（通信与信息系统专业论文）zigbee网络层构建及其核心机制研究.pdf

z i g b 网络层构建及其核心机制研究 摘要 信息时代的到来促使了通信技术的迅猛发展，各种无线通信技术更是成为了 人们争相研究的热点。各种技术在发展方向的定位上也变得更为理性，不再一味 地追求远距离，高速率等性能。因而造就了当前通信技术百花齐放的局面。人们 可以根据实际应用的特点，更为灵活的选择相适应的技术。 本文所要讨论的就是这些个性十足的短距离无线通信技术中的一个： z i g b e e 。z i g b 以低功耗，低成本、低速率等为特点。如果以传统的眼光来看， 这种技术似乎无优点可言。然而在自动化和智能化越来越被看重的今天，z i 曲 的独特之处使其成为了最炙手可热的无线通信技术之一。该技术将被广泛的应用 于家庭智能化、工业控制等众多领域。 从体系结构上看，自下至上z i 曲由物理层、媒质访问控制层、网络层、 应用支持层以及应用层构成。本文的工作将集中在网络层上。对网络层的研究工 作是十分有意义的。一方面，网络层承担着承上启下的作用。就规范定义的角度： 网络层由z i 曲联盟进行规范；其最下两层由i e e e 8 0 2 1 5 4 小组定义；而其最 上两层的规范则由最终用户决定。网络层能否很好的提供两者之间的衔接将直接 影响到z i 曲技术的使用。就通信技术本身：网络层将是通信子网与信息子网 的隔离者，它的优劣直接影响着通信及上层应用的质量。另一方面，在当前z i 曲e c 芯片及模块的生产都已经相对成熟的市场条件下，能否建立起一个好的网络就成 了这项技术的新课题，而组网的工作正是由网络层完成的。 本文在基于m e e 8 0 2 1 5 4 标准的物理层和媒质访问控制层软件的基础上， 完成了对z i g b 网络层的开发，最终形成了一个具有分布式管理功能的自组织、 自适应网络。本文的具体工作内容可以分为三个方面。第一，网络层软件平台的 搭建。在c 语言的环境中，汲取了面向对象编程语言的理念，将各功能进行模块 化封装，并采用队列的方式对功能模块进行管理。实际的工作包括了功能的模块 化、任务队列、时钟队列的建立、维护。本文所采用的任务队列管理方式，不仅 使得z i g b e e 网络体系结构的层次更为明晰；同时屏蔽了层次间信息的流动方向， 使得采用简单函数调用时存在软件结构混乱的情况得到了很好的解决。时间队列 的使用则减少了同时使用多个物理时钟造成的器件功耗，并且解决了时钟资源不 足的问题。第二，网络层功能的实现。包括数据的处理、网络发起、网络发现、 允许节点加入网络、节点加入网络、节点直接加入网络、节点离开网络、启用路 由、接收同步、信息库维护及器件重启等，共1 1 个方面功能的实现。该部分的 工作是为最终的网络互联以及数据的传递提供保障的。第三，网络路由机制的设 计与实现。包括网络拓扑结构的选定；网络地址分配机制的设计；网络路由协议 z i g b 网络层构建及其核心机制研究 的改进。本文网络地址的分配原则摒弃了传统无线网络地址分配的随意性，力求 使网络地址可以反映出一定的网络拓扑信息来，以最终实现对a o d v 协议的改 进。带有拓扑信息的网络地址使得在路由建立过程中，路由请求报文得以不以广 播的形式，而是一种更有目的性的方式进行传播，从而从系统的级别上降低功耗， 延长了网络的存活时间。对网络地址的分布式管理也使得在网络拓扑结构发生改 变时，节点可以以更高的效率对网络进行重构，使得网络的鲁棒性得到提高，信 息的安全性得到保障。 关键字：z i 曲，原语，任务队列，时钟队列，有向a o d v 协议，网络地址分 配，路由发现，路由维护 z i g b 网络层构建及其核心机制研究 a b s t r a c t t h ec ( 腻go ft l l ei i l f 0 肌a t i o nt i i i l 懿i i l s p i r 鼹也er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e 伽哪瑚砌c a t i o nt e c 缸1 0 l o 西骼，e s p e c i a l l yt 1 1 ed i 仃e r e n tk i n d so fw 砌e 鹦t e 幽l o 季鹤 h o w e v t t l ed e v e l o p m e n td i | 崩m o 璐o fa l lm 铭et cc ：h i l 0 1 0 百鹤a 他s 觚盯w c a p a d t i 懿s 沮鹪l o n gd i 鼬m c c 觚dh i g hs p e e da r en o t 坞o n l yg o a l s t h l 娼 t e d h l l o l o g i 懿w i t l ld i 任e r e n t 虹n d so fc ：h a 伯m e 璐t i l mo u ti no u r 缸鹤a n dp e o p l ea 阳 m o r ec 0 i l v e l l i e n tt 0c ：h o o s em e 如o s tp 哟p e fw i r e l e 鹳c o l 枷唧i n i 谢o nt ec ：t l i l o l o g y 如1 l o w 血gm e i ro w na p p l i 谢o n t h et e c i m o l o g ym i sp 印盯w o r k i i l go ni s0 n eo ft h 懿es h o n - 瑚i l g e 、i r e l e 鹞 c o m m l l i l i c a t i o nt i o c h o l o 西锱，w h i c hi s 觚lo fp e r s o n a l i t i 鹪1 ti sc a l l e dz i 曲，讲l i c h a i n l sa tl o wc 0 撒m m p t i o 玛l o wc 0 咄l o wm t ee t c t i l i s 锄：l sa w f l l lw i n l 位狙i t i o n a l s t a n d a r d h o w e v e r n o w a d 妁侣w i t l l0 u rc o n 痂1 u o u s l yc a l l i i l g f 0 rm l t i 哪a _ t i o n 觚d i n t e l l i g ，i ti sm 骼e w e a l ( p o m s t h a tm a k ez i 曲o 鹋o f 也eh o t t e s tw h l 嚣s t o c h n o l o 西i tc 锄b eu s e da ta l ll ( i n d so ff i e l d s 跚c h 鹪h o m e 锄e l l i g c c i n d 邯缸y a u t o m a t i o ne t c f mb o t t 哪t 0h e 砜p h y s i c a ll 乏l y m e d i u ma c c e s s 鹤c o i l t l ，n 咖o r kl a y a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y 盱趾da p p l i c a ：t i o nk i y e rf o m t 1 1 ez i g b a r c h i t e c t u r e a n d m ew o 出o ft 1 1 i sp 印e r 锄p h 弱i z e so nn 酣釉呔l 列、砌c hi so f 驰ti m p o r t 锄i n 0 n eh 咄n e 附o d ( 蛳i si i lt l l em i d d l e 锄da c t s 鹤ac 0 皿e “0 n z i g b a l l 哂觚 w o 凼n 咖。出l a y e r s t h e t 、o1 0 w c s tl a y e r s 躺d e f h l e db yi e e e 8 0 1 1 5 4g r o u p ， 锄dt l l et 、ol l i g h e s ta 佗d 懿i g i l e db yn l e 细m 洫a ll i s z i g b a l l e 百a n c ew o r k so n n e 附o r kl 2 l y e 硌s ow h e t h 嚣n e 附。出【惯百v 鹤a9 0 0 dc o 皿o c t i 1 j l r i nd i r t l y a 西c tm e 璐eo fm et e d m o l o g y m l a t sm o r c ，t a k em e 、，i e wo fc o m m 岫i c a t i o ni t s e l n e t 、) l ，o r kl ，a y 盯i sm eb o 蝴o fc 0 m 加砸谢o n 吼l b n e t 锄di 1 1 f 0 咖a t i o n 飘l b n e t t l 地 p 盯向加a n c eo f n 咖o r kl i l y 盱砸nb e 恤k e yd e m 即to f 也et 、) i r o 幽e t s i n 觚o n l 盯 h a n d l e 舯o d 删o fz i g b c ：i l i p sa n dm o d l l l 鹤a r cr e l a l i v e l y 哪蚯s 石咖c d w ， t 1 1 _ i l sw h e m e ra 舀) 0 dn 酣o r kc a nb e 铬t a ：b l i s h e db e c o m 伪m en 唧骼tt o p i co f 廿l e t o c h n 0 1 0 9 y t b 髓t a ：b l i s han 咖氐w en c e dm ew o r ko f n e t w o r kl i l l 阻 1 1 l i sp 印e r 丘i l i s h e dm e d e v e l o p m e n to f n e t 、) i r o r kl a y w l l i c hb 弱鹤0 nm ee x i s t i n g p h y s i c a la n dm e d i 啪a c c 铝sc o n _ 乜0 ll a y 贫f o l l o 、) i r i n gi e e e 8 0 2 15 4p r o t o c 0 1 a s e l 唱a i l i z 撕。玛s e l f 二a d 印t a t i o nn e 咐o r kw i md i s 缸i b u t e dm 锄a g 锄钮ti sf b m i e da t l a s t t h ew o r k i n gc o n t e n to ft h ep a p e rc 锄b ed i 们d c di i l t 0 廿1 i p a n s f i r s n y 鼯t a b l i s h v z i g b 网络层构建及其核心机制研究 t h es o n w a r c 既i v i r 0 姗饥t t h eu s e r 伍a l d l yc 0 d i n gi d e ai si m p o r t e di i l t 0 也ecc o d i n g e 删i r o m e n t t h eb 觞i cf i l i l 嘶o i l sa r e 吼c 印s u l a t e di i l t 0m o d u l 髓u i l i q u e l ya n dq u e i l 嚣 a r el l s e dt oo r d 盯l em o d u l 嚣t h ew o 出i n c l u d 器l e c a p s u l 撕o no f 劬嘶 m o d u l e s ，m e l d i i l g 强dm a i n t e n 锄c eo fm et 嬲k 锄d 缸e rq w m 髓，n l e1 l s i r l go ft 础 q u i m 鹤i i l l i sp 印e rm a k e m e 鼬m c t u r co fz i g b n 就m u c h d e a r e r ，弱w e l l 鹤l l i d i l l g t h ed i r a c t i o no ft l 璩i l l ：f 0 i m a t i o nn o w n l 潞吐1 ec o n n l s i o no f 脚a 坞c a u s c db y c a l l i l l gf l l n c t i o ni sw e l ls o l v e d t h eu s i l l go f 血n 嚣q u e u 骼r e d l l c 铺t i 坞c 0 衄m m 砸 w h 饥l l s i n gs e v e r a lp h y s i c a l 缸e 稻a t 也es 锄et i m e m 肿m l ei ta l m a k 鹤l el a c k o fp 岫i c a lt i m e 瑙n ol o n g 盯ap r o b l e m s e o o n d l 弘t l l er e a l i z a d o no f 球船。出f l l n c t i o i 坞， i n d u d i n gd e a l i i l gw i mt l l ed a 魄也c 如n n a t i o no f 也en e t w o r 王【 m ed i s c o v e 巧o fm e n e t 、7 i ，0 r k ，p c ：n i l i t t i i 玛j o i i l i i x 岛j o i i l i n g 吐l en e 腑o f k j o i n i i 培l en e 时o r kd i r e c t l 弘l e a _ v i l l g 也en 戗w o r k ，s 洲n gm u t e r 糟c e i v e rs y n 曲i l i z 撕o n ，m a i n t 蛐gt l l ei i l 向皿撕o n b a s e 赳l dr 舔e t t i r 培ad e v i c e t 1 1 i sp 矾o fw o 出i sp 1 1 e 1 7 a r i n g 向rt 1 1 e 董m a lc 0 舳e c t i o no f t h en e t 趾dm e 仃卸s m i s s i o no fm ed a t a l 弱tb u tn o tl e a 瓯m ed c s i g n 姐d 删i z a 廿o n o f l e u t 盯m e c h a i l i s m t h et o p 0 1 0 舀锚a r ec o m p 锄e da n d 曲【0 u s e d ；t h ea d d r 嚣s i l l g m e c h a m s mi sc a r e 觚l yd e s i 弘e d ；也ee x i s t i i l g u t e rp r o t o c o li si m l 坤v c d d i f l 研e n t 缸吼t l l e 仃a d i t i o n a lw a yt o 硒s i 盟m en e ta d d f e s s 诚c hi sa tw i l l ，m i sp a p c rt r i e dt o m a ：k et 1 1 en e ta d d r 懿sr e n o c ts o m ei i l f o m a t i o no ft l l et o p o l o g yi no r d e rt 0i m p r o v c 也e a o d vm 血g 廿l ee s t a b l i s l l n l e n to fn l e u t e ，n 吐a d d r e s sw 池t o p o l o g yi n f o 姗撕o n h d p st 0a _ v o i db r o a d c 硒t i n g l er o u t er e q u c 魁i i l s t e a d ，i tm a l ( 骼m e 位唧懿n i s s i o no fm e r e q l l c s tm o p l l r p l o s e l yw k c ：hr e d u c 鹤t l l ec 0 m m m p t i o ns ) ，s t a i l i c a l l y 觚de x t 饥d 也e l i f eo f l cw h o l en e t 1 1 坨d i s t r i b 砸0 nm 锄a g c i i l e n to fn e ta d d r e 豁a l s 0m a l ( 鹤也e n o d e sr e a 耽m o 坞q m c l ( 1 yw h e nm et 叩o l o g yi sc _ k m g e d t h u sm er o b u s to fm en e ti s i m p r o v e da n dn l es a f i e t yo fm ed a t ai sa 姗r e d k e yw o r d s ：z i g b ，p 曲n i 矗v 铝，t a s kq l 舢，t i i n 盯q u 哪e ，a o d v 谢md i c t i 吗 n 咖0 r ka d 由瞄s 勰s i g i l i i 培r o l 衄d i s c 0 v e r o u t 盯m a 砌 饥觚c c 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：。盔蛔垫 日期：迎壁望查：! ! 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作撇彻墨导师躲鬈 日期：卫巫：垒6 ，! !日期：2 1 1 盆： 多 第一章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 第一章绪论 随着信息时代的到来通信技术得到了快速发展，以改变人们的生活为己任的 无线通信技术更是不断的推陈出新。纵观目前发展已比较成熟的几大无线通信技 术，其设计目的大多是针对高速率应用的，协议的本身也较为复杂，从而造成了 高的资源耗费以及高成本的出现。随着工业自动化和家庭智能化的推进，对低成 本、低速率无线通信标准的需求变得越来越迫切【l 】。z i g b 正是顺应了这样的需 求而产生的，它弥补了短距离无线通信在此类应用中的不足。表1 1 为z i g b e e 与其它几种短距离无线通信技术的一些比较。 表1 1 几种短距离无线通信技术的比较1 2 j ( 3 j t a b l e1 1c 唧a i i s o no fs o r n es h o n 一胁g e 晰r e l 嘲1 k l l i l o l o g y 电量损耗5 0 u w 8 0 m w 2 3 0 m v _ 3 1 0 m v l p w 7 5 m w 5 2 3 m v 5 2 7 m v 传输速率1 m b p s5 4 m b p s1 0 - 2 5 0 k l ，l 搭5 3 3 4 8 0 m b p s 传输距离 1 0 ml o o m1 0 7 5 m1 0 i i l 从表中可以看出，z i g b 技术并不是其它短距离无线通信技术的终结者， 各种技术都有着自己的特点。在应用领域方面，它们有着交叉的部分但并没有大 面积的重叠。因此，这些技术之间并不存在优劣的问题，其各自参数的折衷造就 了它们自己的特点及在不同领域中的应用。 1 2z i g b e e 的发展及现状 协议制定方面，z i g b e e 标准的制定主要由m e e 8 0 2 1 5 4 小组和z i g b e e 联盟 共同完成。2 0 0 0 年1 2 月m e e 成立了8 0 2 1 5 4 小组负责制定低速率无线个域网 ( l r w p ：a n s ) 物理层及媒质访问控制层的相关规范，并于2 0 0 3 年5 月通过了 8 0 2 1 5 4 标准。z i g b e e 联盟则成立于2 0 0 2 年1 0 月，当时由h o n e e n 、m i t s u b i s l l i 、 第一章绪论 m o t o r o l a 、p l l i l i p s 以及i l l v 铋s y s 共同参与组建。联盟主要负责网络层规范的制定， 并肩负互通测试方面的工作。2 0 0 4 年1 2 月，联盟推出了基于m e e 8 0 2 1 5 4 协议 的z i g b e e1 o 标准。 研究机构方面，从z i g b 1 o 标准制定至今3 年多的时间内，联盟的成员数 迅速扩大。截止2 0 0 7 年9 月该联盟经已拥有了超过2 0 0 个遍布全球的联盟成员， 其中不乏t i ，m i c r 0 出p ，f r e 骼c a l e ，觚n e l 等知名公司。另外像加州大学伯克利 分校等高校也开展了一系列对z i g b 技术的应用研究。更有美国能源部，韩国 政府等非学术机构对z i g b e e 技术表示出了浓厚的兴趣。在我国，也已有不少人 在关注这一技术。一些企业，如华为等也已加入了z i g b 联盟，并开展了这方 面的研究工作。 市场方面，z i g b 联盟成员涵盖了半导体生产商、口服务提供商、消费类 电子厂商以及o e m 商等产业链的各个环节，为z i g b 的发展提供了良好的市 场环境。产业链中，z i g b 芯片是发展最为成熟的一环。在微控制器、射频收 发器组件部分，f r o 略c a l e 、t l 、a 血d 、m i c r o c l l i p 、s i l i c o ni 嗣v o 阳t o r i 鹤、c h i p c o n 、 e l n b e r 、c 0 m p x 、j 曲血c 、达盛电子等厂商都已经推出了相关的解决方案：在z i g b 模块部分，华宝通讯、赫立讯、m a ) 【s h e 锄、s l l i l l k o 、松下等厂商皆有相关的产 品。在芯片销售方面，据h 1 s t a t 的报告显示，全球z i g b 芯片市场在2 0 0 4 年至 2 0 0 9 年间将以2 0 0 的年复合增长率快速攀升，预计2 0 0 9 年时的出货量将达到 1 5 亿套。2 0 0 5 年z i g b 芯片的全球出货量仅为1 0 0 万片，而到了2 0 0 6 年仅t i 的全球出货量就超过2 0 0 万片【4 】。对于z i g b e e 技术来说，做芯片、模块的门槛 不高，在现在的市场格局下，能否把它做成多跳网络就显得十分关键。避开z i g b 产业本身的红火不谈，2 0 0 7 年3 月有一份名为2 0 0 6 - 2 0 0 7 年z i g b 产业研究 报告，共3 2 0 0 0 字，9 2 页的报告卖到了人民币6 5 0 0 7 5 0 0 元的高价，这也从一 个侧面显示了z i g b 技术炙手可热的程度。以下将从z i g b 的特点以及其应用 的领域来分析一下它之所以这么热的原因。 1 3 乃g b e e 的特点及其应用领域 从表1 1 中，已经依稀可以看出z i g b 的一些独特之处。总结起来讲z i g b 具有以下的这些特尉5 j ： 低速率：z i g b 的三个工作频段2 4 g h z 、9 1 5 m 比及8 6 8 瑚z 对应的速率分 别为2 5 0 k b p s 、4 0 k b p s 及2 0 k b p s 。 低功耗：z i g b 传输速率低，传输的资料量也少，所以信号的收发时间短。 其次z i g b e e 技术采用了毫秒级的休眠和唤醒技术，并且工作与休眠之间的转换 时间只有1 5 毫秒，设备的搜索时间也只有3 0 毫秒，使得z i g b 十分省电。使 2 第一章绪论 用两节5 号电池可维持一个节点弛4 月的工作。 0 低成本：一方面z i g b e e 使用i s m 的免费频段。另一方面，相对于其它标准， z i g b 协议需要的系统资源本来就较少，并且它采用了全功能器件和精简功能 器件相结合的机制使得硬件资源的成本进一步降低。 近距离：通信的范围为l 肛l o o 米( 指一跳节点的距离) 。 基于以上特点，z i g b 应用将工业控制【6 】、家庭自动化、遥测遥控、汽车自 动化，农业自动华以及医疗护理【7 】等要求低功耗、低成本，对数据速率以及q o s ( 服务质量) 要求不高的无线通信应用场合作为自己的目标市场f 8 】。其中尤以家 庭智能化方面的应用最具潜力。据估计每个家庭将需要1 5 0 个左右的z i g b 器 件网。这些z i g b 器件将担负起照明、空调、窗帘的自动控制；水、电、煤的 自动抄表；烟尘、有毒气体等的自动监测等。由于z i g b e e 技术的应用范围极其 广泛，这里就不再一一给出其在工业控制及自动化等领域的应用实例，而只给出 一个在家庭智能化应用方面的效果图： 当你下班回家，在你的手还未触到自己的家门时，门上的z i g b e e 器件已经 与你身上所携带的器件( 可以嵌在手机或手表等随身物件中) 已经对你的身份进 行了确认，为你自动打开门锁；在你进屋之后为你打开灯，按照你的喜好调整灯 光的亮度，同时播放你喜爱的音乐( 有多个人时，按优先级确定) ；当你打开电 视时，窗帘被自动拉上，灯光的强弱被调整；当有电话铃响起时，电视被禁音， 灯光再次亮起一切都将在z i g b 的掌控中变得有序而舒适。 z i g b 广泛的应用领域，以及从其诞生之初到现在的抢眼表现，使我们有理 由相信对它的研究无论从理论价值还是应用价值都是十分有意义的；对它的投入 必将获得丰厚的产出，并使对美好生活的憧憬成为真实。 1 4 论文的工作及章节的安排 本论文的研究是基于匝e e 8 0 2 1 5 4 标准进行的z i g b 网络层开发。课题来 源于z i g b 连盟成员之一的a t m d 公司。硬件方面，a 缸1 1 e 1 公司针对z i 星口市 场已经提出了微控制芯片加射频芯片的z i g b 解决方案。软件方面，公司已经 具备了符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的物理层及媒质访问控制层代码，但在网络层上 为空白。作为z i g b e e 联盟成员，公司参与了z i g b 1 o 标准，即网络层相关内 容的制定，因此有意向在网络层的开发上做出尝试。 本文的工作集中于z i g b e e 网络层的开发。软件架构上，在c 语言环境中引 入了面向对象编程的理念，将各种功能进行模块化封装。并采用了任务队列与时 间队列对网络层的各种任务进行管理，而非简单的函数之间的调用。任务队列的 使用，使得无论是网络体系结构还是软件层次结构都更为清晰。时钟队列机制的 3 第一章绪论 使用则有效降低了同时开启多个物理时钟所带来的功耗，同时也解决了时钟资源 不足的问题。网络层的功能可以被分成1 1 个基本的功能模块，这些功能是为网 络的互联及数据的传送服务的。本文实现了这1 1 个方面的基本功能，并且通过 任务队列对其进行管理，通过时钟队列为其提供定时等功能。基本功能之外，路 由是网络层的核心。本文尝试了一种新的网络地址分配方法，其核心思想是使网 络地址带有一定的网络拓扑信息。这种信息的意义在于，在路由建立的过程中， 使得路由请求的传递更具目的性，避免了频繁的广播造成的系统功耗，延长了整 个网络的生存周期。同时这种分布式的，可变地址掩码分配方式还具有调节网络 拓扑结构的功能，在网络拓扑结构发生改变时，为网络的重组提供了鲁棒性及安 全性的保障。 由于z i g b e e 涉及的内容较多，工作量较大，不可能进行一一介绍。因此在 进行基本知识介绍的过程中，本文只对与本文工作相关的内容作出了简要的说 明；而在介绍本文的工作内容时，则力求做到详尽。本文的章节安排如下： 第一章绪论。介绍了z i g b 产生的背景，其特点和应用领域。从协议、研究机 构以及市场表现等方面分析了z i g b e e 的发展历史以及应用前景。明确了 论文的工作范围及其意义。 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 介绍。介绍了本文网络层赖以生存的物理层及媒质访问控制 层的一些基本情况。包括z i g b 体系结构及原语的概念，物理层及媒质 访问控制层的基本参数，结构，及其为上层提供的服务等。该章主要是 为后面讲述网络层内容做必要的知识铺垫。 第三章z i g b e e 通信系统硬件结构。介绍了本文的硬件环境。包括对射频芯片、 控制芯片以及实验板的介绍。对与网络层构建密切相关的，控制芯片的 时钟功能，以及射频芯片电源监视功能作了详细的讲述。 第四章z i g b 网络层构建及其软件管理。首先介绍了z i g b 网络层标准，并给 出了各功能的构建流程图。随后阐述了本文赖以实现这些功能的软件组 织结构，包括任务队列、时钟队列的实现及其工作原理。该部分的工作 量较大，介绍时力求文字上的简洁，因此使用了大量的流程图。 第五章z i g b e e 网络层拓扑及路由研究。网络层核心部分，介绍了整套路由机制 的设计过程。包括了网络拓扑结构的选定，网络地址分配机制的设计， 对参考路由协议的分析，以及最终优化后路由的建立、维护、使用的过 程及细节。 第六章总结与展望。对本文的工作内容进行了总结，并指出了论文中可能存在 的一些问题，及可以继续研究的方向。 4 第二章l e e e 8 0 2 1 5 4 介绍 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 介绍 z i g b c e 体系结构符合b s i 的分层模型。其组成从下至上依次为物理层 ( p h y ) 、介质访问控制层( m a c ) 、网络层( n w k ) 、以及包含了应用支持( a p s ) 的应用层( a p l ) 【5 】。其中p h y 和m a c 的规范由正e e 8 0 2 1 5 4 定义。n w k 由 z i g b e e 联盟进行定义，当前协议版本为z i g b 1 0 规范。应用层则有最终的用 户进行定义，为各种应用提供不同的应用框架模型。由下层向上层提供服务是分 层结构模型的一个特点。本文的工作重点集中在处于中间层次的网络层，因此有 必要先对为其提供服务的物理层及介质访问控制层中相关的内容进行介绍。 2 1 原语的概念 z i g b e e 规范参照了o s i 开放模型采用分层的结构来简化和隔离各层的功能。 各种不同的任务在不同的层次上执行，上层通过下层提供的功能完成所要执行的 任务。因此对于一个特定的层来说要完成两方面的功能，向上层提供服务以及从 下层调用服务。这些上下层间的交互由服务原语来实现。 z i g b 规范使用了四种类型的原语，它们是请求原语( r e q u c s t ) ，指示原语 ( 砌髓t i o n ) ，响应原语( r 鼯p o i l s e ) 以及确认原语( c 0 珊呱1 ) 【9 j 。它们之间的关 系如图2 1 示。 图2 1 服务原语 f i g u 坞2 - ls e r v i p r i m i t j 懈 第二章l e e e 8 0 2 1 5 4 介绍 2 2 物理层1 哪 2 2 。1 物理层参数 m e e 8 0 2 1 5 4 规定了z i g b 可以采用i s m ( 工业，科学，医疗) 的三个频 段作为工作频段。各频段的不同参数见表2 一l 。 表2 1z i g b 各频段参数 1 a b l e2 - 1p a r 锄曲e 鹉o fz i g b sf r e q u c yb 锄d s 其中，欧洲地区使用8 6 8 m 频段，北美使用9 1 5 m 频段，2 4 g 频段为全球通 用频段。本论文使用2 4 g 全球频段，因此在接下来的介绍中主要以该频段为例 进行说明。 i e e e 8 0 2 1 5 4 规范定义了编号从o 到2 6 的共2 7 个物理信道( c h 锄n d ) ，这 些信道分布于不同的频段之上。每个物理信道之间存有一定的保护带宽，以减少 串扰。各信道的中心频率( f c ) 如下计算( k 为物理信道编号) ： f c = 8 6 8 3 k = 0 时： f c = 9 0 6 + 2o 【1 ) m h z k = l 1 0 时； f c = 2 4 0 5 + 5 1 1 ) z k = 1 1 2 6 时； 2 2 2 物理层任务及其结构 物理层主要完成收发器的激活和休眠；当前信道的能量检测( e d ) ；对收到 的数据包进行链路质量指示( l q i ) ：实现带冲突检测的载波侦听多路访问 ( c s m a c a ) 机制；信道频率选择及数据的发送和接收等功能。 为完成这些功能物理层向下提供了无线射频服务访问节点( i 心s a p ) 以使 用射频资源；为了使上层可以使用这些功能，向上开辟了物理层数据服务服务访 问节点( p d s a p ) 及物理层管理实体服务服务访问节点( p l m e s a p ) 分别提 供数据服务及管理服务。另外，物理层管理实体还要对物理层个域网信息库( p h y p m ) 进行维护。物理层的结构如图2 2 示。 6 第二章l e e e 8 0 2 15 4 介绍 图2 - 2 物理层结构模型 f i g l 】2 2 血ep r y m 0 d e l 其中物理层基本信息( p 毋) 包括当前信道( p h y q l 盯锄渤觚i l e l ) ，2 7 个有 效信道可使用状态( p h ) ，c h a n n e l s s u p p o r t e d ) ，发送能量大小( p h y l r a n s m 冲o w e r ) 及信道检测模式( p h y c c a m o d e ) 等信息。 2 2 3 物理层原语 物理层原语包括数据服务原语( 1 组) 及管理服务原语( 5 组) 两类。由于 物理层并非本文工作重点，这里只列出物理层各原语并简单阐述其功能，而对具 体的参数及工作过程不再展开。物理层原语如表2 2 示。 表2 - 2 物理层原语 r a b l e2 2p 缸i t i v e so fp h y 表中。刀表示本功能组应具备的原语类型。 能量检测( e d ) 是上层进行信道选择过程中的一个重要环节，是为了对网 络进行管理而提供的一种对信道的测量。它只对接收到的信号功率进行评估，而 不对信号本身进行鉴别、译码等。能量检测的结果为0 ) 【0 0 到o x f f 的一个值。 o 】【0 0 代表接收功率小于接收机灵敏度，值越大表示检测到的信道能量越强。能 量检测的结果通过p l m e e d c 0 硼由m 向介质访问控制层报告。 清除信道评估( c c a ) 用以决定信道忙闲状态，可以通过以下三种方式进行： 阀值能量法：当c c a 检测到一个超出能量检测的阀值能量时，给出一个信道 7 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 介绍 忙的信息； 载波判断法：当c c a 检测到一个具有i e e e 8 0 2 1 5 4 标准特性的扩展调制信号 时，给出一个信道忙的信息； 0 带有超出阀值能量的载波判断法：当c c a 监测到一个具有e e 8 0 2 1 5 4 标准 特性，并且超出阀值能量的扩展调制信号时，给出一个信道忙的信息。 至于采用何种方式对信道进行评估由p u 腥- c c a 嘲u e s t 的相关参数设定，评估 的结果则由p u e c c a c o n f i i m 返回介质访问控制层。 另外一个重要的参数是链路质量指示( l q i ) ，用于表示接收的数据包强度 和品质特征。在每次接收数据包时，接收器都会进行链路品质信息的测量，结果 分布于o 】【o o 到o f 之间。o ) 【0 0 和0 】【f f 分别对应于可被接收机接收信号的最 小值和最大值。链路品质信息将由p d d 朋隗砌c 撕o n 向介质访问控制层报告。 2 2 42 4 g 频段扩频调制 所有需要经由物理层发送的信息首先会被组成物理层帧的形式，再经过扩频 调制等处理后经由射频器件发送。接收信息时则采用相反的步骤。物理层帧的形 式如图2 3 示。 4 字节l 字节1 字节可变长度 帧长度保留物理层 前导码帧定界符 ( 7 比特)( 1 比特) 服务数据单元 同步头物理层帧头物理层负荷 图2 3 物理层帧结构 f i g l l 他2 0r 锄踟l c l l 糟o f p h y 在2 4 g 频段，z i g b 物理层采用1 6 相位准正交调制技术( 0 - q p s k ) 。在进 行调制前，先要将数据信号进行转换处理，包括比特到符号的转换以及符号到码 片的转换，如图2 _ 4 示。 来自p p d u 的 二进制数据 比特符号 转换符嚣片h 叩p s k 调制转换il 。、( 。1 、” 经调制的信号 图2 4 扩频调制过程 f i g i 鹋2 3m o d u i a t i 龃ds p 础g 比特到符号的转换是将二进制数据转换成符号数据的过程。每个字节按4 比 特进行分解，将低4 位( b o b l b 2 b 3 ) 转换成一个符号数据，将高4 位( b 4 b 5 b 6 b 7 ) 转换成另一个符号数据。每个字节都是先处理低4 位，随后处理高4 位。从前同 第二章i e e e 8 0 2 15 4 介绍 步码开始到最后一个字节都要进行这样的处理。符号到码片的转换是一个扩频的 过程，即将一个符号数据映射成3 2 位的伪随机序列( p n 序列) 。扩展后的码元 通过采用半正弦脉冲形式的o q p s k 调制方法，将符号数据信号调制到载波信 号上。其中，编码为偶数的码元调制到i 相位的载波上，编码为奇数的码元调制 到q 相位的载波上。为了使i 相位和q 相位的码元调制存在偏移，q 相位的码 元相对于i 相位的码元要延迟t c 秒发送，其中t c 是码元速率的倒数。 2 3 介质访问控制层1 0 l 2 3 1 介质访问控制层功能及结构 介质访问控制层( m a c ) 主要完成协调器信标的产生；与信标的同步；支持 个域网( p a n ) 链路的建立和断开；支持器件安全性；引入带冲突检测的载波侦 听多路访问机制( c s m a c a ) 实现信道接入；处理和维护保护时隙；在两个对 等撇c 实体间提供可靠连接等功能。 同物理层相同介质访问控制层也通过与上下层的接口完成服务的提供与调 用。向下介质访问控制层通过物理层数据服务访问节点( p d s a p ) 调用数据服 务，通过物理层管理实体服务访问节点( p l m e d a p ) 调用管理服务；向上通过 介质访问控制层公共部分子层服务访问节点( m c p s s a p ) 向网络层提供数据服 务，通过介质访问控制层管理实体服务访问节点( m l m e s a p ) 向网络层提供 管理服务。另外m a c 层管理实体也要负责维护介质访问控制层的个域网信息库 ( m a cp m ) 。图2 5 给出了介质访问控制层的结构和接口信息。 m a c 层数据 服务访问节点 m a c 层 公共部分子层 物理层数据 服务访问节点 m a c 层管理 服务访问节点 m a c 层 管理实体 物理层管理 服务访问节点 图2 5 介质访问控制层模型 f i g u r c 2 5n l e m a cm o d e l m a c 层信息库( 心p i b ) 所要所要维护的部分重要的个域网信息如表2 3 示，它们均以m a 伊开始。 9 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 介绍 表2 3 部分心层p m 信息 1 a b l e2 3s o m ei i l f o 衄a t i o no fm a cp m i e e e 8 0 2 1 5 4 协议中，有两种类型的地址。一类是6 4 位扩展地址，是在器 件出厂时就已固化的全球唯一地址。另一类是1 6 位短地址，该类地址是器件加 入个域网时由协调器分配的，协调器的短地址是在组建网络时自己分配的，一般 取o ) 【0 0 0 0 。器件未加入网络时使用6 4 位扩展地址进行交互，加入网络之后为减 少收发功耗，使用1 6 位短地址进行通信。后面将会讲到，z i g b 1 0 标准中的网 络地址应该与此处所讲的1 6 位短地址是一致的。 器件需要保留所处个域网，网络协调器的扩展地址和短地址，自身的短地址， 以完成连接、通信及断开连接等功能。p a n i d 用于标示不同的个域网。d s n 号 用于标示不同的数据和命令帧。在需要确认帧的时，用来使确认帧和数据帧或命 令帧相匹配。 在使用信标的网络中，由m a c b 既c o n o r d e r 和m a c s l 神加e c 网船来共同定 义超帧持续的时长，以及该超帧中的活动与非活动时间的分配。在信标网络中它 们的取值范围为0 到1 4 ，当其中任一个值为1 5 时均表示该网络为非信标网络， 并且m a ；c s u