（测试计量技术及仪器专业论文）zigbee技术在嵌入式系统中的应用研究.pdf

上海大学硕二l 学位论文 摘要 现代测控系统由信息采集、数据通讯和信息处理三部分组成。在测量点较 集中的现场，通常采用有线方式进行连接。对于分散测控系统，线路铺设和维 护成本较高，且现场装置空间位置不固定，通过电缆引出信号变得不可靠、甚 至不可能。采用无线短距离通信技术能够解决这方面的技术难题，提高测控系 统的灵活性。 本文在分析比较几种短距离无线技术的基础上，选用z i g b e e 技术实现测控 系统现场级装置的数据传输。z i g b e e 技术是一种近距离、低功耗、低速率、低 成本的双向无线通信技术，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域有着 广阔的市场空间。文中研究了z i g b e e 技术的基本原理，深入分析了物理层、媒 体访问控制层等各层协议。在此基础上研制开发了无线射频模块，完成了点对 点的通信调试。本文所做工作如下：( 1 ) 通信系统采用飞思卡尔公司的m c l 3 1 9 2 芯片来实现无线数据通信，满足低功耗和小型化的要求：c p u 采用基于a r m 7 的p h i l i p s 公司的l p c 2 1 0 4 芯片，实现m a c 层及以上的数据处理和通讯接口设 计。( 2 ) 天线采用1 4 波长的双极印制天线，解决了小尺寸、低成本、易制作和 阻抗匹配等问题；( 3 ) 通过串口将数据传输到p c 机上，便于系统调试。同时， 无线模块可以通过u a r t 接口与测控系统的主控办卡进行通讯，将其信息通过 测控系统的其余传输方式( 例如t c p i p ) 转发出去，实现更远距离的传输。 关键词：z i g b e e 技术；i e e e 8 0 2 1 5 ，4 ；c s m a c a ；无线收发器 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y sm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e do fi n f o r m a t i o n c o l l e c t i o n ，d a t a c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g r e g a r d i n g t h e d i s t r i b u t e ds ”t e m ，t h ep o s i t i o n so fs c e n ei n s t a l l m e n t sa r en o tf i x e d ，s ot h ec o s to f l a y i n ge l e c t r i c a l c a b l e sa n dm a i n t e n a n c ei sh i 曲t h ew i r e l e s ss h o r t - d i s t a n c e c o r r e s p o n d e n c et e c h n o l o g ym a y s o l v et h i sp r o b l e m b yt h ec o m p a r i s o no fs e v e r a ls h o r t d i s t a n c ew i r e l e s st e c h n o l o g i e s ，t h i sp a p e r s e l e c t e d z i g b e e t or e a l i z ed a t a t r a n s m i s s i o n z i g b e e i san e ww i r e l e s s c o r r e s p o n d e n c et e c h n o l o g yo fs h o r td i s t a n c e ，l o wp o w e r , l o wr a t ea n dl o wc o s t i t h a sb r o a dm a r k e ts p a c ei nt h ef i e l d ss u c ha st h eh o m ec o n t r o l ，b u i l d i n ga u t o m a t i o n ， a n di n d u s t r i a lc o n t r o la n dm o n i t o r i n g t h eb a s i cf u n d a m e n t a l so fz i 班e ea r e e x p a t i a t e di nt h i sp a p e re s p e c i a l l yt h ep h y s i c a ll a y e r , t h em e d i a a c c e s sc o n t r o ll a y e r a n ds oo n a n dt h ep e n m a nf i n i s h e dd e s i g n i n gt h ew i r e l e s sr fm o d u l ew h i c hc a n r e a l i z ep o i n t t o - p o i n tc o r r e s p o n d e n c e t h i sp a p e rh a sd o n et h ef o l l o w i n gt a s k s ( 1 ) t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d d es a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to fl o w p o w e ra n dm i n i a t u r i z a t i o nb yt h eu s eo fc h i p m c l 3 1 9 2o ff r e e s c a l ec o m p a n ya n dc h i pl p c 2 1 0 4o fp h i l i p sc o m p a n y ( 2 ) 1 4 w a v el e n g t hd i p o l ep r i n t e da n t e n n ai sd e s i g n e d w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s s m a l ld i m e n s i o n ，l o wc o s t ，e a s y - p r o d u c i n ga n di m p e d a n c em a t c h i n g ( 3 ) d a t ao ft h e m o d u l ea r et r a n s m i t t e dt op e r s o n a lc o m p m e rb yc o m ，w h i c hm a k e sd e b u ge a s y a t t h es a m et i m e ，t h em o d u l er e a l i z e dc o m m u n i c a t i o nw i t ht h eb o a r dc a r dt h r o u g ht h e u a r ti n t e r f a c e t h eb o a r dc a r dc a l lt r a n s f e ri t si n f o r m a t i o nt h r o u g ho t h e r t r a n s m i s s i o nw a y s ( f o re x a m p l ee t h e m a ) t or e a l i z el o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：z i g b e et e c h n o l o g y ；i e e e s 0 2 1 5 4 ；c s m a c a ；w i r e l e s st r a n s c e i v e r v i 上海大学硕上学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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：兰! i 望日期：丛，7 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑导师签名叁丝日期蝉 上海大学硕= l 学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着计算机技术、通讯技术的快速发展，现代嵌入式测控系统发生着深刻 的变化。它利用嵌入式系统作为现场平台，实现数据的采集、传输和控制，并 通过各种网络作为数据信息的传输媒体，在远端实现对测控数据的观测、分析 和存储。为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，嵌入式系统要求配备标 准的一种或多种网络通信接口，将网络功能嵌入终端设备中。 目前嵌入式系统主要以有线的方式进行连接，实现各种控制功能。但在许 多场合并不完全适用，例如有些应用无法安装导线( 高速旋转机器的检测和维 护) ，或者有些应用安全性不允许( 易燃、易爆的危险化学成分的检测) 等等， 迫切需要无线连接方式，而在上述场合数据吞吐量不大，主要关心的是高可靠 行和低功耗的问题。这就需要一种短距离低数据速率低功耗的无线网络，可以 成为有线接入的有效支持、补充与延伸，以提供优质的数据传输服务。z i g b e e 技术正是弥补了这方面的市场空缺，用户可以根据情况变化快速便捷的添加或 重新配置节点，形成短距离无线通信子网。利用无线收发器进行数据传输，既 降低了网络的布线成本，也提高了应用的灵活性和扩展性，节省了人力资源。 针对这种情况，本文提出了在嵌入式平台上增加z i g b e e 无线网络接口，实现短 距离无线数据传输功能。 本课题是上海市科委“具有混合传输方式的嵌入式控制系统研究”课题的 一部分。旨在完成系统所需的高质量、短距离、低速率无线通信接口。 1 2 嵌入式系统概述 随着后p c 时代的到来，现代测控系统己从传统电路、微机模式进入了嵌 入式系统模式，嵌入式系统在测控系统中扮演着不可替代的重要作用。嵌入式 系统是一种具有特定功能的专用计算机系统。嵌入式系统是以应用为中心，以 计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、 上海大学硕：b 学位论文 体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统目前处于高速发展之中， 表现在以下几个方面 1 】。 1 开发平台的完备化 嵌入式系统的开发是一项系统工程，涉及软件、硬件、系统集成等诸多方 面。嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。为了满足 应用功能的升级，需要采用更强大的嵌入式处理器如3 2 位、6 4 位r 1 s c 芯片或 信号处理器d s p 增强处理能力；同时还采用实时多任务编程技术和交叉开发工 具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。 2 嵌入式系统的网络化 为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向2 1 世纪的嵌入式系统要 求配备标准的一种或多种网络通信接口。嵌入式系统的网络化表现在两个方面： 一方面是嵌入式处理器集成了网络接口，如串口、h d l c 接口、以太网接口、 c a n 总线接口等。另一方面，随着网络技术特别是i n t e m e t 技术的发展，未来 的嵌入式系统设备应用于网络环境中，成为网络式计算机的一个节点。如支持 t c p i p 协议、i e e e l 3 9 4 协议、u s b 接口、无线接口( b l u e t o o t h 、i r d a 、z i g b e e 等) ，以及嵌入式w e b 服务器和嵌入式浏览器等。通过网络技术的集成，嵌入 式设备可以随时随地与网络进行连接，实现资源共享。 3 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本 为提高系统的可靠性和降低系统的功耗，设计者需要尽量精简系统的内核 ( 包括软件内核和硬件内核) 。除了：i ! ! ：= 片供应商提供低功耗的c p u 及外围芯片 外，嵌入式产品设计者在进行软件设计方面要不断优化。如使用操作系统时， 对操作系统进行裁减；开发应用软件时使用高效率的算法。 4 提供友好人机界面 提供友好的人机界丽是嵌入式系统的基本要求。嵌入式设备之所以为亿万 用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间的亲和力，自然的人机交互 界面。目前大多数图形界面采用与w i n d o w s 类似的界面，以方便用户使用。随 着嵌入式技术的发展，新的人机界而不断被开发出来，如手写输入技术、语音 输入输出技术，图像输出技术等。 上海大学硕= b 学位论文 1 3 几种近距离无线通信技术概况 目前的无线网络根据通信距离的不同可以分为无线广域网( w a n ) 、无线 局域网( w l a n ) 、无线个人区域网( w p a n ) 三类，它们的有机结合，构成完 整的无线互连网络体系。w p a n 是范围较小的无线网络，目标是用无线电或红 外线代替传统的有线电缆，以低价格和低功耗在1 0 0 m 范围内实现个人信息终 端的智能化互联，组建个人化信息网络。由于生产和生活中的控制应用往往是 限定到一定地域范围内，因此各种短距离无线通信技术得到了广泛的发展。目 前，短距离无线通信技术主要有i r d a 技术、蓝牙技术、w i f i 技术、z i g b e e 技 术等13 1 。 i r d a 技术 成立于1 9 9 3 年的红外数据协会i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 是致力于 建立红外线无线连接的非营利性组织。i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信 的技术，采用人眼看不到的红外光传输信息，软硬件技术都很成熟，在各种遥 控器、p d a 、手机等设备上广泛使用。 i r d a 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且 还具有特定条件所需的体积小、功耗低、连接方便、应用简单的特点。此外， 红外线发射角度较小，传输上安全性高。i r d a 的不足之处在于它是一种视距传 输，传输数据时两个设备之间不能有阻挡物，必须对准。且红外技术只限于两 台通讯设备，无法灵活构成网络。i r d a 目前的研究方向是如何解决视距传输问 题及提高数据速率。 蓝牙技术 1 9 9 8 年，爱立信、诺基亚、i b m 等公司共同推出了蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术， 其标准版本为i e e e 8 0 2 1 5 ，1 标准。这是目前比较流行的一种无线个人区域网技 术，具有中等速率，用无线接口代替有线电缆的连接，具有很强的移植性。己 广泛用于p c 、打印机、传真机、手机等设备上。 蓝牙技术是一种无线数据和语音通信的开放性全球规范，其实质是为固定 设备或移动设备之间的通信建立通用的近距离无线接1 3 ，能在近距离范围内实 上海 学硕士学位论文 现相互通信或操作。它的工作频率为2 4 g h z ，有效范围大约在1 0 m 半径内，能 提供1 m b p s 的传输速率。蓝牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备( 如p c 、 拨号网络、笔记本电脑、打印机、数码相机、移动电话和高品质音响等) ，通过 无线方式将它们连成一个微微n ( p i c o n e t ) ，多个微微网之间也可以互连形成分 布式网络( s c a t t e r n e 0 ，从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。 蓝牙技术的特点包括：采用跳频技术，抗信号衰落；采用快跳频和短分组 技术，减少同频干扰，保证传输的可靠性；采用前向纠错( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ，f e c ) 编码技术，减少远距离传输时的随机噪音影响；使用2 4 g h z 的i s m 频段，无需申请许可证；采用f m 调制方式，降低设备的复杂性。蓝牙 技术支持一个异步数据通道，或3 个并发的同步话音通道，或一个同时传送异 步数据和同步话音的通道。 b l u e t o o t h 技术规定了包括p h y 、m a c 、网络和应用层等集成协议栈。为 对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供2 5 0 k b 系统开销，从而增加了系 统成本和集成复杂性。另外，b l u e t o o t h 对每个微微网只能配置7 个节点的限制， 制约了其在大型传感器网络开发中的应用。另外，蓝牙芯片大小和价格难以下 调、抗干扰能力不强、传输距离太短等问题，制约了蓝牙的广泛应用。 w i - f i 技术 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) ，正式名称是i e e e 8 0 2 1 1 b 。w i - f i 速率最高可达1 1 m b s 。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但电波的 覆盖范围却略胜一筹，可达1 0 0 m 左右。 w i f i 是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一 定区域内，就能以最高约1 1 m b s 的速度接入w e b 。但实际上，如果有多个用户 同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，w i f i 的连接速度一般将只有几百 k b s 的信号。信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。 w i f i 未来最具潜力的应用将主要在s o h o 、家庭无线网络以及不便安装电 缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热 点场所。w j f i 技术可将w i f i 与基于x m l 或j a v a 的w e b 服务融合起来，可 以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备8 0 2 1 l b 上海大学硕士学位论文 的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大 量铺设电缆所需花费的资金。 最初的i e e e 8 0 2 1 l 规范是在1 9 9 7 年提出的，称为8 0 2 1 l b ，它的工作频率 也是2 4 g h z ，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同 一频段。随着、矾一f i 协议新版本如8 0 2 i l a 和8 0 2 1 1 9 的先后推出，w i f i 的应 用将越来越广泛。速度更快的8 0 2 1 1 9 使用与8 0 2 1 l b 相同的正交频分多路复用 调制技术。它工作在2 4 g h z 频段，速率达5 4 m b s 。根据最近国际消费电子产 品的发展趋势判断，8 0 2 1 l g 将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产 品标准。 微软推出的桌面操作系统w i n d o w sx p 和嵌入式操作系统w i n d o w sc e ，都 包含了对w i f i 的支持。其中，w i n d o w sc e 同时还包含对w i f i 的竞争对手蓝 牙等其它无线通信技术的支持。由于投资8 0 2 1 1 b 的费用降低，许多厂商介入 这一领域。i n t e l 推出了集成w l a n 技术的笔记本电脑芯片组，不用外接无线网 卡，就可实现无线上网。 z i g e e e 技术 z i g b e e 这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过 跳z i g z a g 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组，致力于定义一种廉价设备使用的极 低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。2 0 0 3 年5 月i e e e8 0 2 1 5 4 标 准面世，定义了媒介接入控制层和物理层上的规范。z i g b e e 联盟在此基础上定 义其余的网络层、安全层和应用层，并负责高层应用、测试和市场推广等方面 的工作。z i g b e e 联盟于2 0 0 4 年1 2 月1 4 日宣布确定z i g b e e 的正式版规格。 z i g b e e 技术的主要优点：省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、 并且采用了休眠模式，z i g b e e 技术可以确保两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间。数据传输速率低：只有2 0 k b w s - 2 5 0 k b i t s ，专注于低速 数据传输应用。成本低：z i g b e e 模块的初始成本在6 美元左右，估计很快可 以降到1 5 2 5 美元，且z i g b e e 协议简单，大大降低了成本。网络容量大： 个星型结构的z i g b e e 网络最多可容纳2 5 4 个从设备和1 个主设备，一个区域 上海大学硕= l 学位论文 内最多可以同时存在1 0 0 个独立且相互重叠覆盖的z i g b e e 网络。可靠：采用 了碰撞避免机制和完全确认的数据传输机制。安全：网络层和m a c 层都有 安全策略，且安全分级，各个应用可以灵活确定其安全属性。 z i g b e e 主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备 之间。其典型的传输数据类型有周期性数据( 如传感器数据) 、间歇性数据( 如 照明控制) 和重复性低反应时间数据( 如鼠标) 。随着z i 邸e e 联盟推出相关技 术规范，半导体企业推出芯片解决方案，o e m 企业推出相关终端产品，市场分 析人士认为到2 0 0 6 年，z i g b e e 设备将达到每年4 亿台的市场规模，并在6 7 年内占据三分之二的家庭自动化市场。 综上所述，各种不同的短距离无线通信标准都是根据不同的使用场合，不 同的用户需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动 性和经济性。表1 1 对几种主要的短距离无线通信技术进行了比较概括。 表1 - 1 几种无线通信技术的比较 i r d a蓝牙w i f i z i g b e e 工作频率 红外线 射频射频 射频2 4 6 1 i z ， 9 8 0 n m 2 4 g h z2 4 6 h z 8 6 8 9 1 5 h z 有效物理范围 2 0 c m - i2 m1 0 m - 1 0 0 m2 5 m 一1 0 0 m1 0 m - 7 5 m 最大传输速率1 6 m b p s1 m b p s1 1 m b p s 2 5 0 k b p s ， 2 0 4 0 k b p s 主机协议栈 1 5 3 0 k6 0 - 2 8 0 k1 m 4 一3 2 k 容量 劂络节点数2 81 2 8 2 5 5 最大功耗数m w 1 0 0 r o w1 0 0 m w3 0 m w 参考成本 帧控制域 帧控制域的长度为1 6 个比特位。如图2 9 所示。帧控制域各字段的具体含 义如下所示： 位0 - 2 34567 9l o i l】2 ，】31 4 一1 5 帧类型加密位 后续帧 应答 同一p a n 保留 目的地 保留 源地址 控制位 请求指示 址模式模式 幽2 9 帧控制域结构 ( 1 ) 帧类型定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和m a c 命令 帧。如图2 1 0 所示。信标帧，供协商者使用。数据帧，承载所有的数据。响应 帧，确认帧的顺利传送。m a c 命令帧，用来处理m a c 对等实体之间的控制传 送。 帧类型值( b 2 b l b 0 )描述 0 0 0 信标帧 0 0 l 数据帧 0 1 0 应答帧 0 l l m a c 命令帧 l o o 1 1 1 保留 图2 1 0 帧类型定义 ( 2 ) 加密位：设置为1 ，表示帧用存贮在m a cp i b 中的密钥加密。 上海大学硕：仁学位论文 ( 3 ) 后续帧控制位：设置为l ，表示发出帧的设备有后续数据发送给接收 方，因此接收方应发送额外的数据请求以获得后续的数据。只能在信标网络中 c a p 时段或非信标网络的任何时候发送的帧中将该位置为1 。 ( 4 ) 应答请求位：指示帧的接收方是否需要发出确认。信标帧和确认帧不 需要接收方的确认。数据帧和命令帧的该位设置为1 ，则接收方的数据通过了 c r c 校验后，立即发送确认帧。 ( 5 ) 同一p a n 指示：设置为1 ，表示目标地址与源地址在同一网络中，不 需要源p a n 标识符。 ( 6 ) 源、目的地址模式：定义了地址类型。如图2 1 1 所示。在m a c 子层 中设备地址有两种格式：1 6 位( 两个字节) 的短地址和6 4 位( 8 个字节) 的扩 展地址。1 6 位短地址是设备与p a n 网络协调器关联时，由协调器分配的网内 局部地址；6 4 位扩展地址是全球唯一地址，在设备进入网络之前就分配好了。 1 6 位短地址只能保证在p a n 网络内部是唯一的，所以在使用1 6 位短地址通信 时需要结合1 6 位的p a n 网络标识符才有意义。 地址模式( b l b 0 )描述 0 0 无p a n 标识符和地址 0 1 保留 1 0 地址域包含的是1 6 位短地址 1 1 地址域包含的是6 4 位扩展地址 图2 1 1 地址类型定义 帧序列号 为帧指定了唯一的序列号，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，刁。能判断数据业务成功。 对于不同类型的帧，序列号代表的意义不同。信标帧的序列号表示b s n ， 即m a cp i b 参数m a c b s n 的值。其余数据帧，确认帧和m a c 命令帧的序列 号为d s n ，即m a cp i b 参数m a c d s n 的值。当一帧有效发送后，下一帧的序 列号则自动加1 。响应帧有点不同。响应帧的序列号直接复制接收到的数据帧 上海大学硕：l 学位论文 或命令帧的序列号。当要求响应的数据帧或命令帧在m a c a c k w a i t d u r a t i o n 时间 后仍未收到响应，重复发送帧的序列号为刚才使用过的序列号。 地址域 一共包含四个地址域：目的p a n 标识符( d e s t i n a t i o np a ni d e n t i f i e r ) 、目 的地址( d e s t i n a t i o na d d r e s s ) 、源p a n 标识符( s o u r c ep a ni d e n t i f i e r ) 、源地 址( s o u r c ea d d r e s s ) 。由于不同地址类型的地址信息的长度是不同的，且同一 网络可省略源p a n 标识符，故该部分长度是可变的。 净荷 净荷部分用来承载上层数据，也包含特定类型帧的相关信息。有一些帧的 帧体是空的，例如响应帧，这样可以用比较小的开销达到目的。 帧校验 m a c 帧的尾部，通常被称为帧校验序列( f c s ) 字段，它的长度为1 6 个 比特位。用于接收方判断陔数据包是否正确，从而决定是否采用a r q 进行差错 恢复。公式给出了1 6 位c r c 生成多项式的表达式：g 。( x ) = x “+ x ”+ x 5 + 1 。 这是一种功能很强的错误检测方法。 2 3 4 帧类型 信标帧 信标帧的负载数据单元由四部分组成：超帧描述字段、g t s 分配字段、待 转发数据目标地址字段和信标帧负载数据。如图2 1 2 所示。 g r s 分 待转发目 负荷 f c s 帧控制序列号地址域超燃 配域 标地址域 m h r8 d um f r 图2 1 2 信标帧结构 信标帧中超帧描述字段规定了这个超帧的持续时问，活跃部分持续时问 以及竞争访问时段持续时间等信息。 上海大学硕= 学位论文 g t s 分配字段将非竞争访问时段划分为若干个g t s ，并把每个g t s 具 体分配给了某个设备。 转发数据目标地址列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址。一个 设备如果发现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里，则意味着 协调器存有属于它的数据，所以它就会向协调器发出请求传送数据的 m a c 命令帧。 信标帧负载数据为上层协议提供数据传输接口。例如在使用安全机制的 时候，这个负载域将根据被通信设备设定的安全通信协议填入相应的信 息。通常情况下，这个字段可以忽略。 在信标不使能网络里，协调器在其他设备的请求下也会发送信标帧。此时 信标帧的功能是辅助协调器向设备传输数据，整个帧只有待转发数据目标地址 字段有意义。 数据帧 数据帧用来传输上层发到m a c 子层的数据。数据负载传送至m a c 子层时， 它的首尾被分别附加了m h r 头信息和m f r 尾信息后，就构成了m a c 数据帧。 如图2 1 3 所示。 帧控制 序列号地址域负荷 f c s m h rm s d um f r 图2 1 3 数据帧结构 确认帧 如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或m a c 命令帧，并且帧的控制 信息字段的确认请求位被置l ，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应 该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度应该为零。确认帧紧接着被确认帧 发送，不需要使用c s m a c a 机制竞争信道。确认帧结构如图2 1 4 所示。 上海大学顶- i _ - 学位论文 帧控制序列号 f c s m h rm f r 幽2 1 4 确认帧结构 命令帧 m a c 命令帧用于组建p a n 网络，传输同步数据等，只能在信标网络的c a p 时段和非信标网络的任意时段发送。命令帧在格式上和其他类型的帧没有太多 的区别，只是帧控制字段的帧类型位有所不同。如图2 1 5 所示。帧头的帧控制 字段的帧类型为0 1 1 b ( b 表示二进制数据) 表示这是一个命令帧。命令帧的具 体功能由帧的负载数据表示。负载数据是一个变长结构，所有命令帧负载的第 一个字节是命令类型字节，后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义。 帧控制序列号地址域命令类型命令负荷 f c s m h rm s d um f r 图2 1 5 命令i 喷结构 命令类型有如下几种，如表2 2 所示。全功能设备( f f d ) 能完成以下所 有命令的收发，简单功能设备( r f d ) 则只能完成部分命令的收或发，表中打 钩的即表示简单功能设备( r f d ) 可以实现的部分。 上海大学硕：i ：学位论文 表2 2 命令帧类型 r f d 命令帧 命令名称 标识 t x r x o x 0 1 关联请求( a s s o c i a t i o nr e q u e s t ) 、，f 0 x 0 2 关联响应( a s s o c i a t i o nr e s p o n s e ) f 0 x 0 3 解除关联( d i s a s s o c i a t i o nn o t i f i c a t i o n ) vv o x 0 4 数据请求( d a t ar e q u e s t ) 0 x 0 5 局域网身份冲突通知( p a ni dc o n f l i c tn o t i f i c a t i o n ) v 0 x 0 6 丧失同步性通知( o r p h a nn o t i f i c a t i o n ) 、。 0 x 0 7信标请求( b e a c o nr e q u e s t ) 0 x 0 8 协调器重新分配( c o o r d i n a t o rr e a l i g n m e n t ) 0 x 0 9 g t s 请求( g t sr e q u e s t ) o x o a o x 仟保留( r e s e r v e d ) ( 1 ) 关联请求帧：如果想连接到网络协调器或其他设备上，发送此帧。 ( 2 ) 关联响应帧：当网络协调器收到关联请求帧后，发送关联响应帧，告 诉其请求连接的结果。 ( 3 ) 解除关联帧：当网络协调器或关联设备想终止一个连接时发送此帧。 ( 4 ) 数据请求帧：向协调器发出数据请求命令。 ( 5 ) p a ni d 冲突帧：检测到个人局域网身份冲突后，设备向协调器发出 该命令。 ( 6 ) 丧失同步帧：己关联的设备与协调器丧失同步性后，向协调器发出此 帧。 ( 7 ) 信标请求帧：设备主动扫描过程中，发出此命令，找到个人工作空间 内所有的协调器。这对r f d 是可选的。 ( 8 ) 协调器重新排列帧：此命令由协调器发出，紧跟在收到设备的丧失同 步帧之后。或者个人局域网配最发生变化以后。 ( 9 ) g t s 请求命令帧：己关联的殴备向协调器请求分配一个新的g t s 或 者重新分配一个已存在的g t s 。只有有效短地址的设备爿能发送此命令。 上海大学顶二l ：学位论文 2 3 5 数据传输模式 l r w p a n 网络中存在着三种数据传输方式：终端设备传送数据到协调器、 协调器传出数据到终端设备、对等设备之间的数据传输。在星型网络中，仅有 前两种方式，而在对等网络中，三种方式均有可能。 1 数据传送到协调器 信标使能方式中，设备必须先接收协调器发出的信标帧达到同步，接着在 竞争访问阶段使用开槽( s l o t t e d ) c s m a c a 方式发送数据，或者在非竞争阶段 使用有保证时隙( g t s ) 传输数据。非信标使能方式中，设备直接利用无槽 c s m a c a 来传送数据。流程如图2 1 6 所示。 厂丽丽 几磊矿 | ( c o o r d i n a t o r ) fl ( n e t w o r kd e v i c e ) j 匕_ _ l _ j j 塑塑! 堕! ! 应答( a c k ) r - 葡砸f 一1 幽2 1 6 数据传送到协调器流程 2 数据从协调器传出 在信标使能方式中，数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的 设备来提取。协调器利用信标帧告诉设备有资料要传送，设备通过检查来自协 调器的信标帧，能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分组。如 果自己是协调器传送对象，则设备在竞争阶段使用开槽c s m a c a 发送m a c 数据请求命令。或者在非竞争阶段使用有保证时隙( g t s ) 传输数据。 在非信标使能方式中，终端设备采用无槽c s m a c a 传送m a c 数据请求 命令。若协调器有数据要传送，则也采用无槽c s m a c a 传送数据。流程图如 图2 1 7 所示。 上海大学硕士学位论文 图2 1 7 数据从协调器传出流程 3 对等设备之间的数据传输 对等网络中，任一设备可同其射频范围内的其他设备通信。准备通信的设 备要么定时接收，要么相互同步。前者简单使用无槽c s m a c a 传输数据，后 者需要采取一定措施确保同步。 2 3 6c s m a c a 机制 c s m a c a ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ) ，即载 波监听多址接入碰撞避免。此协议使用载波监听机制和避退策略来避免碰撞。 物理层提供c c a ( 信道空闲估计) 给m a c 层，作为确定信道状态信息的一个 因素。退避策略主要用来避免接入点间共享介质可能造成的碰撞。尤其是在介 质利用率较高的环境中，因为许多接入点都在等待介质空闲，介质一旦空闲， 大家就会试图在同一时刻进行数据发送。 c s m a c a 机制分为开槽( s l o t t e d ) 和无槽( u n s l o t t e d ) 两种。在信标使能 的网络中，p a n 网络协凋器定时广播信标帧。信标帧表示超帧的开始，p a n 网 络中的设备都通过协调器发送的信标帧进行同步。在c a p 阶段，设备之间通信 使用开槽的c s m a c a 信道访问机制，如图2 1 8 所示。每当设备需要发送数据 帧或命令帧时，它首先定位下一个时槽的边界，然后等待随机数目个时槽。等 待完毕后，设备丌始检测信道状态：如果信道忙，设备需要重新等待随机数目 上海大学硕士学位论文 个时槽，再检查信道状态，重复这个过程直到有空闲信道出现。在这种机制下 确认帧的发送不需要使用c s m a c a 机制，而是紧跟着接收帧发送回源设备。 图2 1 8 开槽c s m a c a 流程 上海大学硕士学位论文 上图中，n b 表示算法中退避的次数，用来限定可以尝试重发的退避次数， m a c m a x c s m a b a c k o f f s 为最大允许的退避次数。b e 为退避指数，也就是每次 退避所要进行的退避周期数。m a e m i n b e 与m a c m a x b e 常量是b e 的最大和最 小值。退避时间= 2 “一1 。c w 为竞争窗1 2 1 大小，即发送开始前退避策略确保信道 空闲的数目。该值在每次预备传送前初始化为2 ，当检测到信道忙后，重新置 为2 。 图2 1 9 无槽c s m a c a 流程 上海大学硕十学位论文 在信标不使能的通信网络中，p a n 网络协调器不发送信标帧，各个设备使 用无槽的c s m a c a 机制访问信道，如图2 1 9 所示。该机制的通信过程如下： 每当设备需要发送数据或者发送m a c 命令时，它首先等候一段随机退避时间 ( 可设置) ，然后开始检测信道状态：如果信道空闲，该设备立即开始发送数 据；如果信道忙，设备需要重复上面的等待一段随机时间和检测信道状态的过 程，直到能够发送数据。在设备接收到数据帧或命令帧而需要回应确认帧的时 候，确认帧应紧跟着接收帧发送，而不使用c s m a c a 机制竞争信道。 2 3 7 安全服务 为了提供灵活性和支持简单器件，8 0 2 1 5 4 在数据传输中提供了三级安全 性：无安全模式，a c l 模式和安全模式。网络中设备可以根据自身需要选择不 同的安全模式。 1 无安全模式 无安全模式是m a c 子层默认的安全模式。处于这种模式下的设备不对接 收到的帧进行了任何安全检查。当某个设备接收到一个帧时，只检查帧的目的 地址。如果目的地址是本设各地址或广播地址，这个帧就会转发给上层，否则 丢弃。对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护， 器件就可以选择这种方式来转移数据。 2 a c l 模式 该模式即访问控制列表模式，为通信提供了访问控制服务。高层可以通过 设置m a c 子层的a c l ( 接入控制清单) 条目指示m a c 子层根据源地址过滤 接收到的帧，来防止非法器件获取数据。这种方式下m a c 子层没有提供加密 保护，高层有必要采取其他机制来保证通信的安全。 3 安全模式 i e e e8 0 2 1 5 4 提供的安全服务是在应用层已经提供密钥的情况下的对称密 钥服务。密钥的管理和分配都由上层协议负责。这种机制提供的安全服务基于 这样一个假定：即密钥的产生、分配和存储都在安全方式下进行。安全模式对 上海大学硕二l 学位论文 接收或发送的帧提供全部的四种安全服务：访问控制、数据加密、帧完整性检 查和顺序更新。 访问控制提供的安全服务是确保一个设备只和它愿意通信的设备通信。在 这种方式下，设备需要维护一个列表，记录它希望与之通信的设备。 数据加密服务使用对称密钥来保护数据肪止第三方直接读取数据帧信息。 但它不能防止攻击者在通信双方交换密钥时通过窃听来截取对称密钥，因此可 阻采用公钥。在l r w p a n 网络中，信标帧、命令帧和数据帧的负载均可使用 加密服务。 帧完整性检查通过一个不可逆的单向算法对整个m a c 帧运算，生成一个 消息完整性代码，并将其附加在数据包的后面发送。接收方式用同样的过程列 m a c 帧进行运算，对比运算结果和发送端给出的结果是否一致，以此判断数据 帧是否被第三方修改。信标帧、数据帧和命令帧均可使用帧完整性检查保护。 顺序更新使用一个有序编号避免帧重发攻击。接收到一个数据帧后，新编 号要与摄后一个编号比较。如果新编号比最后一个编号新，则校验通过，编号 更新为最新的；反之，校验失败。这项服务可以保证收到的数据是最新的，但 不提供严格的与上一帧数据之间的时问间隔信息。 2 4 网络拓扑 虽然网络拓扑结构的形成过程属于网络层的功能，但i e e e8 0 2 1 5 4 为形成 各种网络拓扑结构提供了充分支持。这部分主要讨论i e e e8 0 2 1 5 4 对形成网络 拓扑结构提供的支持，并详细地描述了星型网络和点对点网络的形成过程” 。 2 4 1 星型网络 星型网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信，因 此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。 任何一个f f d 设备都有成为网络协调器的可能，一个网络如何确定自己的 网络协调器由上层协议决定。一种简单的策略是：一个f f d 设备在第一次被激 活后，首先广播查询网络协调器的请求，如果接收到回应说明网络巾已经存在 上海大学硕二仁学位论文 网络协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为了这个网络中的普通设备。 如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个f f d 设备就可以建立自己的网 络，并且成为这个网络的网络协调器。网络协凋器要为网络选择一个唯一的标 识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。 当然，这里还存在一些更深入的问题，一个是网络协调器过期问题，如原 有的网络协调器损坏或者能量耗尽；另一个是偶然因素造成多个网络协调器竞 争问题，如移动物体阻挡导致一个f f d 自己建立网络，当移动物体离开的时候， 网络中将出现多个协调器。这里不作研究。 收到设备请求接入网络命令，网络协调器判断是否允许其加入自己的网络。 若同意，为设备分配该网络一个地址，可以是该网络中独一无二的1 6 位短地址， 也可以是设备本身的6 4 位长地址。并将其信息记录到地址表中。具体的星型网 络组