智能體的通信機制

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)計算機通信的差別。然后探討3種智能體通信標準：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行通信。帶有無線發(fā)送器的智能體在發(fā)送時可能受到附近其他無線發(fā)送器的干擾。無線信號也可能被位于發(fā)送器和接收器之間的實體所干擾。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，無線干擾的風險更大。對于有線技術(shù)，干擾的風險可能更小，但仍然是通信協(xié)議必須事先處理的一個關(guān)鍵問題。

由于通信信道固有的不可靠性，運行在通信信道上的通信協(xié)議通常提供具有可靠性**的機制。由于無線干擾而丟失的信息會被重新發(fā)送。并不是所有的應(yīng)用都需要嚴格的可靠性，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。當通過無線方式發(fā)送一組消息時，附近的節(jié)點可能同時也在發(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擾，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。涉及移動體的應(yīng)用，如可隨身攜帶的傳感器，

通常需要快速識別周圍網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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，由于拓撲結(jié)構(gòu)很少改變，并不需要網(wǎng)絡(luò)拓撲快速更新。

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。因為無線通信需要關(guān)閉來節(jié)省電能，擁有低電能的網(wǎng)絡(luò)是難以維持長時間的復(fù)雜通信模式的。

1.一對一通信

一個智能體和另一個智能體通信時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)過一個智能體網(wǎng)絡(luò)獲取路由。在圖4.1中，兩個智能體互相通信，但由于它們在通信節(jié)點之間向前傳遞數(shù)據(jù)包，所以其他兩個物體也會被涉及。

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）是一個節(jié)點向多個節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點發(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。

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)消息直到每個接收器成功收到消息。如果可靠性不是一個硬性的要求，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接收器。上述情況使一對多通信有很多種形式。

很多機制和協(xié)議已經(jīng)被設(shè)計出來用于執(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。這是靠每個節(jié)點廣播即將發(fā)送的消息來進行的。當一個節(jié)點收到來自鄰居節(jié)點的廣播消息時，該節(jié)點會重新廣播消息。除非發(fā)生無線沖突或者干擾造成了消息丟失，這種機制的效果是消息終會到達網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點。

盡管在許多種情況下網(wǎng)絡(luò)泛洪會發(fā)揮得很好，但仍不是一種可靠的機制。不能**采用這種機制發(fā)送的消息到達目的地。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)送器負載過高，協(xié)議提供一種機制來減少發(fā)送消息的數(shù)量。通過給每條消息分配一個序列號，協(xié)議就可以知道哪些節(jié)點已經(jīng)收到了消息。如果節(jié)點被偵聽到正在發(fā)送一個舊的序列號，那么它的任何一個鄰居節(jié)點都能夠?qū)⑿孪⒅匕l(fā)到具有舊序列號的節(jié)點，以確保新的消息被所有節(jié)點收到。

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)議用一個一對多方式來找到一個到達通信末端點的路徑。

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)點向sink節(jié)點周期性地發(fā)送狀態(tài)報告。sink節(jié)點將網(wǎng)絡(luò)的整體表現(xiàn)報告給外部觀察者。

在多對一通信中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部可能有一個以上的sink節(jié)點。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，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)點近的sink節(jié)點。這就使多sink節(jié)點網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的效率比單sink節(jié)點網(wǎng)絡(luò)要高。

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

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)點很近的節(jié)點可能位于無線信號較弱的區(qū)域內(nèi)，而距sink節(jié)點更遠的節(jié)點可能位于無線信號較強的區(qū)域內(nèi)。為了到達sink節(jié)點，好發(fā)送給位于信號較強區(qū)域的節(jié)點，雖然它可能距sink節(jié)點的距離更遠（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)送的概率會更高。

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

ETX的思想用一個例子來解釋比較清楚。圖4.4展示了5個節(jié)點(A到E)的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點A想發(fā)送一個消息到節(jié)點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A用跳數(shù)作為路由準則，路徑A-B-E將會被選擇。基于ETX的路由準則將每個路徑的ETX都考慮在內(nèi)。傳輸?shù)男Ч蕾噧蓚€相鄰節(jié)點的通信質(zhì)量，并且這能夠通過發(fā)送兩個節(jié)點間的探測數(shù)據(jù)包以及計算多少跳到達來評估通信質(zhì)量。

在上一個例子當中，路徑上每對節(jié)點的ETX都已經(jīng)評估了。路由協(xié)議計算所有路徑的ETX準則以形成目標的路由準則。在這種情況下，路徑A-B-E有5.3個ETX，這表示在這條路徑上一個數(shù)據(jù)包到達目的地之前需要5.3個傳送。另一方面，路徑A-C-D-E有4.3個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)議的一個例子，其利用ETX來建立樹形網(wǎng)糾。在CTP LfJ，每個節(jié)點周期性地廣播ETX劍近的sink節(jié)點。為了避免網(wǎng)絡(luò)過載，廣播數(shù)量經(jīng)過一個類似于Trickle的壓縮機制來減少。

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個不同的物理通信機制：兩個無線傳輸機制即IEEE 802.15.4和IEEE 802.11，以及PLC。這3個機制有不同的地方，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種機制都是在無法預(yù)知的物理傳輸媒介上運行，因而必須有處理數(shù)據(jù)丟失的預(yù)案。

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

物理范圍有很多網(wǎng)絡(luò)形式的含義。在一個PLC網(wǎng)絡(luò)中，只要沒有節(jié)點與電線物理分離，所有連接到相同物理網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都有相同的連接。相反地，IEEE 802.15.4節(jié)點必須支持網(wǎng)絡(luò)隨著節(jié)點的移動或者物理傳送環(huán)境的改變而動態(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，它需要一個路由機制來提供網(wǎng)狀網(wǎng)。因為節(jié)點不能直接到達所有其他節(jié)點，所以節(jié)點必須準備為鄰居節(jié)點提供中繼通信。在PLC中，同一網(wǎng)絡(luò)中，因為任一節(jié)點都能直接到達其他所有節(jié)點，所以單獨節(jié)點不需要其他節(jié)點中繼；但是不同網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點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。因此，這些節(jié)點本身不需要相互中繼數(shù)據(jù)，但是能向與近訪問點沒有直接連接的節(jié)點發(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)用的標準無線通信技術(shù)loo]。該標準是由IEEE的802.15個域網(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標準定義了兩個層：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標準定義了物理層和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標準采用物理層規(guī)范和MAC層數(shù)據(jù)包頭標格式，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)。因為IEEE 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。又因為MAC層給每個數(shù)據(jù)包都添加一個頭標，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)常添加一些機制來將較大的數(shù)據(jù)塊分解成多個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。該標準已經(jīng)有幾個應(yīng)用的實例存在了。

IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)被分成如圖4.5所示的PAN。每個PAN都有一個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16位的PAN標識，該標識指定了數(shù)據(jù)包要到達的地址。一個作為PAN協(xié)調(diào)器的設(shè)備可以參與到一個PAN中，同時可以作為一個成員參入到另一個PAN中。

圖4.5 ?FFD和RFD工作過程示意圖

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

IEEE 802.15.4標準描述兩種類型設(shè)備：完整功能裝置(FFD)和精簡功能裝置(RFD)。FFD比RFD更強大，能夠作為PAN協(xié)調(diào)器使用。RFD僅僅能與FFD進行通信，而FFD與FFD、RFD都能進行通信。

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)——星型拓撲、網(wǎng)狀拓撲和簇樹拓撲，但大部分運行在802.15.4頂部的協(xié)議并沒有采用802.15.4拓撲結(jié)構(gòu)。相反地，它們在802.15.4 MAC層的項部建立了自己的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。由于這個原因，我們不去細述802.15.4定義的網(wǎng)絡(luò)拓撲。

1.802.15.4地址

在802.15.4網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都有一個64位的地址，它唯一標識了這個設(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PAN環(huán)境下是有效的。節(jié)點可能選擇用這兩種地址格式中的一種發(fā)送數(shù)據(jù)包。

地址寫成十六進制并用冒號分開。一個長的802.15.4地址例子為00：12：75：00：1 1：6e:cd:fb。圖4.6是802.15.4地址的一個例子：一個長地址00：12：75：00：11：6e：cd：fb和一個短地址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802.15.4設(shè)備分配一個制造商的地址。每個制造商需要一個24位且唯一由IEEE定義的組織標識符(OUI)。為此，申請的組織一次性付費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設(shè)備來說必須是唯一的。

PAN協(xié)調(diào)器運行時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位標識符和與它通信的設(shè)備所在的另一個PAN標識符，以及具有短地址的設(shè)備與它所在PAN外的設(shè)備進行通信是可實現(xiàn)的。IEEE 802.15.4標準在分配PAN內(nèi)唯一短地址時并沒有描述任何特殊的被一個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行、無線電調(diào)制和信號解調(diào)時的無線電頻率。IEEE 802.15.4運行在3個自由的兀線電頻段上。由于各個地區(qū)無線電規(guī)則不I刊，世界各地的自由頻段的準確數(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個不同的運行信道。在每個頻率帶寬內(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。因為802.11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。當無重疊的802.11信道1、6和11被使用時，有兩個額外的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節(jié)點可能正在一個特定信道上傳輸，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志。無線功耗檢測機制也用于提供一個清楚的信道分配( CCA)機制，物理層能夠評估另一個節(jié)點是否正在進行無線傳送。這是在以下3種方法中進行的：①測量無線功耗并將它和預(yù)定義閾值比較；②解調(diào)輸入無線信號來驗證是否為有效的802.15.14信號；③結(jié)合功耗檢測方法和信號調(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)點提供一種機制，來決定何時媒介是空閑的、何時可以安全發(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)幀的確認和幀接收的回應(yīng)。此外，802.15.4 MAC層提供時分多址(TDMA)機制用于媒介訪問，PAN協(xié)調(diào)器給PAN設(shè)備分配時隙槽，并通過標志信息的傳送來執(zhí)行進度表。然而，這個標志模式并沒有在802.15.4協(xié)議的運行中被廣泛使用，因此沒必要進一步討論。

信道訪問管理是通過使用由物理層提供的CCA機制來完成的。在發(fā)送一個數(shù)據(jù)包前，MAC居要求物理層執(zhí)行一個CCA檢驗。如果CCA顯示另一個節(jié)點正在傳送，那么MAC就會暫緩發(fā)送自己的數(shù)據(jù)包，相反地，MAC層等待一個特定時刻，稍后重試發(fā)送數(shù)據(jù)包。

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

MAC層提供接收幀的自動確認機制。如果一個傳入幀有確認位集，那么MAC層給媒介發(fā)送一個確認幀。只有當傳入幀的日標地址和設(shè)備地址相同，并且傳入幀的CRC有效時，確認幀才會被發(fā)送。確認幀并沒有明確地傳送到被確認的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送節(jié)點，而是廣播到所有節(jié)點。因此，許多運行在802.15.4之上的上層協(xié)議執(zhí)行自己的確認機制。

4.802.15.4幀格式

通信協(xié)議指定了一個通用的數(shù)據(jù)包格式，以至于所有節(jié)點都知道如何構(gòu)建和分析來自于其他節(jié)點的數(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、序列號和標志。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段或加密簽名。這些數(shù)據(jù)經(jīng)常在數(shù)據(jù)傳送時被計算。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。物理層添加一個同步頭標，而MAC層添加一個幀頭和幀尾。

幀頭格式如圖4.9所示。

圖4.9 ?IEEE 802.15.4物理層和MAC層頭標格式

物理層添加的同步頭標包含一個前文、幀起始界定符( SFD)和一個長度域。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字節(jié)將會到來。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后面。MAC層幀頭包含兩個控制字節(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識，同時標識也指示幀是否應(yīng)當被確認。接下來的幀控制字節(jié)是單字節(jié)序列號。序列號用于將確認結(jié)果和數(shù)據(jù)包的確認過程聯(lián)系起來，也就是確認的結(jié)果中應(yīng)該攜帶與數(shù)據(jù)包相同的序列號。

幀控制段和序列號段決定了地址段，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的標識符。所有的尋址都是可選的。它們的存在被幀控制段的標志指出。地址段被接收器用來決定自己是否接收數(shù)據(jù)包。地址段后面是一個可選的安全字段，它包含檢驗數(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標準中沒有詳細說明，但被運行在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)包的末尾是幀檢驗序列段(FCS)幀尾，它包含CRC（循環(huán)冗余校驗），MAC層用CRC來檢驗是否由于位錯誤而將傳入數(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，可以通過基于每個數(shù)據(jù)包的軟件進行配置。

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)計初用于筆記本電腦和通用PC機上的高速、短距離通信的無線通信標準。IEEE 802.11是在20世紀90年代末引進的，自開始至今有很多標準版本被發(fā)行。每個標準的新版本支持更高的傳輸速率。標準的第一個版本在1997年發(fā)行，有大lMbps的傳輸速率。標準的新版本802.11g有大54Mbps的傳輸速率。

WiFi是WiFi聯(lián)盟的一個商標。WiFi商標的目的是標識兼容其他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，這不再成為一個問題。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可。對于智能體網(wǎng)絡(luò)運營商，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)計用于筆記本電腦和個人電腦的高速傳輸，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)，因此被認為對智能體是無用的。然而，近出現(xiàn)了一個新的低功耗802.11收發(fā)器。像智能體一樣，它們對系統(tǒng)進行了優(yōu)化，在大部分時間處于休眠模式。在功耗很低的休眠模式下，這些收發(fā)器延長了標準AA紐扣電池的壽命。

1.網(wǎng)絡(luò)拓撲和形式

IEEE 802.11支持兩種模式的網(wǎng)絡(luò)拓撲：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式和點對點模式(也稱為獨立模式，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。盡管大部分802.11收發(fā)器支持點對點模式，然而基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式是經(jīng)常被使用的。

圖4.11是在接入點模式中802.11網(wǎng)絡(luò)拓撲的例子。該網(wǎng)絡(luò)有兩個連接到有線主干網(wǎng)的接入點，接入點連接到主電源。每個802.11收發(fā)器連接到接入點中的一個。在節(jié)點間的通信經(jīng)過接入點或者直接經(jīng)過無線媒介。如果節(jié)點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來通信。與外部網(wǎng)絡(luò)通信必須經(jīng)過接入點。

圖4.11接入點模式中802.11網(wǎng)絡(luò)拓撲

在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模式網(wǎng)絡(luò)中的通信發(fā)生之前，節(jié)點必須將它們自己和接入點相連。一系列節(jié)點和其接入點被稱為一個基本服務(wù)集(BSS)。如果考慮一個以上的接入點，節(jié)點和接入點的集合被稱為一個擴展服務(wù)集(ESS)。每一個服務(wù)集都有一個服務(wù)集標識(SSID)與之相連。SSID是個典型的人工可讀的字符集。字符通常被稱為網(wǎng)絡(luò)名字或網(wǎng)絡(luò)ID。

為了加入網(wǎng)絡(luò)，一個節(jié)點首先要探尋有效的SSID。掃描可以是主動的，也可以是被動的。通過主動掃描，節(jié)點廣播一個探尋請求數(shù)據(jù)包。假如節(jié)點想加入一個特殊網(wǎng)絡(luò)，探尋請求可以包含一個SSID；假如節(jié)點想探尋任意有效網(wǎng)絡(luò)，探尋請求也可以包含一個空的SSID。接入點通過探尋響應(yīng)數(shù)據(jù)包來回復(fù)節(jié)點。它包含網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型參數(shù)，例如網(wǎng)絡(luò)使用了哪個信道。當節(jié)點發(fā)現(xiàn)一個可以與之連接的合適網(wǎng)絡(luò)時，節(jié)點首先必須向該網(wǎng)絡(luò)認證它自己。如果認證請求被接入點接受，節(jié)點發(fā)送一個連接請求幀到接入點。接入點用連接回復(fù)幀進

行回復(fù)，并使該節(jié)點連接到網(wǎng)絡(luò)。

2.物理層

大部分IEEE 802.11網(wǎng)絡(luò)使用自由的2.4GHz帶寬，因為其他頻段已經(jīng)被其他標準占用。1997年出版的首個802.11規(guī)則提供了兩個無線傳輸層的版本：一個用于無線頻率環(huán)路，另一個用于DSSS。而后，其他物理層出現(xiàn)了，例如802.11a、802.11b和802.11g，這些版本使用更多的調(diào)制機制并達到了更高的速度。

在2.4GHz帶寬中，IEEE 802.11運行在14個不同的物理無線信道上，信道1、6和11沒有重疊。信道12、13和14由于受到每個國家的無線頻率許可限制并不是有效的，如圖4.12所示。信道12、13和14并不是在每個國家都有效，明顯的是日本，這是因為：由于無線頻率許可，大部分的2.4GHz帶寬是可用的。14個信道并沒有完全分開，有相當大的重疊。信道1、6和11是不重疊的，并且實踐證明這些信道無論何時都是可用的。

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? ? ? ? ? ? ?圖4.12 ?IEEE 802.11運行在2.4GHz帶寬內(nèi)14個不同的信道上

802.11支持幾種不同的傳輸速率。每個802.11數(shù)據(jù)包用固定的位速率發(fā)送，但位速率在數(shù)據(jù)包之間是不同的。在彼此間發(fā)送數(shù)據(jù)包時，一個好的物理連接的發(fā)送．接收組合可能實現(xiàn)更高的位速率。為了兼容老版本的標準，廣播數(shù)據(jù)包與指向特殊主機的數(shù)據(jù)包相比，以更低的速率發(fā)送。這使得即使是更老的收發(fā)器也能夠參與到802.11設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，但也允許新的設(shè)備能夠使用更高速率的較新的收發(fā)器。

3.802.11的MAC層

802.11 ?MAC層的目的是控制無線媒介接入點以確保來自不同節(jié)點的發(fā)送不會彼此干擾。802.11的MAC層是基于帶有沖突避免(CSMA/CA)機制的載波偵聽多址訪問。在發(fā)送一個數(shù)據(jù)包之前，每個節(jié)點偵聽來自其他節(jié)點的傳送。如果偵聽到其他節(jié)點的傳送，節(jié)點將會使自己的傳送推遲一個隨機周期，以允許正在進行傳送的節(jié)點完成其傳送。

802.11 MAC層使用主動確認機制：接收來自其他節(jié)點數(shù)據(jù)包的節(jié)點必須用一個確認數(shù)據(jù)包來回復(fù)。確認數(shù)據(jù)包的目的是讓發(fā)送節(jié)點知道數(shù)據(jù)包已經(jīng)被接收了。發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果發(fā)送節(jié)點沒有接收到確認數(shù)據(jù)包，那么數(shù)據(jù)包就會被認為是丟失了。即使數(shù)據(jù)包成功地被接收到，但確認數(shù)據(jù)包丟失了，數(shù)據(jù)包也會被認為是丟失了。確認過程如圖4.13所示。

在無線通信中，當一個節(jié)點A在節(jié)點B和節(jié)點C的通信范圍內(nèi)，而節(jié)點B和節(jié)點C不在彼此的范圍內(nèi)時，所謂的隱藏終端問題發(fā)生了。由于這個原因，節(jié)點B和節(jié)點C可能在不明情況下干擾節(jié)點A的通信。

為了避免隱藏終端問題，802.11 MAC層對發(fā)送接收(RTS/CTS)機制提供一個發(fā)送／確認請求。當一個節(jié)點即將發(fā)送數(shù)據(jù)包時，它廣播一個請求來發(fā)送信息( RTS)。這個RTS信息包含數(shù)據(jù)包將要被發(fā)送到的節(jié)點地址。當接收節(jié)點偵聽到這個信息，如果目前對節(jié)點來說發(fā)送數(shù)據(jù)包是可能的，那么它回復(fù)一個確認來發(fā)送CTS信息。如果節(jié)點知道另一個傳送即將發(fā)生，那么節(jié)點就不會發(fā)送其CTS信息。發(fā)送節(jié)點只有當它偵聽到一個CTS信息后才發(fā)送它的數(shù)據(jù)包。這個過程如圖4.14所示。

?圖4.13 IEEE 802.11 MAC層使用主動確認機制 ?圖4.14 ?802.11 MAC層的RTS/CTS機制 ? ? ?

RTS信息有兩個目的：第一，它被接收器用來作為一個請求來檢驗媒介是否空閑可用；第二，它告訴鄰近所有節(jié)點一個信息即將發(fā)送，并且在傳送結(jié)束前它們不應(yīng)當嘗試發(fā)送任何數(shù)據(jù)包。

4.低功耗WiFi

802.11設(shè)備和模塊的低成本和世界范圍內(nèi)的使用使得802.11成為智能體的一個必要選擇。然而到目前為止，802.11器件的功耗是很大的。由于802.11設(shè)計用于手提電腦和通用PC，它們的電能不需要像智能體那樣嚴格的預(yù)算，802.11模塊對智能體的蓄電池的蓄電量要求比較高。

近一些低功耗802.11電路的出現(xiàn)，使得蓄電池維持的802.11設(shè)備運行時間更長。這些設(shè)備的低功耗延長了傳統(tǒng)AA電池幾年的壽命。

低功耗的802.11設(shè)備不僅僅改善了數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的功耗，更重要的是，它們明顯改善了802.11設(shè)備的整個功率消耗。

在休眠模式中，因為智能體大部分時間處于休眠模式，所以休眠模式功率消耗的改善意味著更長的電池壽命。

除了降低802.11模塊現(xiàn)有模式的功耗外，低功耗的802.11模塊還增加了一個低功耗模式，這個低功耗模式在現(xiàn)有的802.11模塊中是沒有的。該模式允許關(guān)閉大部分設(shè)備，但仍然能夠在需要時快速地恢復(fù)運行。

圖4.15比較了常規(guī)802.11模塊和一個低功耗802.11模塊的電能消耗。盡管對于發(fā)送和接收有明顯的節(jié)省，重要的功耗減少是在休眠模式中。表4.1比較了一個常用的802.11收發(fā)器和一個低功耗802.11收發(fā)器在備用和休眠模式時的功耗。這個比較顯示了處于休眠模式的功耗比常規(guī)的802.11收發(fā)器更低。除了休眠模式之外，低功耗802.11收發(fā)器還有一個備用模式，在該模式中收發(fā)器電能消耗僅是休眠模式下的十分之一。

圖4.15常規(guī)的802.11和低功耗的802.11在發(fā)送、接收和處理模式時電能消耗的比較

表4.1 ?傳統(tǒng)802.11收發(fā)器及低功耗802.11收發(fā)器備用模式和睡眠模式功耗

模式/收發(fā)器	????傳統(tǒng)802.11(mW)	????低功耗802.11(mW)
????備用模式	????N/A	????0.018
????睡眠模式	????13	????0.2

備用模式和休眠模式的不同之處在于收發(fā)器能以多快的速度喚醒。在備用模式中，大部分收發(fā)器被關(guān)掉。僅僅打開的電路是喚醒模塊，而收發(fā)器剩余部分將關(guān)閉，不再消耗電能。

五. PLC

智能體不是必須通過無線來通信。當有線設(shè)施有效時，它也能用于智能體通信。即使無線系統(tǒng)自許多優(yōu)勢，諸如易于擴展、范圍廣和布設(shè)容易，固定的有線設(shè)施也是更經(jīng)濟的。如果一個有線設(shè)備已經(jīng)安裝，那么有線通信就更可取。

PLC是一種通過電力線來發(fā)送數(shù)據(jù)的方法。它的應(yīng)用范圍涉及向家庭和辦公室提供遠距離、高速度的寬帶服務(wù)到家庭自動化。對于智能體，由于電力線的廣泛分布，PLC是非常有吸引力的通信技術(shù)。此外，因為智能體需要電能來運行，PLC有提供給智能體電能和通信的潛力。

圖4.16展示了一個家庭是如何用電力線連接到PLC的。每個連接到同一根電力線的設(shè)備也能利用電力線來進行數(shù)據(jù)通信。家庭自動化系統(tǒng)能夠利用網(wǎng)絡(luò)來打開或關(guān)閉房間的燈，并且能夠在爐火打開一段時問后發(fā)送信息給主人，電視能夠利用網(wǎng)絡(luò)從電腦下載電影。

圖4.16 ?PLC家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)

通過PLC，數(shù)據(jù)經(jīng)過50Hz或60H電力線網(wǎng)絡(luò)來傳輸。因為電力線網(wǎng)絡(luò)不適用于搭載高頻信號，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜魏螖?shù)據(jù)信號，電氣裝置可能會給它們增加明顯的噪聲，因此，PLC收發(fā)器和協(xié)議必須能夠管理數(shù)據(jù)丟失。

PLC用于經(jīng)過長距離連接發(fā)送數(shù)據(jù)，如提供家用寬帶，或者短距離，如在房間或辦公室內(nèi)部。此外，PLC用于房間內(nèi)電力測量表的自動讀數(shù)。PLC也能用于控制街道電燈和其他大規(guī)模電力線網(wǎng)絡(luò)。由于調(diào)制后的數(shù)據(jù)信號不能穿過電力范圍外的電壓變換器，用于短距離通信的PLC設(shè)計只能用于一個變壓器范圍內(nèi)的通信，如家庭或者辦公樓。

有幾種用于PLC的說明和標準，都適用于寬帶連接和智能體應(yīng)用。Homeplug是PLC的一份說明，是專門針對于家庭環(huán)境的。它提供一個15Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，實際傳輸速率類似于lOMbps的802.11。

Xl0是一個更早的家用自動化機制，它利用電力線來通信。自1975年開發(fā)出來，如今已有很多種類型的Xl0設(shè)備，范圍從電燈泡和電源插座到自動真空清潔機和防盜報警器。

Xl0設(shè)備用100-200bit／s的傳輸速率來通信，實際數(shù)據(jù)傳輸速率為20bps。比特流在交流電源線的過零點期間發(fā)送。Xl0協(xié)議由短命令組成，能夠打開和關(guān)閉設(shè)備，調(diào)暗電燈和更為復(fù)雜的處理，如計時命令。然而，由于較低的數(shù)據(jù)傳輸速率，對于通用智能體網(wǎng)絡(luò)Xl0不是一個可行的通信機制。

1.物理層

物理層利用電源線里的銅線作為物理媒介。由于銅線也能用于運載大功率的交流信號，對用來作為通信的物理媒介來說是有噪聲的。情況更糟的是，其他設(shè)備，如燈、家用器具、電腦和電視，如果這些設(shè)備連接到相同的電力線分布網(wǎng)上，會造成不可預(yù)知的干擾。

由于底層物理媒介不可靠，所以在PLC通信協(xié)議棧中的物理層必須提供較高的可靠性。大部分PLC標準使用了容錯調(diào)制、強大的檢錯機制和數(shù)據(jù)包丟失自動檢測以及重發(fā)方案的結(jié)合。

不同的PLC標準采用不同形式的調(diào)制和載波頻率，這取決于所需要的數(shù)據(jù)速率。速率在幾百位每秒到幾百萬位每秒間變化。更高的數(shù)據(jù)速率意味著傳輸距離縮短。

2 .PLC的MAC層

即使PLC是一種有線技術(shù)，PLC的MAC層和無線MAC層之間的共同點也要比它和無有線MAC層之間的更多。有線MAC層（如因特網(wǎng)）通常使用CSMA/CD，這種情況下，數(shù)據(jù)沖突可以通過回退機制被檢測和處理。這種沖突檢測是基于這樣的事實，因特網(wǎng)收發(fā)器在發(fā)送自己信號的同時可以偵聽即將傳入的信號。

PLC收發(fā)器類似于無線收發(fā)器，它在發(fā)送自己信號的同時不能偵聽輸入信號。因此，PLC使用CSMA/CA，這類似于IEEE 802.15.4和IEEE 802.11。RPL MAC層也提供自動重發(fā)機制(ARQ)。

3.功耗

PLC網(wǎng)絡(luò)總是直接連接到電源線路上，因此，其設(shè)備的功耗不像無線設(shè)備的功耗那樣受人關(guān)注。無論如何，實現(xiàn)低功耗仍然是重要的，原因有以下幾個：首先，低功耗意味著較低的發(fā)熱，一個嵌入到設(shè)備的PLC芯片不應(yīng)當讓周圍的系統(tǒng)受熱；第二，更重要的是，用于PLC和智能體技術(shù)的許多應(yīng)用減少了其他設(shè)備的功耗。例如智能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，智能體技術(shù)用于降低家庭、辦公室和工業(yè)設(shè)施的電能消耗。在這個應(yīng)用中，智能體設(shè)備消耗的電能很低，以致智能體技術(shù)產(chǎn)生的電能節(jié)省明顯超出智能體本身消耗的電能。

現(xiàn)代的PLC芯片在功耗上與無線低功耗傳輸?shù)拇笮∈窍嗤?。例如，Watteco WPC PLC調(diào)制解調(diào)器芯片平均擁有不到lOmW的功耗，這和802.15.4收發(fā)器的功耗很接近，并且比低功耗802.11收發(fā)器更低。

六.結(jié)論

智能體彼此互相通信，但當應(yīng)用和環(huán)境不同時，選擇的通信技術(shù)是不同的。對于已經(jīng)存在電力線的環(huán)境或者智能體能很方便地連接到電力線上的情況，如家庭環(huán)境中，PLC是一種可行的通信技術(shù)。對于分布在沒有固定電力線網(wǎng)絡(luò)或者電源線的環(huán)境中的智能體，低功耗無線是方便的技術(shù)。

無線通信和PLC都要經(jīng)受不同的無法預(yù)知的通信信道質(zhì)量的考驗。運行在這些信道上的通信協(xié)議必須能夠通過重發(fā)來修復(fù)丟失的數(shù)據(jù)包。智能體通信可以分成3種類型：一對一、一對多和多對一。通信協(xié)議可能將多種通信類型結(jié)合起來使用。

IEEE 802.15.4是一個低功耗的無線標準，其設(shè)計用于低數(shù)據(jù)傳輸速率，如智能體網(wǎng)絡(luò)。它具有大250000bps的數(shù)據(jù)傳輸速率，并且運行在一系列自由頻段（如868MHz、918MHz和2.4GHz）上。數(shù)據(jù)包大為127B。許多現(xiàn)存的標準和規(guī)則建立在802.15.4之上，包括WirelessHART、ISAlOOa、6LoWPAN和ZigBee。在許多硬件和軟硬件結(jié)合的方式下，802.15.4的運行是有效的。

低功耗WiFi的出現(xiàn)，在智能體網(wǎng)絡(luò)中成為IEEE 802.15.4的競爭者。WiFi的優(yōu)勢在于大量公共設(shè)施的存在。傳統(tǒng)上，電能消耗是WiFi的一個關(guān)鍵問題，但隨著新的低功耗芯片的發(fā)展，休眠模式的功耗明顯降低了。通過使用傳輸任務(wù)循環(huán)機制，WiFi的功耗的不斷降低，它很快就能滿足智能體應(yīng)用的要求。

PLC允許數(shù)據(jù)通過固定電源線設(shè)施來傳輸。它的應(yīng)用涉及從家庭的長距離寬帶連接到家庭自動化的方方面面。如今已經(jīng)有許多PLC標準，其數(shù)據(jù)傳輸速率從每秒幾位到每秒幾百兆位。對于智能體，當其分布在家庭、辦公室和其他固定電源線設(shè)施存在的地方時，PLC是一種非常有前景的技術(shù)。