智能體的通信機(jī)制

智能體相互通信，由于應(yīng)用場合和環(huán)境不同，所以選擇的通信技術(shù)也不同。本章的重點(diǎn)是敘述智能體之間的通信方式。這里討論了智能體的通信原理以及它與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)通信的差別。然后探討3種智能體通信標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.15.4、IEEE 802.11 (WiFi)和電力線載波( Power Line Carrier，PLC)通信。

一.智能體通信類型

智能體通信分成3種類型：一對一、一對多和多對一。每種通信類型都應(yīng)用于不同的場合，許多應(yīng)用都采取多種類型結(jié)合的方式。

智能體是基于其應(yīng)用的特殊通信類型。用于測量醫(yī)院病人的生理參數(shù)的智能體網(wǎng)絡(luò)，與監(jiān)視工業(yè)機(jī)器人變化的工業(yè)智能體網(wǎng)絡(luò)有很大的差別，但是，這些不同類型的網(wǎng)絡(luò)共享許多網(wǎng)絡(luò)通信的規(guī)則。

智能體經(jīng)常在不可靠的通信信道上進(jìn)行通信。帶有無線發(fā)送器的智能體在發(fā)送時(shí)可能受到附近其他無線發(fā)送器的干擾。無線信號(hào)也可能被位于發(fā)送器和接收器之間的實(shí)體所干擾。對智能體而言，由于低功耗無線通信使用未經(jīng)許可的無線電頻率帶寬，這種情況下，它們和其他無線通信技術(shù)共存，無線干擾的風(fēng)險(xiǎn)更大。對于有線技術(shù)，干擾的風(fēng)險(xiǎn)可能更小，但仍然是通信協(xié)議必須事先處理的一個(gè)關(guān)鍵問題。

由于通信信道固有的不可靠性，運(yùn)行在通信信道上的通信協(xié)議通常提供具有可靠性**的機(jī)制。由于無線干擾而丟失的信息會(huì)被重新發(fā)送。并不是所有的應(yīng)用都需要嚴(yán)格的可靠性，然而，對于這些應(yīng)用，通信信道的底層盡可能提供足夠的可靠性。

無線通信不僅是一種不可靠的媒介，而且也是一種共享媒介。當(dāng)通過無線方式發(fā)送一組消息時(shí)，附近的節(jié)點(diǎn)可能同時(shí)也在發(fā)送一組消息。由于媒介是共享的，兩組消息在傳播中可能串?dāng)_，接收器可能接收不到任何消息。無線通信協(xié)議必須將這點(diǎn)包括在考慮范圍之內(nèi)。

不同的智能體應(yīng)用有不同的通信需求。涉及移動(dòng)體的應(yīng)用，如可隨身攜帶的傳感器，

通常需要快速識(shí)別周圍網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。相反地，高度穩(wěn)定的應(yīng)用，如靜止裝置的工業(yè)監(jiān)視，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很少改變，并不需要網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖俑隆?/p>

無線發(fā)送器的功耗影響著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信類型。因?yàn)闊o線通信需要關(guān)閉來節(jié)省電能，擁有低電能的網(wǎng)絡(luò)是難以維持長時(shí)間的復(fù)雜通信模式的。

1.一對一通信

一個(gè)智能體和另一個(gè)智能體通信時(shí)稱為一對一通信類型。通信涉及其他智能體，因此通信可能經(jīng)過一個(gè)智能體網(wǎng)絡(luò)獲取路由。在圖4.1中，兩個(gè)智能體互相通信，但由于它們在通信節(jié)點(diǎn)之間向前傳遞數(shù)據(jù)包，所以其他兩個(gè)物體也會(huì)被涉及。

圖4.1智能體網(wǎng)絡(luò)一對一通信

2.一對多通信

一對多通信模式（如圖4.2所示）是一個(gè)節(jié)點(diǎn)向多個(gè)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息。

例如，可以發(fā)送一條指令到網(wǎng)絡(luò)中的一組節(jié)點(diǎn)。

圖4.2智能體網(wǎng)絡(luò)的一對多通信

根據(jù)通信類型使用的狀態(tài)，對信息傳遞的可靠性的要求是不同的。如果需要高可靠性，通信協(xié)議必須能夠重發(fā)消息直到每個(gè)接收器成功收到消息。如果可靠性不是一個(gè)硬性的要求，那么協(xié)議可能不需要重發(fā)任何消息，但協(xié)議希望通信媒介足夠可靠以使消息到達(dá)接收器。上述情況使一對多通信有很多種形式。

很多機(jī)制和協(xié)議已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來用于執(zhí)行低功耗無線通信網(wǎng)絡(luò)中的一對多通信。一對多通信簡單的形式是網(wǎng)絡(luò)泛洪。這是靠每個(gè)節(jié)點(diǎn)廣播即將發(fā)送的消息來進(jìn)行的。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到來自鄰居節(jié)點(diǎn)的廣播消息時(shí)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)重新廣播消息。除非發(fā)生無線沖突或者干擾造成了消息丟失，這種機(jī)制的效果是消息終會(huì)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。

盡管在許多種情況下網(wǎng)絡(luò)泛洪會(huì)發(fā)揮得很好，但仍不是一種可靠的機(jī)制。不能**采用這種機(jī)制發(fā)送的消息到達(dá)目的地。由于干擾或者沖突而丟失的消息不能被重新發(fā)送，為了實(shí)現(xiàn)可靠的一對多通信，通信協(xié)議必須檢測丟失的消息然后重新發(fā)送。

Trickle是一種用于低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的可靠一對多通信機(jī)制。它采用周期重發(fā)策略來**丟失的消息能夠被重新發(fā)送。為了避免發(fā)送器負(fù)載過高，協(xié)議提供一種機(jī)制來減少發(fā)送消息的數(shù)量。通過給每條消息分配一個(gè)序列號(hào)，協(xié)議就可以知道哪些節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到了消息。如果節(jié)點(diǎn)被偵聽到正在發(fā)送一個(gè)舊的序列號(hào)，那么它的任何一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)都能夠?qū)⑿孪⒅匕l(fā)到具有舊序列號(hào)的節(jié)點(diǎn)，以確保新的消息被所有節(jié)點(diǎn)收到。

路由協(xié)議用一對多通信來建立一對一通信路徑。例如，一對- AODV協(xié)議用一個(gè)一對多方式來找到一個(gè)到達(dá)通信末端點(diǎn)的路徑。

3.多對一通信

多對一通信（圖4.3）用于收集傳感器信息，例如來自于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，但它也能用于網(wǎng)絡(luò)的正常工作狀態(tài)信息。節(jié)點(diǎn)向sink節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送狀態(tài)報(bào)告。sink節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)的整體表現(xiàn)報(bào)告給外部觀察者。

在多對一通信中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可能有一個(gè)以上的sink節(jié)點(diǎn)。如果應(yīng)用程序不能明確數(shù)據(jù)被發(fā)送到指定節(jié)點(diǎn)，那么網(wǎng)絡(luò)可以選擇將數(shù)據(jù)發(fā)送到離發(fā)送節(jié)點(diǎn)近的sink節(jié)點(diǎn)。這就使多sink節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的效率比單sink節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)要高。

為了建立多對一通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)建立樹形結(jié)構(gòu)，根節(jié)點(diǎn)位于sink節(jié)點(diǎn)。sink節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送重復(fù)的廣播消息來告知它的存在，表明發(fā)送節(jié)點(diǎn)鄰近sink節(jié)點(diǎn)。鄰居節(jié)點(diǎn)偵聽到傳送信號(hào)并傳送消息，表明它們距離sink節(jié)點(diǎn)有一跳的距離。按此規(guī)則，距離sink節(jié)點(diǎn)有兩跳距離的節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送這條消息等。類似地，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)將知道它們離sink節(jié)點(diǎn)的距離，同時(shí)也知道哪個(gè)節(jié)點(diǎn)離它們更近。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)只將其發(fā)送到距sink節(jié)點(diǎn)近的節(jié)點(diǎn)。

盡管基于跳數(shù)的路由路徑的構(gòu)建方法是簡單的，但它也存在問題。距離sink節(jié)點(diǎn)很近的節(jié)點(diǎn)可能位于無線信號(hào)較弱的區(qū)域內(nèi)，而距sink節(jié)點(diǎn)更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可能位于無線信號(hào)較強(qiáng)的區(qū)域內(nèi)。為了到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)，好發(fā)送給位于信號(hào)較強(qiáng)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)，雖然它可能距sink節(jié)點(diǎn)的距離更遠(yuǎn)（跳數(shù)更多），但是數(shù)據(jù)包在不需要重發(fā)的情況下，成功發(fā)送的概率會(huì)更高。

對于多對一通信除了用跳數(shù)來評價(jià)無線通信的質(zhì)量外，還有一些成本指標(biāo)需要考慮。Woo等探索了幾種規(guī)則，其中基于預(yù)期傳送次數(shù)的指標(biāo)是一個(gè)較好的選擇。這個(gè)規(guī)則，叫做預(yù)期傳送(ETX)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)也被其他人證樊85，94]。

ETX的思想用一個(gè)例子來解釋比較清楚。圖4.4展示了5個(gè)節(jié)點(diǎn)(A到E)的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)A想發(fā)送一個(gè)消息到節(jié)點(diǎn)E：路徑應(yīng)該如何選擇？路徑A-B-E是兩跳，而A-C-D-E是三跳。如果節(jié)點(diǎn)A用跳數(shù)作為路由準(zhǔn)則，路徑A-B-E將會(huì)被選擇?；贓TX的路由準(zhǔn)則將每個(gè)路徑的ETX都考慮在內(nèi)。傳輸?shù)男Ч蕾噧蓚€(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量，并且這能夠通過發(fā)送兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的探測數(shù)據(jù)包以及計(jì)算多少跳到達(dá)來評估通信質(zhì)量。

在上一個(gè)例子當(dāng)中，路徑上每對節(jié)點(diǎn)的ETX都已經(jīng)評估了。路由協(xié)議計(jì)算所有路徑的ETX準(zhǔn)則以形成目標(biāo)的路由準(zhǔn)則。在這種情況下，路徑A-B-E有5.3個(gè)ETX，這表示在這條路徑上一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)目的地之前需要5.3個(gè)傳送。另一方面，路徑A-C-D-E有4.3個(gè)ETX，這意味著少于路徑A-B-E。因此路徑協(xié)議選擇A-C-D-E，意味著具有更少的ETX，即使它比路徑A-B-E具有更多的跳數(shù)。

采集樹協(xié)議( Collection ?Tree ?Protocol，CTP)是多對一協(xié)議的一個(gè)例子，其利用ETX來建立樹形網(wǎng)糾。在CTP LfJ，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性地廣播ETX劍近的sink節(jié)點(diǎn)。為了避免網(wǎng)絡(luò)過載，廣播數(shù)量經(jīng)過一個(gè)類似于Trickle的壓縮機(jī)制來減少。

圖4.3智能體網(wǎng)絡(luò)多對一通信 ? ? ? ? ?圖4.4 5節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的ETX

二.物理通信規(guī)則

本節(jié)討論用于智能體的3個(gè)不同的物理通信機(jī)制：兩個(gè)無線傳輸機(jī)制即IEEE 802.15.4和IEEE 802.11，以及PLC。這3個(gè)機(jī)制有不同的地方，也有相似的地方。IEEE 802.15.4和IEEE 802.11都是無線規(guī)則。PLC是有線的，它采用電源線作為物理媒介。不過，這3種機(jī)制都是在無法預(yù)知的物理傳輸媒介上運(yùn)行，因而必須有處理數(shù)據(jù)丟失的預(yù)案。

從網(wǎng)絡(luò)觀點(diǎn)來看，3種機(jī)制間大的不同在于物理信號(hào)的范圍。IEEE 802.15.4是相對短距離的傳送方式，單個(gè)無線信號(hào)僅僅能傳送幾米遠(yuǎn)。IEEE 802.11有更遠(yuǎn)的物理范圍，有時(shí)遠(yuǎn)達(dá)幾百米。而PLC傳送距離由可傳播信號(hào)的物理電線長度和連接到電線的等效載波負(fù)載阻抗來決定。

物理范圍有很多網(wǎng)絡(luò)形式的含義。在一個(gè)PLC網(wǎng)絡(luò)中，只要沒有節(jié)點(diǎn)與電線物理分離，所有連接到相同物理網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都有相同的連接。相反地，IEEE 802.15.4節(jié)點(diǎn)必須支持網(wǎng)絡(luò)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)或者物理傳送環(huán)境的改變而動(dòng)態(tài)地改變。IEEE 802.11有相似的特性，但由于它們更長的距離，所以它們是不明顯的。

由于IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的短距離，它需要一個(gè)路由機(jī)制來提供網(wǎng)狀網(wǎng)。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)不能直接到達(dá)所有其他節(jié)點(diǎn)，所以節(jié)點(diǎn)必須準(zhǔn)備為鄰居節(jié)點(diǎn)提供中繼通信。在PLC中，同一網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)槿我还?jié)點(diǎn)都能直接到達(dá)其他所有節(jié)點(diǎn)，所以單獨(dú)節(jié)點(diǎn)不需要其他節(jié)點(diǎn)中繼；但是不同網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)可以通過中繼路由傳送數(shù)據(jù)。對于802.11，大多數(shù)802.11網(wǎng)絡(luò)有相互連接的訪問點(diǎn)。因此，這些節(jié)點(diǎn)本身不需要相互中繼數(shù)據(jù)，但是能向與近訪問點(diǎn)沒有直接連接的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

三. IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4是用于低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)無線通信技術(shù)loo]。該標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE的802.15個(gè)域網(wǎng)(PAN)工作組開發(fā)出來的。802.15.4具有大250Kbps和大ImW的輸出功率。802.15.4理論傳輸范圍大到數(shù)十米。IEEE 802.15.4重點(diǎn)考慮低成本和低復(fù)雜度的發(fā)送器，這使得IEEE 802.15.4在智能體中得到廣泛應(yīng)用。許多公司都生產(chǎn)兼容IEEE 802.15.4的設(shè)備。

由于IEEE 802.15.4具有普遍性，同時(shí)它適用于無線收發(fā)，近期在802.15.4上開發(fā)了許多低功耗無線設(shè)備，如WirelessHART、ISAlOOa、IPv6和ZigBee。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)層：物理層和MAC層。物理層指定經(jīng)過物理無線媒介

傳送和接收的消息有多少。MAC層指定有多少來自物理層的消息需要被處理。

盡管IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和MAC層的幾種規(guī)范，但并不是所有規(guī)范都被廣泛采用。例如，WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)采用物理層規(guī)范和MAC層數(shù)據(jù)包頭標(biāo)格式，而不是完全的MAC行為。相反地，WirelessHART將自己的邏輯添加到MAC格式的頂端。

802.15.4大數(shù)據(jù)包為127字節(jié)。因?yàn)镮EEE 802.15.4用于低數(shù)據(jù)傳輸速率的設(shè)備，所以數(shù)據(jù)包很小。又因?yàn)镸AC層給每個(gè)數(shù)據(jù)包都添加一個(gè)頭標(biāo)，所以可用于上層協(xié)議和應(yīng)用的數(shù)據(jù)量在86到1 16字節(jié)之間。因此上層協(xié)議經(jīng)常添加一些機(jī)制來將較大的數(shù)據(jù)塊分解成多個(gè)802.15.4幀。

IEEE 802.15.4通常是由硬件和軟件相結(jié)合來執(zhí)行的。底層部分——物理層和MAC層處理的一部分在硬件中被執(zhí)行，而高層如MAC層的邏輯部分在軟件中執(zhí)行。該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有幾個(gè)應(yīng)用的實(shí)例存在了。

IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)被分成如圖4.5所示的PAN。每個(gè)PAN都有一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器和一系列成員。在PAN中發(fā)送的數(shù)據(jù)包攜帶一個(gè)16位的PAN標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)指定了數(shù)據(jù)包要到達(dá)的地址。一個(gè)作為PAN協(xié)調(diào)器的設(shè)備可以參與到一個(gè)PAN中，同時(shí)可以作為一個(gè)成員參入到另一個(gè)PAN中。

圖4.5 ?FFD和RFD工作過程示意圖

其中實(shí)心黑點(diǎn)表示IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中的FFD，空心點(diǎn)表示RFD。FFD中的兩個(gè)是兩個(gè)PAN集的PAN協(xié)調(diào)器，如虛線圓。右邊的PAN包含兩個(gè)FFD，但僅有一個(gè)是PAN協(xié)調(diào)器。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)描述兩種類型設(shè)備：完整功能裝置(FFD)和精簡功能裝置(RFD)。FFD比RFD更強(qiáng)大，能夠作為PAN協(xié)調(diào)器使用。RFD僅僅能與FFD進(jìn)行通信，而FFD與FFD、RFD都能進(jìn)行通信。

盡管802.15.4規(guī)則定義了802.15.4支持的3種類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——星型拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)浜痛貥渫負(fù)?，但大部分運(yùn)行在802.15.4頂部的協(xié)議并沒有采用802.15.4拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相反地，它們在802.15.4 MAC層的項(xiàng)部建立了自己的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于這個(gè)原因，我們不去細(xì)述802.15.4定義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

1.802.15.4地址

在802.15.4網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)64位的地址，它唯一標(biāo)識(shí)了這個(gè)設(shè)備。由于在802.15.4中數(shù)據(jù)包大小被限制，不允許使用64位長度的地址。因此，802.15.4允許節(jié)點(diǎn)采用16位長度的短字節(jié)地址。短地址由PAN協(xié)調(diào)器分配且僅僅在一個(gè)PAN環(huán)境下是有效的。節(jié)點(diǎn)可能選擇用這兩種地址格式中的一種發(fā)送數(shù)據(jù)包。

地址寫成十六進(jìn)制并用冒號(hào)分開。一個(gè)長的802.15.4地址例子為00：12：75：00：1 1：6e:cd:fb。圖4.6是802.15.4地址的一個(gè)例子：一個(gè)長地址00：12：75：00：11：6e：cd：fb和一個(gè)短地址6a。

圖4.6 ?IEEE 802.15.4支持兩種地址格式

長地址全球唯一并且每個(gè)802.15.4設(shè)備分配一個(gè)制造商的地址。每個(gè)制造商需要一個(gè)24位且唯一由IEEE定義的組織標(biāo)識(shí)符(OUI)。為此，申請的組織一次性付費(fèi)1650美元給IEEE。OUI用在設(shè)各地址的開始24位上。剩余的40位由制造商分配且對于每個(gè)設(shè)備來說必須是唯一的。

PAN協(xié)調(diào)器運(yùn)行時(shí)分配短地址且短地址僅僅在其地址分配內(nèi)的PAN中是有效的。雖然這樣，但是通過它自己PAN的16位標(biāo)識(shí)符和與它通信的設(shè)備所在的另一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符，以及具有短地址的設(shè)備與它所在PAN外的設(shè)備進(jìn)行通信是可實(shí)現(xiàn)的。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在分配PAN內(nèi)唯一短地址時(shí)并沒有描述任何特殊的被一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器使用的算法。

2.802.15.4物理層

物理層決定了無線電運(yùn)行、無線電調(diào)制和信號(hào)解調(diào)時(shí)的無線電頻率。IEEE 802.15.4運(yùn)行在3個(gè)自由的兀線電頻段上。由于各個(gè)地區(qū)無線電規(guī)則不I刊，世界各地的自由頻段的準(zhǔn)確數(shù)值都是不同的：在美國，IEEE 802.15.4利用902-928MHz帶寬；在歐洲，802.15.4利用868-868.8MHz帶寬；在世界其他地方，802.15.4利用2400-2483.5MHz的帶寬。

IEEE 802.15.4定義了26個(gè)不同的運(yùn)行信道。在每個(gè)頻率帶寬內(nèi)，有許多定義的信道，如圖4.7所示。信道0只在歐洲被定義，并且定義在868MHz頻段上。信道1-10只在美國被定義，且被定義在902-982 MHz帶寬上，信道帶寬為2MHz。

信道11-26定義在2.4GHz頻段上，這使得它們在各地都有效，信道帶寬為5MHz。

基于信道頻率，IEEE 802.15.4采用兩種類型的無線調(diào)制方式。

信道O-10使用二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)，而信道11-26使用正交相移鍵控(QPSK)。

在所有信道中，IEEE 802.15.4利用直接序列展頻技術(shù)(DSSS)調(diào)制。

與調(diào)制技術(shù)一樣，位速率依賴于無線信道。信道0的位傳輸速率為每秒20000位。對于信道1-10，位傳輸速率為每秒40000位，而對于信道11-26，位傳輸速率為每秒250000位。

在2.4GHz帶寬上的IEEE 802.15.4無線信道與802.11 (WiFi)共享其無線頻段，并且與802.11信道有非常多的重疊。因?yàn)?02.11有比較高的輸出功率，所以802.11干擾了802.15.4的通信。圖4.8展示了802.15.4和802.11的重疊部分。除了25和26信道外其他所有的802.15.4信道都被802.11信道覆蓋。當(dāng)無重疊的802.11信道1、6和11被使用時(shí)，有兩個(gè)額外的802.15.4信道（15和20）沒有受到802.11的干擾。然而，分配在不同的管轄范圍內(nèi)的信道是不同的，并且可能隨時(shí)發(fā)生變化。

圖4.8 802.15.4和802.11的重疊部分

物理層也提供機(jī)制來測量給定無線信道的功耗。這被MAC層用來決定是否有另一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能正在一個(gè)特定信道上傳輸，并且靠MAC協(xié)調(diào)器來掃描尋找?guī)в械涂臻e功耗的有效信道。高使用率狀態(tài)下的功耗水平是來源于信道頻率上無線源的低干擾的標(biāo)志。無線功耗檢測機(jī)制也用于提供一個(gè)清楚的信道分配( CCA)機(jī)制，物理層能夠評估另一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否正在進(jìn)行無線傳送。這是在以下3種方法中進(jìn)行的：①測量無線功耗并將它和預(yù)定義閾值比較；②解調(diào)輸入無線信號(hào)來驗(yàn)證是否為有效的802.15.14信號(hào)；③結(jié)合功耗檢測方法和信號(hào)調(diào)制方法。CCA被MAC層用來存取無線媒介。

3.802.15.4的MAC層

MAC層目的是控制對無線媒介的訪問。由于相互接近的發(fā)送器和接收器之間彼此共享無線媒介，MAC層為所有節(jié)點(diǎn)提供一種機(jī)制，來決定何時(shí)媒介是空閑的、何時(shí)可以安全發(fā)送信息。

IEEE 802.15.4 MAC層提供管理信道，即將到來的數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)和幀接收的回應(yīng)。此外，802.15.4 MAC層提供時(shí)分多址(TDMA)機(jī)制用于媒介訪問，PAN協(xié)調(diào)器給PAN設(shè)備分配時(shí)隙槽，并通過標(biāo)志信息的傳送來執(zhí)行進(jìn)度表。然而，這個(gè)標(biāo)志模式并沒有在802.15.4協(xié)議的運(yùn)行中被廣泛使用，因此沒必要進(jìn)一步討論。

信道訪問管理是通過使用由物理層提供的CCA機(jī)制來完成的。在發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包前，MAC居要求物理層執(zhí)行一個(gè)CCA檢驗(yàn)。如果CCA顯示另一個(gè)節(jié)點(diǎn)正在傳送，那么MAC就會(huì)暫緩發(fā)送自己的數(shù)據(jù)包，相反地，MAC層等待一個(gè)特定時(shí)刻，稍后重試發(fā)送數(shù)據(jù)包。

MAC層通過計(jì)算整個(gè)幀的1 6位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)來執(zhí)行正在傳送幀的校驗(yàn)。CRC被用于校驗(yàn)幀中的傳輸錯(cuò)誤，并且當(dāng)幀被發(fā)送時(shí)，它被幀的發(fā)送器計(jì)算，被添加到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中。如果被接收器計(jì)算的CRC與幀尾的CRC不匹配，那么接收器將判定傳輸錯(cuò)誤并拋棄該幀。

MAC層提供接收幀的自動(dòng)確認(rèn)機(jī)制。如果一個(gè)傳入幀有確認(rèn)位集，那么MAC層給媒介發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀。只有當(dāng)傳入幀的日標(biāo)地址和設(shè)備地址相同，并且傳入幀的CRC有效時(shí)，確認(rèn)幀才會(huì)被發(fā)送。確認(rèn)幀并沒有明確地傳送到被確認(rèn)的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，而是廣播到所有節(jié)點(diǎn)。因此，許多運(yùn)行在802.15.4之上的上層協(xié)議執(zhí)行自己的確認(rèn)機(jī)制。

4.802.15.4幀格式

通信協(xié)議指定了一個(gè)通用的數(shù)據(jù)包格式，以至于所有節(jié)點(diǎn)都知道如何構(gòu)建和分析來自于其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包由3部分組成：幀頭、數(shù)據(jù)段、，幀尾。幀頭包含控制數(shù)據(jù)，如地址、序列號(hào)和標(biāo)志。數(shù)據(jù)段包含上層數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)段的結(jié)構(gòu)通常沒有被指定，而是留給上層協(xié)議去指定。如果幀尾被指定了，那么它通常包含校驗(yàn)段或加密簽名。這些數(shù)據(jù)經(jīng)常在數(shù)據(jù)傳送時(shí)被計(jì)算。幀尾在數(shù)據(jù)包的其他部分發(fā)送完成之后再發(fā)送。

IEEE 802.15.4為所有的數(shù)據(jù)包傳送定義了一個(gè)通用的數(shù)據(jù)包格式。該數(shù)據(jù)包格式包含物理層部分和MAC層部分。物理層添加一個(gè)同步頭標(biāo)，而MAC層添加一個(gè)幀頭和幀尾。

幀頭格式如圖4.9所示。

圖4.9 ?IEEE 802.15.4物理層和MAC層頭標(biāo)格式

物理層添加的同步頭標(biāo)包含一個(gè)前文、幀起始界定符( SFD)和一個(gè)長度域。前文用于使發(fā)送器和接收器同步傳輸，這樣接收器就能正確地接收數(shù)據(jù)包的后續(xù)部分。SFD告訴接收器前文的結(jié)束和幀的開始。單字節(jié)長度域告訴接收器多少個(gè)字節(jié)將會(huì)到來。數(shù)據(jù)包的后續(xù)部分的大長度是127B。

MAC層幀頭直接排列在物理層頭標(biāo)后面。MAC層幀頭包含兩個(gè)控制字節(jié)，稱為幀控制，它包含說明接收器該如何解釋幀頭剩余部分的標(biāo)識(shí)，同時(shí)標(biāo)識(shí)也指示幀是否應(yīng)當(dāng)被確認(rèn)。接下來的幀控制字節(jié)是單字節(jié)序列號(hào)。序列號(hào)用于將確認(rèn)結(jié)果和數(shù)據(jù)包的確認(rèn)過程聯(lián)系起來，也就是確認(rèn)的結(jié)果中應(yīng)該攜帶與數(shù)據(jù)包相同的序列號(hào)。

幀控制段和序列號(hào)段決定了地址段，它們包含數(shù)據(jù)包發(fā)送器的地址和數(shù)據(jù)包接收器的地址，同樣也有發(fā)送和接收PAN的標(biāo)識(shí)符。所有的尋址都是可選的。它們的存在被幀控制段的標(biāo)志指出。地址段被接收器用來決定自己是否接收數(shù)據(jù)包。地址段后面是一個(gè)可選的安全字段，它包含檢驗(yàn)數(shù)據(jù)安全的方式，如可選加密消息完整性檢查( MIC)字段。

數(shù)據(jù)段在MAC層幀頭的后面，長度在86-116B之間。數(shù)據(jù)段大尺寸是由使用的可選MAC層段的數(shù)量決定的。802.15.4幀的數(shù)據(jù)段結(jié)構(gòu)在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中沒有詳細(xì)說明，但被運(yùn)行在802.15.4上的協(xié)議或應(yīng)用程序所定義。

在802.15.4數(shù)據(jù)包的末尾是幀檢驗(yàn)序列段(FCS)幀尾，它包含CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)），MAC層用CRC來檢驗(yàn)是否由于位錯(cuò)誤而將傳入數(shù)據(jù)包拋棄。

5.能耗

IEEE 802.15.4的電能消耗是由執(zhí)行物理層通信電路的電能消耗和無線模塊的工作時(shí)間來決定的。為維持無線模塊的通信能力，有幾種方法可以關(guān)閉無線通信。圖4.10展示了CC2420 IEEE 802.15.4無線收發(fā)器的電路功耗（包括空閑、偵聽、發(fā)送、低電和滿電力耗），如CC2420數(shù)據(jù)單報(bào)告所示。這顯示了空閑電能消耗明顯低于偵聽和發(fā)送數(shù)據(jù)消耗。然而在空閑模式下，收發(fā)器不能接受任何數(shù)據(jù)。在發(fā)送模式下電能消耗低于任何偵聽模式下的電能消耗。發(fā)送模式的電能消耗取決于輸出功率，可以通過基于每個(gè)數(shù)據(jù)包的軟件進(jìn)行配置。

圖4.10 ? CC2420 IEEE 802.15.4無線電收發(fā)器

四.IEEE 802.11和WiFi

IEEE 802.11的設(shè)計(jì)初用于筆記本電腦和通用PC機(jī)上的高速、短距離通信的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.11是在20世紀(jì)90年代末引進(jìn)的，自開始至今有很多標(biāo)準(zhǔn)版本被發(fā)行。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的新版本支持更高的傳輸速率。標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)版本在1997年發(fā)行，有大lMbps的傳輸速率。標(biāo)準(zhǔn)的新版本802.11g有大54Mbps的傳輸速率。

WiFi是WiFi聯(lián)盟的一個(gè)商標(biāo)。WiFi商標(biāo)的目的是標(biāo)識(shí)兼容其他WiFi和802.11系統(tǒng)的裝置和軟件。在早期的802.11設(shè)備中，來自于不同商家的配置彼此間相互合作是不確定的。通過使用WiFi商標(biāo)，這不再成為一個(gè)問題。本書用名稱802.11來區(qū)分我們正在討論的是底層技術(shù)，而不是互操作性方面的技術(shù)。

IEEE 802.11和WiFi在許多家庭和辦公室中被用來提供無線因特網(wǎng)連接。今天的筆記本電腦集成了802.11電路。802.11基站的成本很低，且在世界范圍內(nèi)是有效的。許多家用廣播路由和DSL調(diào)制解調(diào)器包含802.11基站。智能電話例如iPhone包含802.11收發(fā)器。到2012年為止802.11設(shè)備將在世界范圍內(nèi)達(dá)到數(shù)十億。

對于智能體網(wǎng)絡(luò)，802.11有許多積極的方面。802.11在世界范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用使得智能體網(wǎng)絡(luò)發(fā)展更為容易。在802.11網(wǎng)絡(luò)存在的地方，不需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施支持運(yùn)行在802.11協(xié)議上的智能體網(wǎng)絡(luò)。同樣，802.11芯片、路由和網(wǎng)卡減少了基于802.11智能體的硬件成本。另外，802.11在世界范圍內(nèi)的應(yīng)用和有效性使得它被廣泛地了解和認(rèn)可。對于智能體網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，這為技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和工程提供了巨大的市場。

由于802.11設(shè)計(jì)用于筆記本電腦和個(gè)人電腦的高速傳輸，它的高能耗是眾所周知的。相比802.15.4收發(fā)器，802.11收發(fā)器的功耗要高得多。

對于智能體網(wǎng)絡(luò)，功耗是個(gè)關(guān)鍵問題。傳統(tǒng)上，802.11已經(jīng)被看成是功耗極大的技術(shù)，因此被認(rèn)為對智能體是無用的。然而，近出現(xiàn)了一個(gè)新的低功耗802.11收發(fā)器。像智能體一樣，它們對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，在大部分時(shí)間處于休眠模式。在功耗很低的休眠模式下，這些收發(fā)器延長了標(biāo)準(zhǔn)AA紐扣電池的壽命。

1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托问?/p>

IEEE 802.11支持兩種模式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌夯A(chǔ)結(jié)構(gòu)模式和點(diǎn)對點(diǎn)模式(也稱為獨(dú)立模式，IBSS)。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式中，所有的802.11收發(fā)器能夠直接彼此通信，無須在通信范圍內(nèi)有接入點(diǎn)。盡管大部分802.11收發(fā)器支持點(diǎn)對點(diǎn)模式，然而基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式是經(jīng)常被使用的。

圖4.11是在接入點(diǎn)模式中802.11網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞睦?。該網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)連接到有線主干網(wǎng)的接入點(diǎn)，接入點(diǎn)連接到主電源。每個(gè)802.11收發(fā)器連接到接入點(diǎn)中的一個(gè)。在節(jié)點(diǎn)間的通信經(jīng)過接入點(diǎn)或者直接經(jīng)過無線媒介。如果節(jié)點(diǎn)處在彼此的有效通信范圍內(nèi)，它們將直接彼此通信，否則，它們將通過發(fā)送自己的數(shù)據(jù)包到與它們相鄰的接入點(diǎn)來通信。與外部網(wǎng)絡(luò)通信必須經(jīng)過接入點(diǎn)。