非基于IP的无线个人区域网络技术解析

# 非基于IP的无线个人区域网络（WPAN）技术解析 ## 1. CCA模式 CCA（空闲信道评估）有多种模式，这里主要介绍模式4和模式5： - **CCA模式4**：这是一种带有定时器的载波侦听检测模式。CCA启动一个持续若干毫秒的定时器，仅当检测到高速率物理层（PHY）信号时才报告信道繁忙。若定时器超时且未观测到高速率信号，CCA将报告信道空闲。 - **CCA模式5**：此模式是载波侦听和能量高于阈值模式的组合。 关于CCA模式的注意事项： - 能量检测最多比指定的接收器灵敏度高10 dB。 - CCA检测时间等于八个符号周期。 - 基于能量检测的CCA模式消耗的设备能量最少，但比基于信标的通信消耗更多的功率。 ## 2. IEEE 802.15.4拓扑结构 IEEE 802.15.4中有两种基本设备类型： - **全功能设备（FFD）**：支持任何网络拓扑，可以作为网络（PAN）协调器，并且可以与任何设备进行通信。 - **精简功能设备（RFD）**：仅限于星型拓扑，不能作为网络协调器，只能与网络协调器通信。 ### 2.1 拓扑类型 - **星型拓扑**：最简单的拓扑结构，但所有对等节点之间的消息都需要通过PAN协调器进行路由。 - **对等拓扑**：典型的网状网络，可以直接与相邻节点通信。构建更复杂的网络和拓扑结构是更高级协议的职责。 ### 2.2 PAN协调器的作用 PAN协调器负责设置和管理PAN，传输网络信标并存储节点信息。与可能使用电池或能量收集电源的传感器不同，PAN协调器通常连接到专用电源线（市电），并且始终是FFD。RFD或低功耗FFD可以使用电池供电，它们可以长时间处于睡眠状态。在PAN内允许广播消息，要向整个网络广播，只需指定PAN ID为0xFFFF。 ## 3. IEEE 802.15.4地址模式和数据包结构 标准规定所有地址基于唯一的64位值（IEEE地址或MAC地址）。为了节省带宽和降低传输大地址的能量消耗，802.15.4允许加入网络的设备用其唯一的64位地址换取一个短的16位本地地址，即PAN ID，这一过程由PAN协调器负责。 ### 3.1 帧类型 数据传输的基本单位是帧，有四种基本类型： - **数据帧**：用于应用数据传输。 - **确认帧**：确认接收。 - **信标帧**：由PAN协调器发送以设置超帧结构。 - **MAC命令帧**：用于MAC层管理（关联、解除关联、信标请求、GTS请求）。 ### 3.2 启动序列 IEEE 802.15.4的启动、网络配置和加入现有网络的过程如下： ```mermaid graph LR A[设备初始化其协议栈（PHY和MAC层）] --> B[创建PAN协调器] B --> C[PAN协调器获取唯一的PAN ID] C --> D[选择特定的无线电频率] D --> E[配置PAN协调器并启动网络] E --> F[节点加入网络] F --> G[PAN协调器决定是否允许节点加入] G --> H[分配16位短地址（若允许）] ``` 1. 设备初始化其协议栈（PHY和MAC层）。 2. 创建PAN协调器，每个网络只有一个PAN协调器。 3. PAN协调器通过监听其他网络，在多个频率信道上获取唯一的PAN ID。 4. PAN协调器使用能量检测扫描选择特定的无线电频率，找到一个安静的信道。 5. 配置PAN协调器并以协调器模式启动设备，此时PAN协调器可以接受请求。 6. 节点通过主动信道扫描（广播信标请求）或被动信道扫描（监听信标）找到PAN协调器，然后发送关联请求。 7. PAN协调器根据访问控制规则或资源情况决定是否允许节点加入，若允许则分配16位短地址。 ## 4. IEEE 802.15.4安全 IEEE 802.15.4标准包括加密和认证形式的安全规定。不同的安全套件如下表所示： | 类型 | 描述 | 访问控制 | 机密性 | 帧完整性 | 顺序新鲜性 | |