无线感测网路之通讯协定与应用前景作者国立交通大学资讯工程系.docVIP

無線感測網路之通訊協定與應用前景 作者: 國立交通大學資訊工程系 蔡佳宏、曾煜棋 壹、無線感測器網路簡介 由於近來微型製造的技術、通訊技術及，促使微小的 圖一：無線感測網路系統基本架構 貳、IEEE 802.15.4 在本節中，我們將簡介IEEE協會新推出的一個支援短距離、低功率傳輸的一套協定IEEE 802.15.4(又稱LR-WPAN，low-rate wireless personal and network)，IEEE 802.15.4被認為可以作為支援無線感測器間通訊的一套規範。 在IEEE 802.15.4網路中，一個裝置可以是一個簡化功能裝置(Reduced-Functionality Device；RFD)或是一個全功能裝置(Full-Functional Device；FFD)。全功能裝置可使用於任何網路拓撲，它可能與任何其他裝置通訊，並可成為網路協調者(PAN Coordinator)；簡化功能裝置不能成為網路協調者，且通常僅和一個全功能裝置通訊，但是簡化功能裝置在實作上很簡單且價格較便宜。通訊於同一實體層頻道中的一個個人操作空間(Personal Operating Space；POS)內的兩個或是兩個以上的裝置會構成一個無線個人區域網路(Wireless Personal Area Network；WPAN)，但是一個網路中必須包含至少一個全功能裝置以作為個人區域網路之協調者。 LR-WPAN制訂了三種不同的頻率操作頻帶，共27個無線頻率頻道。這三個頻帶分別為868 MHz、915 MHz、以及2.4 GHz，其中915 MHz和2.4 GHz頻率操作頻帶屬於免執照的工業、科學和醫學用頻帶。 而以下將對此規範中之資料鏈結層協定做一個簡單的介紹。 一、Superframe架構 圖二、IEEE 802.15.4的Superframe架構示意圖 在LR-WPAN的規範中，Superframe的格式是由網路的協調者來定義的。Superframe的時間長短就是為協調者所發出的Beacon時間間隔(Beacon interval)，一個Superframe可以再細分為活動區間(Active portion)跟閒置區間(Inactive portion)，而活動區間又可以再細分為16個小的相同大小的時槽，並且這16個時槽又可以分為競爭區間(Contention-Access Period；CAP)以及免競爭區間(Contention-Free Period；CFP)，協調者只在活動區間和個人區域網路中的裝置互相收送資料，而在閒置區間則可以進入省電模式以減少電源消耗。對於協調者以外的裝置來說，它們在沒有資料要傳送時可以進入省電模式。Superframe示意圖如上圖二所示。 Beacon訊框在第一個時槽傳送，如果網路協調者不希望使用superframe也可以不傳送Beacon訊框。Beacon訊框的目的有裝置同步、宣告PAN的存在、通知網路中的其他節點告知有暫存的封包存於網路協調者以及告知superframe的結構。當任何裝置欲在競爭區間跟協調者溝通必須使用時槽型之CSMA/CA的機制來爭取傳送的機會。如果有些應用必須要保障較低的延遲時間或是要求固定的傳輸速率，網路協調者亦可以給予一個固定時槽(Guarantee Time Slot；GTS)供這些應用程式使用。免競爭區間是由數個GTSs組成，一個網路協調者最多可以分派七個固定時槽，而每個固定時槽的大小可以是數個時間槽。 Superframe的結構由Beacon訊框中包含的資訊來決定，Beacon Order(BO)決定Beacon發送的間隔，而Superframe Order(SO)則決定活動區間的長短，SO及BO的值皆為[0,14]間之整數，且SO≦BO。當SO=15時，代表不使用superframe的架構。如果裝置有要求要使用固定時槽傳輸資料並且亦通過協調者的同意，在Beacon訊框裡亦會告知裝置他們可以使用的固定時槽。 二、資料傳輸模型 (Data transfer model) 在LR-WPAN中共定義了三種資料傳輸的模型：1) 資料由裝置送給網路協調者， 2) 資料由網路協調者送給裝置，3) 資料於裝置間對等傳輸(Peer-to-Peer)。星狀拓撲網路的資料傳送方式只有可能是前兩者；對等拓撲網路的資料傳送方式則三種者有可能。在LR-WPAN中採用的媒體存取方法是slotted/unslotted CSMA/CA通訊協定，在星狀拓撲網路中若協調者有傳送Beacon訊框(Beacon-enabled的網路，用以支援需要等待潛伏時間的裝置和應用)則收送資料時用slotted CSMA/CA通訊協定，反之