重庆邮电大学 6LoWPAN调研报告
LoWPAN 网络能够支持各种网络拓扑，包括网状和星型拓扑。无论是多跳路由的网状拓扑还是星型拓扑，其中的部分节点设备要具有包转发能力，并与采用其他技术的网络实现无缝整合。因此，优先考虑使用IP 协议。
3)、包长
由于 802.15.4 帧长的限制，LoWPAN 网络要求减少过多的报文分片和重组，要求控制/协议报文能够在一个独立的802.15.4 格式的帧上承载。
4)、配置和管理
由于 LoWPAN 网络设备数量多、性能有限且位置可能不易到达，因此要求协议配置要简单，易于启动，并具有自我诊断能力。网络管理要尽可能少的开销，并具有管理大量设备的能力。
5)、业务发现
LoWPAN 网络需要简单的业务发现协议去发现、控制和维护设备提供的业务。 6)、安全
LoWPAN 网络需要一个全面的安全解决方案，而不仅仅是IEEE802.15.4 中要求的AES技术。
二、IEEE 802.15.4协议技术介绍
IEEE 802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。
IEEE 802.15.4规定了物理层(PHY)和媒体接入控制子层(MAC)与固定、便携式及移动设备之间的低数据率无线连接的规范，这些设备都没有电池，或者电池电量和功耗要求都很小。一般在10m的个人操作空间内运行。根据应用的不同，也可以采取更大的范围和更低的数据率来作为一个权衡方案。
2.1、IEEE 802.15.4标准概述
随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人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（personal area network, PAN）和无线个人区域网络（wireless personal area network, WPAN）的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把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LAN或Internet。1998年3月，IEEE 802.15工作组致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personal operating space, POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，在这个范围
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内用户可以是固定的，也可以是移动的。
在IEEE 802.15工作组内有四个任务组（task group, TG），分别制定适合不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。下面是四个任务组各自的主要任务：
（1）任务组TG1：制定IEEE 802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。
（2）任务组TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与 IEEE 802.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。
（3）任务组TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网络标准。该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。
（4）任务组TG4：制定IEEE 802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定标准。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范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。
任务组TG4定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。
LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与WLAN相比，LR-WPAN网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。IEEE 802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议。
IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：
（1）在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；
（2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构；
（3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；
（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）；
（5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。
2.2、IEEE 802.15.4网络简介
IEEE 802.15.4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE
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802.15.4标准相互通信的一组设备的集合，又名LR-WPAN网络。在这个网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（full- device , FFD）和精简功能设备（reduced- device , RFD）。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（coordinator）。RFD设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样RFD设备可以采用非常廉价的实现方案。
IEEE 802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调器（PAN coordinator）
的FFD设备，是LR-WPAN网络中的主控制器。PAN网络协调器（以后简称网络协调器）除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。
无线通信信道的特征是动态变化的。节点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围不是确定的。这就造成了LR-WPAN网络中设备的数量以及它们之间关系的动态变化。
2.3、IEEE 802.15.4网络拓扑结构及形成过程
根据应用的需求，IEEE 802.15.4 LR-WPAN可以有两种网络拓扑结构：星型的拓扑结构和点对点的拓扑结构，这两种拓扑结构如图2.1所示。星型拓扑结构由一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须为一个具有完整功能的设备，从设备既可为完整功能设备也可为简化功能设备，在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理地构造通信网络。在网络通信中，通常将这些设备分为起始设备或者终端设备，PAN主协调器既可以作为起始设备、终端设备，也可以作为路由器，是PAN网络的主控制器。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有一个唯一的64位长地址码，该地址可以在PAN中用于直接通信，或者当设备之间已经存在连接时，可以将其转变为16位短地址码分配给设备。PAN主协调器是主要的耗电设备，而其他从设备经常采用电池供电。星型拓扑结构通常在家庭自动化、PC外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查方面得到应用。
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图2.1 星型和点对点拓扑结构实例
在点对点拓扑网络结构中，同样也存在一个PAN主设备，但该网络不同于星型拓扑网络结构，该网络中的任何一个设备都可以与其通信范围内的其他设备进行通信。点对点拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如网状拓扑网络结构。这种点对点拓扑网络结构在工业监测和控制，无线传感器网络、供应物资跟踪、农业智能化以及安全监控等方面都有广泛的应用。一个点对点网络路由协议可以是基于ad hoc技术、也可以是自组织式的和自恢复式的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的传输方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式。每个独立的PAN都有一个唯一的标识符，利用PAN标识符，可以使用短位地址进行网络设备间的通信，并且可激活PAN网络设备之间的通信。
2.3.1、星型网络的形成
图2.1描述了星型网络的基本结构。当一个具有完整功能的设备被激活之后，它就会建立一个自己的网络，将自身成为一个PAN主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，这就说明了在星型网络结构中只有一个唯一的PAN主协调器，通过选择一个PAN标识符确保网络的唯一性。一旦选定了PAN标识符，PAN主协调器就会允许其它设备加入到它的网络中，无论是具有完整功能的设备还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。
2.3.2、点对点网络拓扑结构的形成
在点对点拓扑结构中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。任何一个设备都可以定义为PAN主协调器，例如，可将信道中第
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一个通信的设备定义为PAN主协调器。未来的网络结构可能不仅仅局限为点对点拓扑结构，对拓扑结构进行限制也是可能的。
例如，树簇拓扑结构是点对点网络拓扑结构的一种应用形式，在点对点网络中的设备可以为完整功能设备，也可以为简化功能设备。而在树簇中的大部分设备是FFD，RFD只能作为一个叶结点连接在树簇拓扑结构树枝的末尾处，这主要是由于RFD一次只能连接一个FFD。任何一个FFD都可以作为主协调器，并且，为其他从设备或主设备提供同步服务。在整个PAN中，只要该设备相对于PAN中的其他设备具有更丰富的计算资源，这样的设备都可以成为该PAN的主协调器。在建立一个PAN时，首先，PAN主协调器将自身设置为一个簇标识符（CID）为0的簇头，然后，选择一个没有使用的PAN标识符，并向邻近的其它设备以广播的方式发送信标帧，从而形成第一簇网络。接收到信标帧的候选设备可以在簇头中请求加入该网络，如果PAN主协调器允许该设备加入，那么主协调器会将该设备作为结点加入到邻近表中，成为该网络的一个从设备，同时，请求加入的设备将PAN协调器作为它的父结点加到邻近列表中，成为该网络的一个从设备，开始发送周期性的信标帧；其他的候选设备也可以在这台刚加入的设备上加入该网络。如果原始的候选不能加入到该网络中，那么它将寻找其它的父结点。
最简单的网络结构是只有一个簇的网络，但是多数网络结构由多个相邻的网络构成。一旦第一簇满足预定的应用或网络需求时，PAN主协调器将会指定一个从设备为另一簇新网络的簇头，使得该从设备成为另一个PAN的主协调器，随后其他的从设备将逐个加入，形成一个多簇网络，如图2.2所示。图中的直线表示设备间的父子关系而不是通信流。多簇网络结构的优点在于增加网络的覆盖范围，但随之而来的缺点是会增加传输信息的延迟时间。
图2.2树簇拓扑结构网络
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