（通信与信息系统专业论文）zigbee接入epa控制网络的关键技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 z i g b e e 技术就是为了满足工业现场对低数据量、低成本、低功耗、高可靠性 的无线数据通信的需求而提出的，在工业控制领域中有很广阔的应用前景。 本文在z i g b 接入e p a 控制网络关键技术的开发研究基础上，参考国内外 许多专家学者提出的一些协议，对z i g b e e 接入e p a 控制网络进行研究。主要内 容如下： 1 、研究了z i g b e e 技术的基本原理，深入分析了z i 9 8 e e 的物理层、媒体访 问控制层、网络层、应用层等各层协议，在比较z i g b e e 技术与其它几种无线技 术的基础上，提出了z i 9 8 技术应有于e p a 控制网络的必要性； 2 、给出了z i g b e e 接入e p a 网络的协议模型、接入的通信过程及其环境适 应性； 3 、给出了z i g b 接入e p a 的网络结构和z i g b 温度监控系统模型； 4 、设计了z i 9 8 温度变送器，详细介绍了温度变送器的实现过程，并给出 测试数据； 5 、总结了全文，提出了未来的工作方向。 用本文作者所开发的z i g b e e 温度变送器，组建z i g b 温度监控系统模型， 测试结果表明z i g b e e 温度变送器可以有效的解决工业现场对环境温度的实时监 控问题。 关键诃：z i g b e e ，e e 8 0 2 1 5 4 ，口- l i n k l 2 7 0 ，低速率，低功耗 ；，i h。，y：；：，；，j，00卜一，；，谭。 重庆邮电大学硕士论文摘要 a b s t r a c t z i g b e et e c h n o l o g yw h i c hm e e tt h en e e do fw i r e l e s sd a t at r a f f i ci nt h ei n d u s t r i a l f i e l di sl o wd a t aq u a n t i t y , l o w - c o s t ，l o wp o w e ra n dh i 曲r e l i a b i l i t ya n dh a v ev e r yb r o a d a p p l i c a t i o n sp r o s p e c t si nai n d u s t r i a le t h e r n e t 1 ka r t i c l ee x p l o r e da n ds t u d i e dt h ek e yt e c h n i q u eo f z i g b e ea c c e s se p ac o n t r o l n e t w o r k i ta l s oc o n s u l t e ds o m e p r o t o c o lw h i c hi sp u tf o r w a r db ym a n ye x p e r t sa r o u | | a d d e m e s t i ca n do v e r s e a s t h e nw es t u d i e dt h ez i g b e ea c c e s se p ac o n t r o ln e t w o r k t h e m a i nc o n t e x ta sf o l l o w s ： 1 s t u d i e dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fz i g b e et e c h n o l o g y , d e e p l ya n a l y z e dt h e p h y s i c a ll a y e r , m a cl a y e r , n e t w o r kl a y e r , t h ea p p l i c a t i o nl a y e r , a n ds oo n ；p r o v i d e d t h ec o n t r a s to ft h ez i g b e et e c h n o l o g yw i t hs o 眦a t h e rw i r e l e s st e c h n o l o g y , t h e nw e g o t t oc o n c l u s i o nt h a tt h ed o m i n a n c eo f z i g b e ea p p l i a c t i o ne p ac o n t r o ln e t w o r k ， 2 p r o v i d e dt h ep r o t o c o lm o d e lo fz i g b e en e t w o r ka 一- c e $ se p an e t w o r k , a c c e s s c o m m u n i c a t i o np r o e e s sa n di t se n v i r o n m e n ta d a p t a b i l i t y ； + 3 p r o v i d e dt h ea c c e 鹞e p az i g b e en e t w o r ks t l u e t u r ea n dz i g b e et e m p e r a t u r e ， c o n v e r t o rm o n i t o rs y s t e mm o d e l s ； 4 d e s i g n e dz i e 班e et e m p e r a t u r ec o n v e r t o r , e s p e c i a l l yi n t r o d u c e dt e m p e r a t u r e c o n v e r t o rr e a l i z a t i o np r o c e s s ，a n dp r o v i d i n gt h et e s td a t a ： 5 s u m m e du pt h ew h o l et e x ta n dt h ep r o p o s e dd i r e c t i o n i nt h ep a p e r , m a k el l s co ft h ez i g b e et e m p e r a t u r ec o n v e r t o rw h i c ht h ea u t h o r d e v e l o p e da n de s t a b l i s hz i g b e et e m p e r a t u r ec o n v e r t o rm o n i t o rs y s t e mm o d e l s 。n 圮 t e s tr e s u l ti n d i c a t et h a tz i g b e et e m p e r a t u r ec o n v e r t o rc a 丑e f f e c t i v e8 0 l v et h ep r o b l e m o f r e a lt i m es u p e r v i s ea n dc o n t r o lc i r c 衄舳c et e m p e r a t u r ei nt h ei n d u s t r i a lf i e l d k e yw o r d s ：lz i g b e e ，i e e e s 0 2 1 5 4 ，i p - l i n k l 2 7 0 ，l o w - r a t e ，l o wp o w e r e o n s u r a p t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖鲣皇太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名。纠确签字日期：切辟加2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖邮电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重鏖塑电盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 刍1 7 掰 l 签字日期：勺伽品1 6 月2e t ；l。_，l ：，、限出；一0：一。f； 重庆邮电大学硕士论文第一章引言 第一草引吾 1 1 课题的研究背景 无线以太网是对以太网的逻辑扩展。在传统的有线工业控制网络应用中，布 线的成本有时会大大超过其它控制设备的成本，而且电缆的连接也限制了现场设 备的移动和网络的重组。与此同时，些工业环境禁止使用电缆( 如超净或真空 封闭的房间) 、或者很难使用电缆来传送数据( 如高速旋转的设备) 。因而，在工业 控制网络中引入无线技术，设计全新的无线工业控制网络通信体系，既是降低投 资成本的需要，也是解决现实问题的迫切要求。 e t h e r n e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n 标准( 简称e p a 标准) 是e 悯a e t 、t c p h p 等商 用计算机通信领域的主流技术直接应用于工业控制现场设备间的通信，并在此基 础上，建立的应用于工业现场设备间通信的开放网络通信平台，通过该平台，不 仅可以使工业现场设备( 如现场控制器、变送器、执行机构等) 实现基于以太网的 通信，而且可以使工业现场设备层网络不游离于主流通信技术之外，并与主流通 信技术同步发展，同时，用以太网现场设备层到控制层、管理层等所有层次网络 的“e 网到底”，实现工业企业综合自动化系统各层次的信息无缝集成，推动工 业企业的技术改造和提升、加快信息化改造进程。t l o l t 3 s l e p a 是一种基于以太网、无线局域网、蓝牙等信息网络通信技术的适用于工 业自动化控制系统装置与仪器仪表问、工业自动化仪器仪表相互问数据通信的工 业控制网络通信标准。e p a 基于高速以太网技术的现场总线控制设备的开发成 功，填补了国内空白，技术达到了国际先进水平。用于工业测量与控制系统的 e p a ( e t h e m e tf o rp l a n ta u t o m a t i o n ) 系统结构和通信标准是我国第一个拥有自主 知识产权的现场总线国家标准，也是我国第一个被国际认可和接收的工业自动化 领域的标准。该产品的研制成功，改变了我国在工业数据通信方面长期处于跟踪 研究的现状，改变了现场总线技术开发难度大、技术要求高、难队产业化的局面， 对推动我国工业自动化仪表与控制系统产品的研究开发将起到积极作用。 z i g b e e 是一种低速率( 2 k b p s - - 2 0 0 k b p s ) w p a ni e e e 标准，传输速率只有 1 0 0 k b p s ，同时，它又具有低功耗，架构简单、成本低的特点，适用于p c 外设 ( 鼠标、键盘、游戏操控杆) 、消费类电子设备( t 、，、v c r 、c d 、v c d 、d v d 等设备上的遥控装置) 、家庭智能控制( 照明、煤气计量控制及报警等) 、玩具( 电 子宠物) 、医护( 监视器和传感器) 、工控( 监视器、传感器和自动控制设备) 等 领域。期 那么在e p a 网络中为何还要引入z i g b e e 技术? z i g b e e 技术与蓝牙， l e e e 8 0 2 1 l b 相比优点在哪里呢? 在下面的表1 1 给出了这几种无线技术标准的 重决邮屯大学硕士论文 第一章引言 特点比较。 2 8 1 标准名称 z i g b e e b l u e t o o t hw l f i i e e e 8 0 2 1 5 4 i e e e 8 0 2 1 5 1i e e e 8 0 2 1l b 主要应用领域监视和控制电缆替代上网，视频 系统资源 4 k b 一3 2 k b2 5 0 k b +l + 电池寿命( 天) 1 0 0 一1 0 0 0 +1 7o 5 5 网络大小2 “ 73 2 带宽( k b p s ) 2 0 - 2 5 07 2 01 1 ，o o o + 覆盖距离( 米) 1 1 0 01 1 叶1 1 0 0 优点 可靠、低功耗、低成本、安全 低成本、易操作高速、适应性强 从表1 1 可以看出：z i g b e e 与蓝牙、i e e e 9 0 2 n b 标准比较有着低功耗、低 成本、安全的特点，这也是z i g b e e 技术中最为突出的三个特点。 在e p a 网络中，引入z i 9 8 e e 技术可以使得现场设备无需电缆即可与控制网 络连接，组网灵活、方便，同时又增加了现场设备的可移动性、网络结构的灵活 性以及现场应用的多样性；同时，还便于与原有自动化控制系统的整合与集成， 可以充分利用原有资源，减少浪费、降低成本：网络无需人的参与，自动建立联 接进行数据通信，对于一些工业环境禁止使用电缆( 如超净或真空封闭的房间) 、 或者很难使用电缆来传送数据( 如高速旋转的设备、不适于布线的强腐蚀恶劣环 境) 的场合，可以通过z i g b e e 技术来组建现场设备控制网络；设备无需布线便 可安装于现有环境，现场设备易于安装、维护与使用，从而大大减少了系统的设 备投资、工程费用和维护费用。 z i g b e e 技术就是为了满足工业现场对低数据量、低成本、低功耗、高可靠性 的无线数据通信的需求而提出的。对于工业现场，无线数据传输必需是高可靠的， 并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。z i g b e e 技术中，使用网状网拓扑结构，自动 路由，动态组网，直接序列扩频的方式，正好满足了工业自动化控制现场的这种 需要。1 1 9 】i 2 3 1 由于z i g b e e 既可以进行点对点通信，也可以进行点对多点通信，同 时还可以组建局域网，因而可以满足多种应用需求。z i g b e e 技术可以使不同厂 家生产的设备在没有电缆连接的情况下实现互连互通，这显然对改造传统的有线 工业控制网络具有重要的实践意义和市场价值。伫】 1 2l e e e 8 0 2 1 5 4 与z i g s e e i e e e 无线个人区域网0 a n ) i 作组的i e e e8 0 2 1 5 4 技术标准是z i g b e e 技术的 基础。i e e e 8 0 2 1 5 4 满足国际标准组织( i s o ) 开放系统- 瞄( o s d 参考模式。它定 义了单一的m a c 层和两个物理层标准，这两个物理层标准分别是2 ，4 g h z 物理层 2 重庆邮电大学硕士论文第一章引言 和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层( 如图1 1 所示) 。 s l l 6 l z i g l e ep r o f i l e 网络应用层 8 0 2 2l l c i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 8 6 8 9 1 5p h y2 4 0 0p h y 图1 1i e e e 8 0 2 1 5 4 协议架构 表1 2 中概括了i e e e 8 0 2 1 5 4 的一些特点。 表1 2i e e e 8 0 2 1 5 4 特点 复杂程度比现有标准低通信时延三1 5 m s 目的 只支持数据通信 功耗约4 5 u a 频段、数据率及 8 6 8 m h z 2 0 k t ，p s 1 m a c 的控制方式星形网络， 信道数 9 2 5 m h z 4 0 k b p s1 0 对等网络 2 4 0 h z 2 5 0 k b p s1 6 每个两络支持节 6 5 5 3 6 寻址方式6 4 b i t 正| e e 地 点数址，8 b i t 网络 地址 连接层结构开放式温度4 0 - 8 5 传输范围 室内：1 0 m 。速率2 5 0 k b p s 应用 传感器。玩 室外：3 0 m - 7 5 m , 速率4 0 k b p s ： 具，控制领 3 0 0 m ，速率2 0 k b p s 域 i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层能支持多种l l c 标准，通过s s c s ( s e r v i c e s p e c i f i c c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，业务相关的会聚子层) 协议承载i e e e 8 0 2 2 类型的l l c 标准，同时允许其他l l c 标准直接使用i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层服务。表1 3 列出了i e e e 8 0 2 1 5 4 的l l c 层和m a c 层主要功能。 表1 3i e e e 8 0 2 1 5 ，4 的l l c 层和m a c 层主要功能 l l c 子层的主要功能：i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 协议主要功能： 传输可靠性保障设各间无线链路的建立、维护和结束确认模式 控制数据包的分段和重组的帧传送与接受 数据包的顺序传输 信道接入控制帧校验 预留时隙管理 广播信息管理 在标准制定的分工上，由z i g b e ea l l i a n c e 与i e e e8 0 2 1 5 4 的任务小组共同 制定，其中实体层、m a c 层、资料链结层，以及传输过程中的资料加密机制等 发展由i e e e 所主导，并共同针对z i g b e ep r o t o c o ls t a c k 的发展进行研讨，而未 来还能依系统客户的需求，为不同应用修正其所需之应用界面( 如图1 2 所示) 。 里塑苎旦型竭堑型墨丝l 一笙二童! ! 壹 幽1 2i e e e 8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 的关系 z i g b e e 的出发点是希望能发展一种低成本无线网络，同时其低耗电性将使产 品的电池能维持6 个月到数年的时间。在产品发展的初期，将以工业或企业市场 的感应式网络为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前市场 拓展至家庭中的应用。通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用z i g b e e 技术： 1 设备成本很低，传输的数据量很小； 2 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； 3 没有充足的电力支持，只能使用一次性电池： 4 频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难； 5 需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。 完整的z i g b e e 协议栈由物理层、媒体访问控制层、数据链路层、网络层、应 用会聚层和高层应用规范组成，如图1 3 所示。纠 图1 3z i e 班e e 协议栈 4 重庆邮电大学硕士论文第一章引言 1 3 国内外研究现状 z i 9 8 e e 是基于i e e e 批准通过的8 0 2 1 5 ，4 无线标准研制开发的有关组网、 安全和应用软件方面的技术标准。为了推动z i g b e e 技术的发展，2 0 0 1 年8 月 c h i p c o n 与e m b e r 、f r e e s c a l e 、h o n e y w e l l 、m i s t u b i s h i 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 和s a m s u n g 等公司共同成立了z i g b e e 联盟( z i g , b e ea l l i a n c e ) 。2 0 0 2 年下半年，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司共同宣布， 它们将加盟“z i 妒e c 联盟”，以研发名为“z i 9 8 e e ”的下一代无线通信标准。这些公 司参加了负责开发z i g b e e 物理和媒体控制层技术标准的i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组。 u 1 1 2 1 z i g b e e 联盟成员迅速发展壮大，目前已经包含1 3 0 多家会员，其中涵盖了半 导体生产商、服务提供商、消费类电子厂商及初始设备制造商( o e m ) 等，包括 工业控制和家用自动化公司，甚至还有像m a t t e l 之类的玩具公司。z i g b e e 市场 呈现出良好的发展态势。根据市场研究公司i n s t a tm d r 的预测，到2 0 0 8 年 z i g l 3 e e 器件的出货量将突破8 ，8 0 0 万个。f 州 相对于常见的无线通信标准，z i g b e e 协议栈紧凑简单，具体实现要求很低。 只要8 位处理器再配上4k b r o m 和6 4k b 等就可以满足其最低需要，从而大大降 低了芯片的成本。正式的i e e e 8 0 2 1 5 4 协议已在2 0 0 3 年上半年发布，芯片和产品 也已在2 0 0 3 年面世。每个z i g b e e 通信模块的成本控制在1 5 美元到2 5 美元之间。 吲1 4 】 当前，在工业控制领域中引入z i g s e e 技术的研究才剐刚起步。为在市场竞 争中占得先机，国内外已经有一些公司推出了自己的z i g b e e 传感器、z i 9 8 e e 控 制器产品。也有一些公司开始提出了基于z i g s e e 技术的工业以太网解决方案。 1 4 本课题主要研究内容 本论文主要内容涉及z i g b e e 接入e p a 系统的关键技术，分析了z i g b e e 标 准协议体系并实现了z i g b e e 湿度变送器。主要包括以下几个方面的内容； l 、分析了z i g s e e 标准协议体系，包括物理层、媒体访问控制层、网络层和 应用层的功能及其在z i g b e e 协议体系中的作用； 2 、讨论了e p a 网络中的z i g b e e 接入，包括z i g b e e 接入e p a 控制网络的 z i g b e e 接入协议模型、接入过程及其提供的服务： 3 、给出z i g b e e 温度监控系统，详细阐述了z i g , 1 3 e e 温度变送器的硬件结构， 及其软件实现方法。 重庆邮电大学硕士论文 第一章引言 1 5 本章小结 本章首先介绍了根据z i g b e e 技术的特点及工业以太网的现场需求，给出了 z i g b e e 技术与其他几种无线技术的比较，显示出z i g b e e 应用于工业现场的独特 优势；分析了z i g b e e 接入e p a 控制网络的研究背景和国内外研究现状；最后， 归纳了本文的主要研究内容。 6 服务访问点； a p s m e s a p ( a p sm a n a g e m e n te n t i t y - s e r v i c ea g c e s sp o i n t ) ：应用支持子层管 理实体服务访问点。 2 1 1 物理层 物理层提供了媒体访问控制层( m a c ) 与无线物理通道之问的接口，p h y 包括管理实体，叫做p l m e ，这个实体提供调用层管理功能的层管理服务接口。 p l m e 也负责保持处理目标相关p h y 的数据库。这个数据库作为p h yp a n 信息 部分( p i b ) 。p h y 提供一个服务，经两个服务访问点( s a p ) ：访问p h y 数据 s a p 的( p d s a p ) p h y 数据服务和访问p l m es a p ( p l m e s a p ) p h y 管理服务。 图2 2 描述了p h y 的组成和接口。1 1 1 物理层数据服务访问点ll 物理层管理实体服务访问点 ( p d - s a p ) ij( p l m e - s a p ) 物理层( p h y ) 物理层管理实体( p l m e ) 射频服务访问点( r f - s a p ) 图2 2 p i p ( 接口模型 物理层主要完成：激活，休眠无线收发设备、对当前频道进行能量检测、链路 质量指示、为带冲突避免的载波检测多路访j 闯( c s m a c a ) 进行空闲频道评估、 频道选择、数据的发送及接收等。 1 ) 工作频段和数据速率 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层。两个物理层都基于d s s s ( d i r e e ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m , 自接序列扩 频) ，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片 长度和传输速率。1 1 1 1 8 1 1 2 0 l 2 4 g h z 波段为全球统一的无需申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 终端设备 的推广和生产成本的降低。2 4 g h z 的物理层通过采用高阶调制技术能够提供 2 5 0 k b s 的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作 周期，从而更加省电。 8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，这两个频段的 引入避免了2 4 g i - i z 附近各种无线通信设备的相互干扰。8 6 8 m h z 的传输速率为 2 0 k b s ，9 1 6 m h z 是4 0 k b s 。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以 8 j事，i缸、*￥* 以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设 备覆盖给定的区域。 表2 1 工作频段和数据率 p h y工作频段频道数 扩频次数传输数据参数 ( m h z )( m h z ) 码片率调制方式传输率数据符号 ( k c h i p s ) 8 6 8 9 1 58 6 8 8 6 8 6l3 0 0b p s k2 0二进制 9 0 2 - 9 2 81 06 0 0b p s k4 0 二进制 2 4 5 02 4 0 0 - 2 4 8 3 51 62 0 0 0 o - q p s k 2 5 0 1 6 状态组 在p h y 层的有关参数上，有四个重要的参数： a 传输能量( p o w e r ) ：约l m w 的能量； b 传输中心频率的兼容性：“0p p m ； c 接收器敏感度- s 5 d b m ( 2 4 5 0m h z ) ，9 2 d b m ( 8 6 8 9 1 5 m h z ) ，l 分组差错率 ( p s d u = 2 0b y t e s ) ； d 接收信号强度指示的测量( r s s i ) 。 2 ) 调制及扩频 图2 3 描述了2 4 g 物理层调制及扩频功能模块。 爿j 恒p - t b 堂叫淼一h 搿；一相移相制 _ ! 骂： 图2 32 4 ( 3p i p 调制及扩频功能 2 4 g 物理层将数据口p d u ) 每字节的低四位与高四位分别映射组成数据符号 ( s y m b 0 1 ) ，每种数据符号又被映射成3 2 位伪随机噪声数据码片( c h i p ) ，见表2 2 所示。数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术( o q p s k ) 调 制。对偶数序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制。 表2 2 数据符号数据码片映射表 数据符号 数据符号数据码片 ( 十进制)( 二进制) 00 0 0 01 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 ll o o o1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 20 1 0 00 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 l o 3 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 n 1 0 1 1 0 1 1 0 0 l l l o o o o l l 0 1 0 1 40 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 l l l 0 0 0 0 l l 5 1 0 1 00 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 6o l l o1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 l 71 1 1 0l 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 l o l l l 0 1 1 0 1 80 0 0 l1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 l l 9 ：。h一一；!；氐；。f。 9l 0 0 11 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 l o l l 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 l l o0 1 0 l 0 1 1 1 1 0 1 1 | 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 l 1 11 1 0 10 1 1 1 0 1 1 1 l o l l l 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 20 0 1 l0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 31 0 l l 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 l l l 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 4 0 1 1 11 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 5 1 1 l l 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 图2 4 描述了8 6 8 9 1 5 m h z 物理层调制及扩频功能模块。 图2 48 6 8 9 1 5 m h z 物理层调制及扩频功能 8 6 8 9 1 5 m h z 物理层先将p p d u 二进制数据进行差分编码，差分编码是将当 前数据位与前一编码位以模为2 异或而成，具体见公式2 1 ，2 2 。经编码的数据位 又被映射成1 5 位伪随机噪声数据码片( c h i p ) ，如表2 3 所示数据码片序列采用 二相的相移键控技术( b p s k ) 调制。 发送：e n = r n 审e n 1( 2 i ) 接收：r n = e noe n - 1( 2 2 ) ， r n ：进行编码的原始数据； e n ：对应的编码位； e n 1 ：前一编码位； 表2 - 3 数据符号数据码片映射表 输出值数据码片 ： 1 1 1 l o l o l l o o l o o o 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 l1 1 3 ) p p d u 格式 p p d u 报文数据由用于数据流同步的同步头( s h r ) 、含有帧长度信息的物理 字节：41l 变量 前同步码帧定界符帧长度保留物理层数据 ( p r e a m b l e )( s f d ) ( 7 b i t s )( 1 b i t )( p s d u ) 同步头 物理层报头物理层净荷 ( s h r )( p h r ) ( p h yp a y l o a d ) 图2 4 p p d u 格式 前同步码域用来为后续数据的收发提供码片或数据符号的同步。帧定界符用 来标识同步域的结束及报文数据的开始。帧长度域用t o i t s 定义物理层净荷的字 l o ，p：k*ll 节数。物理层数据域长度根据情况改变( 长度为5 字节或大于7 字节) ，它承载了 物理层报文数据，包含有m a c 层数据帧。 2 1 2m a c 层 i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护和结 束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信 息管理。m a c 子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点( s a p ) 访问 高层。通过m a c 通用部分子层s a p ( m c p s s a p ) 访问m a c 数据服务，用m a c 层管理实体s a p ( m l m e s a p ) 访问m a c 管理服务。这两个服务为网络层和物理 层提供了一个接口。除这些外部接口之外，m l m e 和m c p s 之间也有一个内部 接口，它允许m l m e 使用m a c 数据服务。灵活的m a c 帧结构适应了不同的 应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。图2 5 描述了m a c 子层的 组成及接口模型。b i 3 图2 5 m a c 层参考模型 i e e e 8 0 2 1 5 4 基本上是应用类似瑾e e 8 0 2 1 1 的c s m a c a 方式竞争沟通， 其中可以分为有信标网络( b e a c o n - e n a b l e dn e t w o r k ) 与无信标网络( n o n b e a c o n - e n a b l e dn e t w o r k ) ；无信标网络的协调器r ( c o o r d i n a t o r ) - - 直处在监听的状态， 在装置要回传信息时会先彼此竞争，等通知协调器后，再传送资料给协调器。而 有信标网络中，含有超帧( s u p e r f r a m e ) 的结构，其固定将包含信标及超帧分为1 6 个时隙( s l o t s ) ，超帧持续时间( s u p c r f r a m ed u r a t i o n ) 与信标间距( b e , a c o ni n t e r v a l ) 依 照协调器使用信标级数( b e a p o no r d e r , b 0 ) 及超帧级数( s u p e r f r a m e o r d e r , s o ) 来控 制，彼此关系是o - s o 善b o 堇1 4 ，因此，可限制超帧持续时问小于等于信标间 距；协调器发送信标，除了用作同步外，也包含网络相关信息等；超帧以有无使 用保证时隙( g u a r a n t e e dt u n es l o t s ) 来区别，有保证时隙的超帧可分成两部分，一 是竞争访问周期( c o n t e n t i o na g g c s sp e r i o d , c a p ) ，另一是无竞争周期( c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d , c f p ) ，而无保证时隙的超帧则全都是c a p 。 1 1 超帧结构 超帧结构( s u p e r f r a m es t n l c t u r e ) 在i e e e8 0 2 1 5 4l r w p a n 是属于选择使用 的部份。其格式是由网络中的协调器- ( c o o r d i n a t o r ) 来定义，而超帧结构的大小边 界是由网路中的信标所设定，一个超帧结构包括了1 6 个相同大小的时隙。在网 络中的任何设备要做通讯时，会在竞争访问周期( c a p ) 采用开槽式冲突避免载波 监听多路访问机制( s l o t t e dc s m a c a m e c h a n i s m ) 去竞争信道。 超帧结构还包含了另一部份叫做无竞争周期( c f p ) ，在这部份叫做保证时隙 ( g u a r a n t e e dt i m es l o t s ，o t s s ) ，采用预先请求的方式，让在c f p 中配置到g t s 的设备可以不用竞争就可以直接传送。图2 6 为无保证时隙超帧结构。 图2 6 无g t s 的超帧结构 2 】数据传送模式 在i e e e8 0 2 1 5 4 的数据传送模式里，存在有三种方式：一是终端器件传送 数据到协调器，二是协调器传出数据到终端器件，三是在两个对等器件问传送数 据。在星形网络中，仅有前两种方式，即数据交换只在协调器与终端器件间进行。 而在对等网结构中，所有三种方式均有可能，即数据交换可在任两器件间进行。 a ) 数据传送到协调器 在信标使能方式( b e a c o n - e n a b l e ) 中，器件必须先去取得信标( b e a c o n ) 来与协调 器同步，之后使用开槽式c s m a c a 方式传送资料。数据传送到协调器的流程如 图2 7 ( a ) 所示。 在非信标使能方式( n o nb e a c o n - e n a b l e ) 中，器件利用无槽冲突避免载波监听 多路访问( u n s l o t t c dc s m c a ) 来传送资料。数据传送到协调器的流程如图2 7 ( b ) 所示。 t女l a b 图2 7 数据传送到协调器 b 1 数据从协调器传出 在信标使能方式中，协调器会利用信标中的字段来告知有资料要传送。而终 端器件则是周期性的监听信标，如果自己是协调器传送对象，则该器件利用 s l o t t e dc s m a c a 将m a c 命令请求控制信息传给协调器。数据从协调器传出的 流程如图2 8 ( a ) 所示。 在非信标使能方式中，终端器件利用u n l o t t c dc s m a c a 传送m a c 命令请 求控制信息给协调器，若协调器有数据要传送，则利用u n s l o t t e dc s m c a 方式 将资料给送出。数据从协调器传出的流程如图2 8 ( b ) 所示。 协调器 i 网络设备 ( c a r t t h n a t o t ) ii ( n n w o t k k v l g c ) ab 图2 8 数据从协调器传出 c ) 对等数据传送 在对等p a n 中，任一器件可以同其射频范围内的其它器件通信。预通信的 器件要么定时的接收，要么彼此完全同步。前者使用无槽c s m a c a 传输数据， 后者需要实现同步。 3 ) m a c 层数据帧格式 m a c 帧格式由m a c 帧头，m a c 净荷和m a c 帧尾组成。m a c 帧头域是 固定顺序的，包含帧控制，序列数和地址信息；m a c 净荷是可变长度的；m a c 帧尾包含帧控制序列。m a c 帧的通用格式如图2 9 所示。 擎一 帧控制 序列目的p a n目的源p a n源地址帧净帧校验 号标示符地址标示符荷 ( f c s ) 地址域 m h r ( m a c 层报头) m a cm f r 净荷 ( m a c 报尾) 图2 9 m a c 帧的通用格式 帧控制域 有1 6 b i t s 长度，定义了帧类型、地址域及其它控制标志。帧控制域如图2 1 0 所示。 位：o 23 4 567 - 9 l o 1 11 2 1 3l 舢1 5 帧类型加密位后续帧应答请同一保留目的地保留源地址 控制位求p a n 标址模式模式 识 图2 1 0 帧控制域的格式 帧类型子域 有3 b i t s 长度，应用中应设置成表2 4 中的某一非保留值。 表2 4 帧类型子域值 帧类型值( b 2 b l b 0 )描述 0 0 0 信标帧 o o l 数据帧 0 1 0 应答帧 o l lm a c 命令帧 l o o - “l 保留 加密控制子域 卸：当前帧不需m a c 子层加密； = 1 ：当前帧用存贮在m a cp i b 中的密钥加密； 后续帧控制位 = l ：表明传输当前帧的器件有后续的数据要发送，因此接收器应发送额外的 数据请求以获得后续的数据； = o ：表明传输当前帧的器件没有后续的数据； 应答请求位 = l ：接受器在确认收到的帧数据有效后，应当发送出应答帧； = o ：接受器件不需发出应答帧。 同一p a n 标识 = l ：表明当前帧在同一p a n 范围内，p a n 标识符。 铷：表明当前帧不在同一p a n 范围内，不仅需要目的地址与源地址，源p a n 标识符与目的标识符均需要。 1 4 目的地址模式 目的地址模式子域为2 b 瓶长度，设为表2 5 中某一值。如果此子域值为0 且帧类型子域表明此帧不是应答帧或信标帧，则源地址模式子域应为非零，从而 指出此帧是自接送至源p a n 标识符域所指定的p a n 标识符所在的协调器。 源地址模式 源地址模式子域为2 b i t s 长度，设为成表2 5 中某一值。如果此子域值为0 且帧类型子域表明此帧不是应答帧或信标帧，则目的地址模式子域应当为非零， 从而指出此帧是来自目的p a n 标识符域所指定的p a n 标识符所在的协调器。 表2 5 目的，源地址子域值 地址模式( b l b 0 ) 描述 0 0 无p a n 杯不符和地址 0 1 保留 l o 地址域包含的是1 6 位短地址 n 地址域包含的是6 4 位扩展地址 序列号域 有8 b i t s 长度，为帧指定了唯一的序列标识号，仅当确认帧的序列号与上一 次数据传输帧的序列号一致时，才能判断数据传输业务成功。 目的p a n 标识符 有1 6 b i t s 长度，指出接收当前帧的器件唯一p a n 标识符。如果值为o x f l 丑 代表广播p a n 标识符，所有当前频段的器件均可作为有效p a n 标识符接收。 且的地