（计算机应用技术专业论文）zigbee无线网络在混凝土搅拌站中的应用.pdf

独创性声明 嬲罂嬲磐 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的 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了谢意。 签名：御 日期： 列。气 1 7a 7 碉 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 一棚聊躲计帮胁籼印加啪 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 z i g b e e 是一种低速率、低成本和低功耗的短距离无线通信技术。 z i g b e e 无线网络本身的特性使其在工业控制、智能家居等领域有着非常广阔 的应用前景。本文针对混凝土搅拌站粉体料位测量系统通讯网络中采用有线 网络实现多点通讯的弱点，提出以z i g b e e 无线通讯网络代替目前系统中的有 线通讯网络，提高网络的性能。 首先，分析和研究i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议的物理层，m a c 层标准， 以及网络层和z i g b e e 网络的组网过程及路由机制。其次针对无线网络广播风 暴产生的冗余数据问题，根据混凝土搅拌站粉体料位测量系统中通信网络的 要求，提出自适应的动态调整路由请求广播半径优化算法并详细阐述了其实 现过程，其算法核心是尽可能减小广播半径，以便减少路由请求分组控制开 销。最后，在n s 2 中仿真改进路由协议，利用n s 一2 的数据处理工具a w k 分 析模拟数据文件和利用画图工具g n u p l o t 生成分析数据图。仿真结果表明， 改进的路由协议算法减少了冗余路由请求分组和降低了路由控制开销，增强 了网络的自组织性和系统的稳定性。 关键词：多点通讯z i g b e e 路由协议 a b s t r a c t z i g b e ei s al o w p o w e r , l o w c o s ta n dl o w p o w e rs h o r td i s t a n c ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y f o rc h a r a c t e r i s t i c sb yi t s e l f , z i g b e eh a s av e r yb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o l 、i n t e l l i g e n th o m e a n do t h e ra r e a so f t h ef i e l d t h i sp a p e ri sb a s e do nc o n c r e t em i x i n gp o w d e rm e a s u r e m e n ts y s t e m w e a k n e s sa n dp r o p o s e st or e p l a c e w i r ec o m m u n i c a t i o nw i t h w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni no r d e rt oe n h a n c en e t w o r kp e r f o r m a n c e f i r s to fa l l ，t h ep a p e rd o e ss o m er e s e a r c h e si n t oz i g b e et e c h n o l o g y , i e e e 8 0 215 4 z i g b e ep r o t o c o lp h y s i c a ll a y e r , m a cl a y e rs t a n d a r d sa n dn e t w o r k l a y e r s e c o n d l y , f o rw i r e l e s sn e t w o r k sr e d u n d a n t d a t ag e n e r a t e db yt h eb r o a d c a s t s t o r mp r o b l e m ，t h ep a p e rp r o p o s e st h ed y n a m i ca d j u s t m e n to f a na d a p t i v er o u t i n g a l g o r i t h ma n de l a b o r a t er e a l i z a t i o n t h ea l g o r i t h mi s t om i n i m i z et h eb r o a d c a s t r a d i u so fi no r d e rt or e d u c er o u t i n gc o n t r o lr e q u e s tp a c k e to v e r h e a d f i n a l l y , t h e p a p e rs i m u l a t er o u t i n gp r o t o c o li n t h en s 一2s o f t w a r ea n dg e n e r a t es i m u l a t i o n i m a g eb yu s i n g n s - 2 d a t a p r o c e s s i n ga n a l y s i s t o o l s ( a w k ) a n dd r a w i n g t o o l s ( g n u p l o t ) s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z a t i o n o fr o u t i n gp r o t o c o l s l i m i tt h er e d u n d a n tr o u t er e q u e s tp a c k e t ，l e s sr o u t i n go v e r h e a d ，i m p r o v e s e l f - c o v e r ya n dn e t w o r kp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：m u l t i p o i n tc o m m u n i c a t i o n s ；z i g b e e ；r o u t i n gp r o t o c o l 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 目录 1 绪 念1 1 1课题研究背景1 1 2 课题发展现状1 1 3本课题的主要工作和意义2 2zig b e e 技术研究3 2 1 z i g b e e 技术概述3 2 1 1 z i g b e e 网络拓扑结构3 2 1 2 z i g b e e 的设备类型4 2 1 3 z i g b e e 技术应用前景4 2 2 z i g b e e 协议栈体系结构5 2 3i e e e 8 0 2 15 4 6 2 3 1i e e e 8 0 2 15 4p h y 6 2 3 1 1 接收信号能量检测6 2 3 1 2 空闲信道评估6 2 3 1 3p h y 协议数据单元格式6 2 3 1 4p h y2 4 5 0 m h z 8 2 3 2i e e e 8 0 2 1 5 4 数据链路层1 0 2 - 3 2 1 超帧结构1 0 2 3 2 2 数据传输类型1 0 2 3 2 3 帧格式1 2 2 3 2 4 c s m a c a 算法1 4 2 4 z i g b e e 协议层18 2 4 1应用层18 2 4 2 应用支持子层18 2 4 2 1 应用支持子层数据实体一1 8 2 4 2 2 应用支持子层的管理实体1 8 2 4 3安全服务18 2 4 4 网络层19 2 4 4 1网络层数据实体19 2 4 4 2 网络层管理实体1 9 2 5 z i g b e e 路由协议的研究1 9 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 2 5 1 z i g b e e 路由协议的思想2 0 2 5 1 1 网络地址分配机制2 0 2 ! ；1 2 c l u s t e r - t r e e 2 1 2 5 1 3 a o d v j r 2 1 2 5 2 数据结构2 2 2 5 2 1 节点存储的数据2 2 2 5 2 2 节点交互分组2 3 2 5 3 z i g b e e 路由机制2 4 2 6 本章小结2 6 3 混凝土搅拌站通讯网络设计与路由协议改进2 7 3 1混凝土搅拌站通讯网络设计2 7 3 2 混凝土搅拌站通讯网络路由协议改进2 8 3 2 1路由请求广播的问所产生的问题2 8 3 2 2自适应的路由分组广播范围算法的提出2 9 3 2 2 1基于网络最大深度广播范围算法3 0 3 2 2 2 基于收发节点深度的自适应广播范围算法3 1 3 2 2 3 基于c l u s t e r t r e e 地址分配机制节点网络深度算法3 2 3 3 本章小结一3 5 4混凝土搅拌站网络路由协议在n s - 2 中模拟实现3 6 4 1 n s 2 内部机制3 6 4 2 混凝土搅拌站通讯网络的模拟总体框架3 8 4 3混凝土搅拌站通讯网络路由协议仿真3 9 4 3 1定义包头文件3 9 4 3 2 定义c + + 代码和o t c l 代码之间的接口3 9 4 3 3 编写类成员函数和协议算法4 0 4 4 混凝土搅拌站通讯网络路由协议仿真记录文件4 1 4 5 本章小结4 2 5混凝土搅拌站路由协议仿真结果及性能分析4 3 5 1 仿真环境及性能评价4 3 5 2 混凝土搅拌站通讯网络路由协议数据分析4 3 5 2 1 a w k 仿真数据处理一4 3 5 2 2 g n u p l o t 绘图4 5 5 2 3 混凝土搅拌站通讯网络路由协议仿真分析4 5 西南科技大学硕士研究生学位论文第v 页 5 3 本章小结一：。4 7 结 论4 8 致 谢4 9 参考文献5 0 攻读硕士学位期间公开发表的论文及研究成果5 3 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 课题研究背景 随着社会进步和科学技术发展，无线技术的应用已经渗透到各个领域。 现在人们的生活已经离不开无线网络提供给我们的便利，特别是最近提出的 物联网技术。它可以让人们任何时刻和任何地点通过互联网作为媒介获取自 己期望得到的信息。 i n t e r n e t 已经是我们现代生活的一部分【- 1 。人们可以在世界相距很远的 地方进行通讯。但是它需要固定的基础设施和耗资都较大，这样限制了其使 用范围。z i g b e e 无线技术低成本低和功耗特点正好弥补了这一缺点，并在一 些领域有了一定应用。 本文是应成都新津交筑路桥设备有限公司的要求，以其生产的s m c 系 列混凝土搅拌站为对象，针对其现有的粉体仓粉体料位控制测量中存在的不 足而提出的解决方案。以前有线通信控制测量组织性差，当某条线路或节点 出现故障，将导致搅拌站所有粉体仓粉体料位控制测量失常。本文充分利用 z i g b e e 技术的优越性对其进行路由改进，提出以无线通信取代以前有线通 信，实现了多点粉体料位控制测量的自我恢复，大大提高了系统的稳定性。 1 2 课题发展现状 z i g b e e t m 无线网络技术市场增长很快。现在已经应用到家庭智能，智能楼宇， 测量控制，电子产品，p c 机的外围设备，医疗监控和玩具。z i g b e e 无线技 术在工业控制领域也有了一定的应用，但是在粉体料位控制测量应用比较少， 而这些领域目前大多还是采用有线网络的技术。 z i g b e e 协议栈的制定是由i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组和z i g b e e 联盟 3 1 1 4 共同完 成的。i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组主要制定协议底层的两层协议物理层和数据链路 层。z i g b e e 联盟专注于协议栈的上层协议制定从网络层到应用层。 在z i g b e e 技术拓展到应用领域的同时，如何不断对z i g b e e 技术进行改 进和优化，进一步提高网络性能成了关注焦点。目前，世界范围内对z i g b e e 的改进工作主要有以下两个方面： ( 1 ) z i g b e e 技术的应用研究与产品设计不断创新【3 1 1 4 i 。如t i 公司收购 c h i p c o n 后，进一步加大了在z i g b e e 芯片和相关产品上的研发，成为了世界 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 上主要的z i g b e e 芯片供应商之一。强大的芯片和产品制造商为z i g b e e 在楼 宇自动化矿井定位环境监测智能家居上应用提供了可行的解决方案和可靠的 应用产品。 ( 2 ) 不断完善z i g b e e 协谢，】【4 】。z i g b e e 协议推出比较晚，协议本身还在 一些空白。同时，z i g b e e 技术特点加上实际的应用环境决定了必须在路由算 法，降低功耗等问题上进行深入研究与优化。目前世界范围已经有大量研究 人员投入在协议完善工作之中。 1 3 本课题的主要工作和意义 本课题主要研究目的是z i g b e e 无线技术在混凝土粉体料位测量系统中 的应用。用z i g b e e 无线技术代替现在的有线网络。提高网络的自组织性和恢 复能力，而且针对混凝土环境的特点对算法进行改进和优化，达到提高网络 性能的目的。 本课题针对混凝土应用中网络节点较多，在路由请求过程中将产生大量 的冗余分组，提出了z i g b e e 路由请求分组广播范围的优化算法，在保证路由 请求分组顺利达到目的地址的前提下，减小路由请求分组的广播半径，从而 减少冗余广播分组。主要使用n s 一2 网络模拟软件对路由协议进行仿真和分 析。仿真结果表明，优化和改进的z i g b e e 路由算法减少了路由开销提高了网 络性能。 虽然z i g b e e 技术是一种新型的无线技术，但是其本身的特点使其具有很 大的发展潜力，本文对z i g b e e 技术性能进一步提高和应用推广将起到积极作 用。 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 2 z i g b e e 技术研究 2 1 z i g b e e 技术概述 z i g b e e 是一种新兴的无线网络技术。它是一种个人无线区域网络技术， 在其网络拓扑结构中，每个网络节点都可以根据自己的特点来配置相应的软 件和硬件，这样就大大的提高网络的自我修复能力和自组织性能【3 】【s 】。以前的 短距离网络中，除了主节点其它节点的功能基本一致。因此，z i g b e e 网络技 术具有更高的通讯效率。 z i g b e e 技术是由i e e e 8 0 2 1 5 4 组织和z i g b e e 联盟共同完成的， i e e e 8 0 2 1 5 4 主要完成物理层和数据链路层的功能，而z i g b e e 联盟主要负 责上层协议的制定 7 1 1 4 8 1 9 1 1 1 0 1 ( 从网络层到应用层) 。 2 1 1 z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 技术支持三种网络拓扑结构【1 1 1 【1 2 1 如图2 1 ：星形拓扑，网状拓扑和 树形拓扑。 ( 1 ) 星形拓扑 在星形拓扑结构中，两个终端设备之间的通信是通过一个叫做协调器 ( p a n ) 的设备进行的。p a n 协调器能量由主电源提供而终端设备则由电池供 应。这种拓扑结构可应用于网络覆盖面积小，移动较少的场合，如：家庭智 能化，计算机的辅助设备等。 ( 2 ) 网状拓扑 在网状网络拓扑中也有一个p a n 协调器。与星形拓扑网络不同的是，各 个设备之间能进行通信，只要各自在自己的通信覆盖范围之内。网状拓扑具 有自组织和自我修复能力。 ( 3 ) 树形拓扑 树形拓扑是一种更负责的网络，他的覆盖面积更为广阔d 2 1 。在这种网络 拓扑结构中，当需要拓展网络时，可以把其中的一个全功能设备作为新的树 簇头。这样其余节点就可以通过新生成的树簇头加入到网络中来。因为它具 有网状拓扑的特性，因此其网络本身也就有自组织和自我修复能力。适用于 覆盖面积大和网络要求自我恢复的场所。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 、 图2 1z i g b e e 三种网络拓扑 f i g u r e2 1z i g b e et h r e en e t w o r kt o p o i o g ie s 2 1 2 z i g b e e 的设备类型 z i g b e e 网络主要有三种网络设备【n 1 ：z i g b e e 协调器，z i g b e e 路由设备 和z i g b e e 终端设备。 z i g b e e 网络协调器的主要特点 j 3 l ：每个z i g b e e 网络只有一个协调器； 发起整个网络的形成；当建立起整个网络时可以充当路由器功能。 z i g b e e 路由设备的主要特点【- ，1 ：可以选择的网络设备；既可以和z i g b e e 网络协调器相连也可以和其功能相当的设备相连；参与信息传递的多跳传播。 z i g b e e 终端设备的主要特点 1 3 1 ：可选择的网络设备；没有路由功能；没 有接入设备功能。 2 1 3 z i g b e e 技术应用前景 z i g b e e 技术是一种易布建的低成本无线网络【1 4 】，同时其低耗性可是产品 的使用寿命更长。应用初期，主要的应用领域为工业和大型商场，提供总体 的监控和节能功能，现在已经在向家庭智能化市场进军。 z i g b e e 技术了的主要目标是低成本、低功耗和低速率无线通信市场，而 恰恰现在市场没有这种技术。相信我们的生活方式将随着z i g b e e 无线技术有 所改变。 z i g b e e 技术已经在工业、家庭消费、建筑、医疗等领域有了一定的应 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 用【1 4 】【1 5 l o 虽然在这些领域有了一定的应用，但是它的应用效率还有待进一步提高。 下面以医学领域为例说明z i g b e e 技术的应用。在医学领域，我们可以利用 z i g b e e 技术把患者的病房在医院内部组成一个区域网，可以随时把患者的信 息传递到汇集节点这样，就可以减少医护人员的工作量，从而使医护人员的 工作效率更加高效。 以前，粉体料位控制测量是通过有线或人工监测。由于工业环境恶劣， 有线和人工监测效率低下、工作量大等缺点，z i g b e e 技术可以弥补这些缺 点，提高效率。 2 2 z i g b e c 协议栈体系结构 i e e e s 0 2 1 5 4 组织和z i g b e e 联盟共同制定了完整的z i g b e e 协议栈【，1 f i s 】。 i e e e 8 0 2 1 5 4 专注于制定物理层和数据链路层这两层。z i g b e e 联盟则专注于 上层协议的制定( 网络层和应用层) ，主要关于相互的数据互联，安全服务和 一系列的家庭自动化的控制方案和制定一些标准。z i g b e e 协议栈的体系结构 如图2 - 2 。 图2 - 2 z i g b e e 协议栈体系结构 f i g u r e2 - 2z i g b e es t a c ka r c h i t e c t u r e 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 2 3i e e e 8 0 2 15 4 2 3 1i e e e 8 0 2 15 4p h y p h y 层主要为上层提供两种服务实体义了无线信道和m a c 之间的接口， 提供物理层数据服务和物理层管理服务1 3 8 1 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 1 3 7 1 1 4 5 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。其中2 4 g h z 频段的传输速率要高于其它两个频段，因 此在吞吐量、通信时延、省电和工作周期更加有效。8 6 8 m h z 可在欧洲使用， 9 1 5 m h z 可在美国使用。三个频段的传输速率不同8 6 8 m h z 的传输速率为 2 0 k b s ，9 1 6 m h z 为4 0 k b s ，2 4 g h z 为2 5 0 k b s 。 2 3 1 1 接收信号能量检测 网络层通过检测接收信号能量f 4 5 1 检测后，利用信道选择算法来判断是否 接收。它是对8 0 2 1 5 4 信道带宽信号能量的评估。信号在信道上不做任何处 理。能量检测时间是8 个符号周期。能量检测结果值应该在0 - 2 5 5 之间。能 量检测o 值表示能量小于l o d b ，接收的信号能量至少是4 0 d b 。 2 3 1 2 空闲信道评估 空闲信道评估 4 5 1 基于r s s i 值的测量和编程设置的阈值。通过空闲信道评 估，来实现i e e e 8 0 2 1 5 4 制定的c s m a c a 功能。至少8 个符号周期后，接收 器使能，c c a 有效。载波探知阈电平有硬件寄存器位编程设置。阈值可以按 照步长为l d b 编程设置。c c a 的滞后作用也可以由相应的硬件控制位编程设 置。 i e e e 8 0 2 1 5 4 1 4 2 4 3 指定了3 种c c a 模式： ( i ) 当接收到的能量低于阈值时，清空信道。 ( 2 ) 当没接收到有效地i e e e 8 0 2 1 5 4 数据时，清空信道。 ( 3 ) 当接收的能量低于阈值且没有收到有效地i e e e 8 0 2 1 5 4 数据时， 清空信道。 2 3 1 3p h y 协议数据单元格式 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 表2 - 1物理层数据帧格式 t a b i e2 1 p h y s i c a ii a y e rf r a m ef o r m a t 4 字节 1 b i t7 b i t sl b i t 可变 帧引导序列帧开始定界符帧长度保留位p h y 数据 同步头p h y 头负载 如上表2 - 1 ，物理层数据帧由三个部分组成： ( 1 ) 实现同步的同步头。 ( 2 ) 指出包长度的p h y 头。 ( 3 ) p h y 数据负载。 帧引导序列由有3 2 位0 组成。帧开始定界符指示同步域结束和数据包的 开始，帧开始定界符格式如表2 2 。 表2 - 2帧开始定界符格式 t a b i e2 - 2f r a m es t a r td e ii m i t e rf o r m a t b i t ：o1234567 1 1 1o 0l0 1 帧长度域占7 个比特位，它说明物理层负载的字节数。它的值在0 和 m a x p h y p a c k e t s i z c 之间。表2 3 概括了相应的帧长度所对应的负载类型。 表2 - 3帧长度类型 t a b i e2 - 3f r a m ei e n g t ht y p e 帧长度值负载 0 4 保留 5 m p d u ( 确认) 6 7 保留 8 m a x p h y p a c k c t s i z cm p d u 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 1 4p h y2 4 5 0 m h z 2 4 5 0 m h zp h y 使用的是1 6 相位正交调制技术。在数据符号周期，四个 信息位选择1 6 个正交伪随机噪声序列( p n ) 的一种。连续数据符号p n 序 列是个环，和片码序列使用1 6 位正交调制技术( o q p s k ) 加载到传输媒介 上。图2 3 显示了2 4 5 0 m h zp h y 调制和传输功能。 图2 - 3 f i g u r e2 。3 从位到符号的映射过程中，全部包含在p p d u 的二进制数据利用表2 5 中的功能实现编码。下面将描述二进制怎样映射成数据符号。每个字节的低 四位映射成一个数据符号，每个字节的高四位映射成下一个数据符号。每个 p p d u 字节被调制和传输到载体上，以帧引导序列开始和以p s d u 最后一个 字节结束。对每个字节，低四位先被处理，然后再处理高四位。 在符号到片码的映射中，数据被映射成3 2 片码p n 序列按照表2 4 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 表2 - 4符号到片码映射 t a b l e2 4 s y m b o it oc h i pm a p p i n gc o d e 符号=p n 序列( 岛、c l 、c 2 、c 3 c 3 1 ) ) l o1 1 0 1 l ll l l l o l o l l o l o l l l 和 砷1 1 1 0 l l o l l n l l l o l o l l o l 3 p 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 01 1 0 0 1 1 1 渊1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 4 0o l o l 0 0 l o l o l l l o ll b o l l o ll l o i 啪l l 矿 5 pl l o l o l l o 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 l l o 和 6 0n o o n o l = d l l 蝴1 0 l l l o l l o l l l p 7 0l o o l l l 洲h o l o l o o l o l o l l l o l l o l p 8 , ol m l l l 1 0 1 i 饿协o 1 1 1 0 1 1 1 1 0 i i o 如1 0 1 1l o l l l l ol l o 以玲l1 1 0 1i i o l 和0 1 1 1 1 0 n 1 0 l l l l o l l m o l l l p 1 l p0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 l o n o o l l o l l 删p 1 2 p脚1 1 1 0 11 1 1 01 1 1 0 l l l l o n 和 1 3 妒o n a 弼；0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1l l o l l l l p 1 4 0l l o l l a 弼t 啪l n o1 11 1 0 1l l n 琰弦 1 5 0l l l l o l l 0 玲1 1 1 0 1 i t l o l l lo 如p 采用半正弦脉冲的0 q p s k 调制技术变换新的码元序列。偶数编码的码 元调制到i 相位的载波上，奇数编码的码元，调制到q 相位上( 如图2 - 4 ) 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 l 相位 q 相位 t c 图2 - 4半正弦脉冲形式的基带码元序列 f i g u r e2 - 4 h a i f s in ep u i s ef o r mo ft h eb a s e b a n ds y m b o l s e q u e n c e 2 3 2 i e e e 8 0 2 1 5 4 数据链路层 2 3 2 1超帧结构 低速率无线个人区域网络支持可选择的超帧结构。该超帧结构 1 6 1 是由协 商者来定义，绑定了网信标帧，而由协商者来使用。超帧被划分为1 6 个大小 相等的时隙，信标帧在每一个超帧的第一个时隙中进行传输，如果协商者不 希望使用超帧结构，它可以关掉信标帧的传输，信标帧可以用来同步网络中 的设备，识别p a n 并且描述超帧结构。在冲突访问阶段，任何一个设备如果 想进行通信，必须与其它设备使用c s m a c a 的机制【，1 。 超帧由活动和无活动两部分组成。在无活动周期，协调器不接入网络而 进入低电源模式。 2 3 2 2 数据传输类型 数据传输有三种类型 9 1 z 2 ：设备向协调器传输数据、协调器向设备传输 数据和对等设备之间传输数据。前两种类型应用在星形网络拓扑结构中，因 为数据仅在协调器和设备之间传输数据。在对等网络拓扑结构【1 2 】中，数据可 以传输在任何两个设备之间，这样三种数据传输方式可以应用到这个拓扑结 构。数据传输类型的机制依赖网络是否支持信标帧的传输。信标使能的网络 支持低延时的设备。当网络不需要支持这类设备时，网络可以选择不使用信 标帧。然而，信标仍然被需要为网络的连接。 从设备到协调器数据传输机制。在信标使能的网络中，当设备传输数据 给协调器时，它首先监听网络的信标帧。设备监听到信标帧后，设备就同步 到超帧。在适当的时候，设备利用间隙c s m a - c a 算法把数据传输给协调器。 协调器发送可选的确认帧确认数据接收成功。整个过程如图2 - 5 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 - 5信标使能网络传输数据给协调器 当一个设备传输数据在无信标的网络【1 2 呻，它将简化传输的数据帧，使 用无间隙的c s m a c a 传输数据给协调器。协调器通过确认帧确认数据接收 成功。传输过程如图2 - 6 。 图2 - 6无信标网络设备传输数据给协调器 fig u r e2 - 6n ob e a c o n s1 ：r a n s mitd a t a t o1 ：h en e t w o r ke q uip m e n l ：c o o r din a t ：o r 在信标使能的网络f 1 3 】中，协调器要发送数据给设备时，其将暂停数据信 息发送。然后循环监听网络信标帧若监听到数据信息，则发送数据请求命令。 协调器确认数据请求后，暂停的数据帧将被发送。接收到确认信息后，信标 帧中的信息将被删除( 过程如图2 7 ) 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 - 7信标使能网络协调器发送数据 fig u r e2 - 7b e a c o n e n a bie dn e t w o r kt os e n dd a t ac o o r din a t ；o n 图2 - 8无信标网络协调器传输数据 fig u r e2 8n ob e a c o n st r a n s mitd a t an e t w o r kc o o r din a t o r 在无信标的网络中，协调器发送数据时，它将储存发送的数据和等待设 备数据请求。设备通过传输m a c 命令请求数据。协调器通过确认帧确认数 据接收成功。如果数据处理等待状态，协调器将传输数据给设备利用无时间 间隙c s m a c a 。相反，协调器将发送零长度的数据帧，说明没有要传输的 数据。设备通过确认帧来确认数据传输成功。传输过程如图2 8 。 2 3 2 3 帧格式 帧结构可以使复杂度降到最低，同时可以提高在信道上的健壮性。每个 连续的协议层添加具体层头和尾的帧。低速的无线个人网络定义了四个帧结 构【1 6 l ：信标帧，协调器传输信标；数据帧，传输数据；确认帧，确认帧的成 功介绍；m a c 命令帧，操作控制传输。 下面将描述四个帧结构和帧的各个域。图2 - 9 显示了信标帧的结构，信 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 标帧源于m a c 层。 姒c 屡 物壤层 溉e 层 物鼹层 ：m a c 头l 疆 c 负载 f c si l i _ 一一- m 一_ 一_ 一一一_ 一一一一一 i i i 同步头l 物理荽：i 馘a c 数姑妊泌虢元 ! ! i ! ； l 图2 - 9信标帧结构 图2 1 0数据帧结构 f i g u r e2 1 0 d a t af r a m es t r u c t u r e 上图2 1 0 显示数据帧的结构，数据负载传给m a c 子层和作为m s d u t 4 s l 。 m s d u 包含m h r 和m f r 。m h r 包含帧控制域，序列码和地址域。m f r 由 1 6 位的f c s 组成。m h r ，m s d u 和m f r 形成了m a c 数据帧。m p s u 添加到 物理层作为物理层的数据帧负载。p s d u 包含s h r ，引导序列，s f d 域和p s d u 字节长度。帧引导序列和数据s f d 使能接收设备并实现信号同步。 s h r ，p h r ，p s d u 形成了p h y 数据包。 图2 1 1 显示了确认帧的结构。m a c 确认帧是由m h r 和m f r 组成h s 。 m h r 包含m a c 帧控制域和数据序列码域。m f r 是由1 6 位f c s 组成。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 姒c 层 物理层 图2 - 1 1确认帧的结构 f i g u r e2 1 1 c o n f ir mt h es t r u c t u r a if r a m e 图2 1 2 展示了m a c 命令帧结构。m s d u 包含命令类型和命令。m s d u 包括m h r 和m f r 。m h r 由m a c 帧控制域，数据序列码和地址信息域。 m f r 包含1 6 位f c s 。 姒e 屡 物理朦 图2 - 12m a c 命令帧结构 fig u r e2 12m a cc o m m a n df r a m es t r u c t u r e 2 3 2 4c s m a - c a 算法 数据和m a c 命令帧传输之前【s 1 ，使用c s m a - c a 算法来判断是否可以发送。 当帧能快速发送并得到确认时，可以不使用c s m a - c a 算法。信标帧和确认帧， 还用在c f p 期间传输的数据帧不使用c s m a c a 算法。在使用了信标帧的p a n 中，m a c 层将使用带有时隙c s m a - c a 算法在超帧的c a p 期间传送数据，相反， 没用使用信标的p a n 将使用无间隙c a m a c a 算法在超帧的c a p 期间传送数据。 这两种情况都将基于一种后退次数( b a c k o f f ) 周期的基本单位。在间隙 c s m a - c a 算法中，每个设备的后退次数周期间隔与p a n 协调器的超帧的间隔 时间对齐。也就是说每个终端设备的第一个b a c k o f f 周期必须和p a n 协调器 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 b e a c o n 对齐。在无间隙c s m a - c a 算法中，每个设备的后退次数周期并不与其 它设备的b a c k o f f 周期相关，也就是说，每个设备的b a c k o f fp e r i o d 是独 立的，不与其它设备对齐，包括p a n 协调器。每个设备每次传送都将维护3 个变量：n b ，c w 和b e 。n b 是c s m a - c a 传送数据时后退所需要的时间，每次传 送前n b 都将清零。c w 是竞争窗口的长度，它定义后退周期的次数。利用它 可以判断当前的频道是否空闲，当判断到了一定次数后该频道依然忙则跳出 循环，返回当前状态。c w 默认初始值是2 ，间隙c s m a - c a 算法使用这个变量。 b e 是后退指数，它是和后退周期相关，既一个设备进入一个信道之前等待的 时间。无论是在有间隙还是在无间隙c s m a - c a 算法中，m a c b a w w c i f e e x t 设置 为f a l s e ，b e 将被设置为m i n b e 。若在有间隙c s m a - c a 算法中，m a c b a w w c i f e e x t 设置为t r u e ，这个值初始化小于2 或为m a c m i n b e 。值得注意的是，如果 m a c m i n b e 设置为零，冲突检测将失败在算法的第一次迭代中。尽管设备接收 器在算法信道评估中使能，但是设备将丢弃已经接收到得任何帧在这个时间 段。图2 - 1 3 显示了c s m a c a 算法的步骤。当使用有间隙的c s m a c a 算法时， m a c 子层首先初始化n b ，c w 和b e ，然后确定下一个后退周期。对于无间隙 c s m a - c a 算法，m a c 子层初始化n b 和n e ，然后直接跳到第二步。m a c 子层将 延时几个后退周期，然后请求物理层完成c c a 。在有间隙c s m a - c a 算法系统 中，c c a 将以一个后退周期开始。而无间隙c s m a c a 算法系统中，c c a 将立即 开始。在有间隙c s m a c a 系统中，m a c 子层负责接下来的c s m a - c a 操作继续 进行和整个传输操作在c a p 结束前完成。若后退次数是大于c a p 剩余的后退 次数的数目，m a c 子层将停止记数在擦c a p 结束时，并重新记数在下个超帧 c a p 开始时。相反，当后退次数小于或等于c a p 剩余的后退次数时，m a c 子层 将延时记数和评估是否继续进行记数。在c s m a c a 算法剩余步骤，帧传输和 确认帧可以完成在c a p 结束前，m a c 子层将继续进行。当m a c 子层继续运行 时，它将要求物理层完成当前超帧的c c a 。如m a c 子层不能继续进行，将等 待下个超帧c a p 和进行重新评估。在有间隙c s m a - c a 系统中，而且电池寿命 域设置为1 时，m a c 子层将确保，在随机的后退几次后，剩余的c s m a - c a 操 作可以完成和整个传输在c a p 末完成。后退次数将停止记数，仅仅在信标i f s 末期后的第一个六个满后退次数。m a c 子层将继续运行，当c s m a - c a 剩余的 操作，帧传输和确认帧能被完成在c a p 结束前，并且帧传输以信标的i f s 周 期后的第一个六个满帧后退周期。如果m a c 能继续运行，它将要求物理层完 成当前超帧的c c a 评估。如果m a c 子层不能继续运行，它将等待直到下个超 帧c a p 开始和重新评估。若信道在算法的第四步评估为忙状态，m a c 子层将 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 以一为步长增加n b 和b e ，以保证b e 不超过a m a x b e 。在有间隙c s m a - c a 中， m a c 子层将设置c w 为 2 。如果 n b 的值小于或等于 m a c m a x