鄰居列表。新加入的設備會將簇頭作為它的父設備加入到自己的鄰居列表中。


上面描述的只是一個由單簇構成的最簡單的樹狀,個域網網絡協調器可以指定另一個設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備成為簇頭,進一步擴大網絡的覆蓋范圍。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,簇頭可以選擇最遠的通信設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,達到減少延遲和開銷的目的。



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