第8章 无线低速网络

内容提要 更全面的互联互通是物联网的特点之一。无线低速网络协议能够适应物联网中智能程度较低设备的特征。 本章介绍典型的无线低速网络传输协议（蓝牙/红外/802.15.4&ZigBee），并较为详细地讨论了无线传感网组网实现。

本章内容 8.1 低速网络协议需求 8.2 无线低速网络协议 8.3 无线传感网协议实现 8.4 IPv6网际互联 为什么除了高速网络协议，物联网还需要低速网络协议？

为什么需要低速网络协议？ 物联网背景下连接的物体，既有智能的也有非智能的。 适应物联网中那些能力较低的节点 低速率 低通信半径 低计算能力，和低能量的要求 将物联网中各种各样的物体连接起来，实现全面互联互通的前提

本章内容 8.1 低速网络协议需求 8.2 无线低速网络协议 8.3 无线传感网协议实现 8.4 IPv6网际互联 典型的无线低速网络协议有哪些？各有什么特点？

8.2 无线低速网络协议 典型的无线低速网络协议： 蓝牙 红外 802.15.4/ZigBee

蓝牙（Bluetooth） 短距离低功耗传输协议，最早始于1994年，由瑞典的爱立信公司研发。 采用调频技术（frequency-hopping spread spectrum），频段范围是2.402GHz-2.480GHz。 通信速率一般能达到1Mbps左右，新的蓝牙标准也支持超过20Mbps的速率。 通信半径从几米到100米左右不等，常见为几米左右。

蓝牙和Wi-Fi区别 Wi-Fi的定位：取代网络应用中的有线设备，实现从有线到无线的转变。用来传送各种文件，视频，音频，实现互联网的各种应用。 蓝牙的定位替换一些个人用户携带设备的有线，如耳机，键盘等。这些设备对带宽的要求相对较少，或者说不是经常使用，比如手机间的传送小文件，或者说这些设备的资源拥有量（电量，计算资源等等）相对较低。

红外（Infrared) 红外通信技术利用红外线传输数据，比蓝牙技术出现更早，是一种较早的无线通信技术。 特点 缺点 采用的是875nm左右波长的光波通信，通信距离一般为1米左右。 设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势 缺点 设备之间必须互相可见 对障碍物的衍射较差

802.15.4/ZigBee 802.15.4/ZigBee 是无线传感网领域最为著名的无线通信协议 802.15.4主要定义了短距离通信的物理层以及链路层规范

802.15.4 物理层 频段：共3个，均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段，包括 868.0-868.6MHz，主要为欧洲采用，单信道； 902-928MHz，北美采用，10个信道，支持扩展到30； 2.4-2.4835GHz世界范围内通用，16个频道。 传输技术：最早为直接扩频，后来可采用调频、调相等多种技术。

802.15.4介质访问控制层 介质访问控制层（MAC）控制和协调节点使用物理层的信道 采用载波侦听多路访问方式(CSMA/CA)，与802.11（Wi-Fi）类似。 传输之前，先侦听介质中是否有使用同一信道的载波存在，若不存在说 明信道空闲，将直接进入数据传输状态； 若系统检测到存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道，退避 的时间长短由具体的协议指定。

CSMA/CA回顾

ZigBee 网络层 网络层功能：路由，新节点和路径的发现，决定一个节点属于某一个子网络等。 ZigBee网络层采用距离矢量路由协议（AODV） 源节点广播一个路由请求给它的所有邻居 邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们的邻居，如此直到消息到达目的节点。 当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点返回一个路由回复给源节点。 回复不再以广播方式发送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径，这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了。

距离矢量路由协议（AODV）

ZigBee 网络层以上 网络层以及上提供了向终端用户的接口 与互联网类似，在网络层以上： 互联网模型中需要提供不同类型的传输服务（比如TCP协议和UDP协议） 在传输协议上还需要提供各种基于不同传输协议的应用（比如FTP，HTTP等等）。

ZigBee与常用协议比较

本章内容 8.1 低速网络协议需求 8.2 无线低速网络协议 8.3 无线传感网协议实现 8.4 IPv6网际互联 无线传感网协议实现需要注意哪些问题？

8.3 无线传感网组网：物理层设计 链路特点 物理层设计应当支持802.15.14模块，如CC2420，同时满足： 动态性（Dynamic) 非对称性（Asymmetric）：两个节点之间一个方向链路质量好，另一个方向质量非常差。 空间关联性（Spatial Correlation）：因为位置相近的节点通常有相似的环境。 时间关联性（Temporal Correlation） 物理层设计应当支持802.15.14模块，如CC2420，同时满足： 低能量消耗 低通讯半径 低通信带宽

8.3 无线传感网组网：MAC层设计 无线传感网节点特殊性： MAC层：沿用CSMA/CA 节点功能小→计算不能太复杂 节点能量少→尽量减少不必要传输 节点通信范围小→需要多跳网络设计 节点内存小→不可能保存全部路由表 节点工作环境复杂→高适应性协议 MAC层：沿用CSMA/CA

8.3 无线传感网组网：MAC层设计 无线收发模块占用大部分电量消耗！

MAC层设计：如何降低能量消耗？ 无线收发器件（radio transceiver）工作时通常处于三种状态（发送，侦听，空闲状态），发送和侦听状态为工作状态，空闲状态浪费能量。 低功率侦听协议 采样侦听 链路层调度 无线收发模块在没有数据的时候关闭 定时采样获取信道的信息

MAC层设计：采样侦听的问题 假设采样周期为T，发送者在发送数据的时候如何保证接受者能够收到？ 然后接收者调整至接收状态，正常接收数据。

MAC层设计：采样侦听的问题（续） 仍然有问题：发送者每次发送最常需要持续一个采样周期的时间，还是会带来不必要的能量损耗。 更好的方法：同步发送者和接收者达到更高效率→调度

8.3 无线传感网组网：网络层设计 主要特点： 两类典型的网络层路由协议： 无线传感器网络中的链路是不可靠的 无线传感器节点的功能和资源极其受限的，使得节点不能进行很复杂的计算，测量以及维护庞大的路由表。 链路质量成为影响路由协议性能的重要指标。许多无线传感器网络路由协议在其路径选择过程中均考虑了链路质量。ETX是广泛使用的路径选择指标，可实现无线传感网典型的链路测量方法。 两类典型的网络层路由协议： 数据收集协议CTP 数据分发协议Drip

本章内容 8.1 低速网络协议需求 8.2 无线低速网络协议 8.3 无线传感网协议实现 8.4 IPv6网际互联

8.4 IPv6网际互联 IPv6已在高速互联网协议中得到广泛使用，正逐步移植到低速网络协议中。 6LoWPAN：统一框架下的互联协议，连接运行IPv6高速互联协议的网络和运行低速协议的其他网络。 挑战： 不同传输能力挑战 不同设备标记和识别挑战 不同设计目标挑战 不同设备管理挑战