（通信与信息系统专业论文）6lowpan节能机制的研究与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 基于i e e e 8 0 2 ，1 5 4 的低速无线个域网是一种结构简单、成本低廉、配置灵活、 功能多样的无线通信网络，将v 6 与低速无线个域网结合，构建6 l o w p a n 成为 无线个域网技术领域研究的重点之一，具有重要的学术意义和应用价值。 6 l o w p a n 中的节点一般采用电池供电，长期工作在无人关注的状态下，因此，有 效的节能机制是6 l o w p a n 必不可少的研究内容。 本论文是国家自然科学基金项目“可信传感器网络路由交换理论与关键技术” 的重要组成部分。 论文首先阐述了6 l o w p a n 的研究背景和国内外研究现状，在深入分析 6 l o w p a n 系统的基础上，重点研究了6 l o w p a n 的能量控制技术。针对6 l o w p a n 节能机制的需求，充分考虑了网络大规模、低功耗、低速率等特点，对软件协议 栈进行了节能系统的整体设计，提出了包括网络接口层、适配层、路由层和网络 层在内的跨层节能策略，并根据不同节点在网络中的作用，设计了跨层节能系统 的具体执行流程。 考虑到休眠机制是减少能量消耗的重要手段，论文重点分析了i e e e 8 0 2 1 5 4 在信标使能模式下提供的超帧结构，通过对超帧结构进行改进，提出并设计适用 于分簇网络的m a c 层分级式休眠方案，针对不同节点在网络中的角色，设计不同 的超帧结构，并通过网络协调者完成整体的休眠调度。通过具体编码实现、运行、 测试，并对测试数据进行分析与评估，验证了方案的可行性和有效性。最后，对 论文所做工作进行总结，并对下一步工作提出展望。 关键词：i p v 6 ：i e e e 8 0 2 1 5 4 ；i p v 6 低功耗无线个域网；节能机制 分类号：t n 9 1 5 9 ；t p 2 1 2 9 a b s l l 巩c t a b s t r a c t b a s e do ni e e e 8 0 2 1 5 4 ，t h el o w - r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r ki sas i m p l y s t r u c t u r e d , l o w - c o s t ，e a s y c o n f i g u r e da n dm u l t i f u n c t i o n a l w i r e l e s sn e t w o r k t h e c o n s t r u c t i o no f6 l o w p a nb yi n t e g r a t i n gi p v 6w i t hl o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ，w h i c hh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e si ns c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，h a sb e c o m et h e h i g h l i g h to ft h ew i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r kf i e l d a ne f f e c t i v ep o w e r - s a v i n g m e c h a n i s mi sc r i t i c a lf o r6 l o w p a n ，s i n c et h en o d e s , q r eo f t e nb a t t e r ys u p p l i e da n d u n m a n n e do p e r a t e df o ral o n gt e r m t h i sp a p e ri sa l li m p o r t a n tp a r to f n a t u r a ls c i e n c ef u n dp r o j e c t - - r o u t i n gt h e o r y a n dk e yt e c h n o l o g i e so f r e l i a b l es e n s o rn e t w o r k s t h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e re x p r e s s e st h eb a c k g r o u n da n ds t a t u si nq u oo f 6 l o w p a n o nt h eb a s eo ft h o r o u 曲a n a l y s e so f6 l o w p a n ，t h i ss e c o n dp a r to ft h e p a p e rf o c u s e so np o w e rc o n t r o lt e c h n o l o g y c o n s i d e r i n gt h en e t w o r k sp r o p e r t ys u c ha s l a r g es c a l e ，l o w - p o w e ra n dl o w - r o t e ，ap o w e r - s a v i n gs o f t w a r ep r o t o c o ls t a c ki sd e s i g n e d o nd e m a n d t h i sp r o t o c o ls t a c kp r o p o s e sam u l t i - l a y e rp o w e r - s a v i n gm e c h a n i s mf o r n e t w o r ki n t e r f a c el a y e r , a d a p t i v el a y e r , r o u t i n gl a y e ra n dn e t w o r kl a y e r t h es p e c i f i c e x e c u t i o nf l o wo ft h em u l t i l a y e rp o w e r - s a v i n gs y s t e mi sa l s od e s i g n e df o rn o d e so f d i f f e r e n tf u n c t i o ni nt h en e t w o r k c o n s i d e r i n gt h es l e e p i n gm e c h a n i s mi sa ne f f e c t i v ew a yt or e d u c ee n e r g yc o s t ，t h e f o l l o w i n gp a r to ft h i sp a p e ra l s oa n a l y s i st h es u p e r f r a r n es t r u c t u r eo fi e e e 8 0 2 1 5 4 u n d e rt h eb e a c o n e n a b l e dm o d e b a s e do nt h ei m p r o v e m e n tt h es u p e r f r a m es t r u c t u r e ，a s l e e p i n gm e c h a n i s mo ft h em a c l a y e ri sp r o p o s e df o rc l u s t e r i n gn e t w o r k d i f f e r e n t s u l ) e 向m es t r u c t u r e sa r ed e s i g n e df o rd i f f e r e n tn o d e sa c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n si nt h e n e t w o r k , a n dt h eo v e r a l ls l e e p i n gs c h e d u l i n gt a s ki sa c c o m p l i s h e db yt h en e t w o r k c o o r d i n a t o r a l s ot h ef e a s i b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f t h i sd e s i g n e dm e c h a n i s ma r ev a l i d a t e d b ye n c o d i n g , t e s t i n g ，a n da n a l y z i n go fe x p e r i m e n td a t a t h el a s tp a r to ft h i sp a p e r p r e s e n t st h ec o n c l u s i o na n df u t u r ew o r k k e y w o r d s ：i p v 6 ；i e e e 8 0 2 1 5 4 ；6 l o w p a n ；p o w e r - s a v i n gm e c h a n i s m c l a s s n o ：t n 9 1 5 9 ：t p 2 1 2 9 致谢 作为研究生学习和科研工作的总结，这篇论文凝结着我多年求学的思索和努 力，同样也蕴涵着我的老师、亲人、同学和朋友的支持与帮助。 本论文的工作是在我的导师陈山枝教授的悉心指导下完成的，陈山枝教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 陈山枝老师对我的关心和指导。 张宏科教授和张思东教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和 生活上都给予了我很大的关心和帮助，使我不仅具有了求实的科学精神，也学到 了许多做人的道理。在此向张宏科老师和张思东老师表示衷心的感谢。 秦雅娟老师、郜帅老师、周华春老师以及刘颖老师对于我的科研工作和论文 都提出了许多的宝贵意见，使我顺利的完成了工作任务，这些指导和帮助使我获 益匪浅，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，王志克硕士、刘小刚硕士、牛延超博士，张 洪远硕士、黄琼硕士、吴德伦硕士、王利国硕士、霍宏伟博士、郭培硕士、梁玉 芬硕士、刘晨曦硕士、许广红硕士、徐晓羽硕士等同学对我的研究工作给予了热 情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业我的每一点进步都凝聚着他们无私的关爱与支持，是他们给了我不断前 进的动力，在此表示深深的谢意! 我知道今天的一切来之不易，我的每一点成绩都凝结着老师、同学、家人和 朋友们对我的支持与期望，在未来的学习与工作中，我会不断提高自己，使自己 成为一个优秀的人才。为祖国的繁荣和社会的发展贡献自己的一份力量，不辜负 大家对我期望。 最后衷心祝愿老师和同学们身体健康、工作顺利、万事如意! 祝愿我的家人 和朋友们平安幸福! 结论 1 绪论 本章简单介绍i p v 6 低功耗无线个域网( i p v 6o v e rl o wp o w e rw i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k ，6 l o w p a n ) 协议和节能机制研究背景、国内外现状及选题意义， 并概括了论文的主要工作和组织结构。 1 1 研究背景 近些年，随着计算机网络技术、无线通信技术和微电子技术的发展，无线个 域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 的研究逐步兴起。w p a n 网络为 近距离的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起， 使它们可以互相通信甚至接入局域网或因特网。 1 9 9 8 年3 月，i e e e 标准化协会正式批准成立了正e e 8 0 2 1 5 工作组，致力于 w p a n 网络物理层( p h y ) 和介质访问控制层( m a c ) 的标准化工作。基于对应 用市场的准确定位，2 0 0 3 年7 月i e e e 推出了i e e e 8 0 2 1 5 4 1 1 i 技术标准，专注于低 速率极低功耗的短距离无线连接，最高速率仅为2 5 0 k b p s ，电池寿命长达6 个月到 2 年。与i e e e 8 ( y 2 1 5 4 相比，蓝牙不问断通信，几个小时便把电池电力耗尽。 i e e e 8 0 2 1 5 4 规定了物理层和m a c 子层规范，是一种经济高效、近距离、低 复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的无线网络技术。其主要应用领域包括工 业控制、消费性电子设备、汽车自动化、数字家庭，农业自动化和医用设备控制 等。 i e e e 8 0 2 1 5 4 可以应用于无线家庭刚络。无线家庭网络是指在家庭范围内通过 先进的无线网络技术将电脑、家电、安全设备、照明设备、娱乐设施和医疗监护 系统等互连，实现数据共享和管理并以广域网为接口与外界交互信息的一种新兴 的无线网络系统。无线网络可以很好地满足用户对家庭网络的灵活性、可靠性以 及便捷性等需求，不但解决了安装有线系统所需的高成本和不方便等问题，而且 消费者还能够通过无线网络方便快捷地管理家务、监测家居环境和遥控家用电器 等，因此家庭无线网络平台具有广阔的应用前景。 i e e e 8 0 2 1 5 4 还可以用于无线传感器网络。无线传感器网络由大量低功耗、低 速率、低成本、高密度的微型节点组成，节点通过白组织、自愈合的方式组成网 络。利用无线传感器网络可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用，无线传 感器网络可以部署在家庭、医院、军事、环境监测及工业控制领域，利用各种各 样的传感器去测量温度、湿度、噪声和压力等信号，从而提高人们现有的生活质 北京交通大学硕= f = 论文 量和生产效率。无线传感器网络将i n t e r n e t 从虚拟世界延伸l 物理世界，从而将逻 辑r 的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变人与自然交互的方式，满足人 们对“无处不在”的网络的需求。 同时随着i n t e r a c t 技术在全球范围内的飞速发展和广泛使用，口网络作为一种 最有前途的网络技术，已经引起了普遍关注。原有的已发展2 0 多年的i p v 4 协议 由于先天的缺陷( 地址空间不足、路由选择效率不商、安全性差、服务质量不高 以及缺乏对移动的有效支持等) ，已经不能从根本上适应网络发展的需要。在这样 的背景下，i p v 6 应运而生，其具有如下优势3 l ： 1 ) 提供1 2 8 位的i p 地址，几乎是无限的地址空间 2 ) 灵活的地址结构组织方式，不再使用类的概念而使用无类别域问路由 3 ) 全新的地址分配方案，以减少路由器上的路由表的大小 4 ) 分层次寻址，具有全球单播寻址和链路本地寻址等多种寻址方式 5 支持地址自动配置，具有即插即用的优点 d 增强支持i p s e e 7 ) 对实时业务的支持，i p v 6 协议中的流机制可保证路由器识别端到端的分组 流 由于i p v 6 的优越性，从i p v 4 到i p v 6 的演变将成为必然趋势。妒v 6 已经从基 础研究进入大规模商用网络建设阶段：日本和欧洲已经相继建成i p v 6 商用网；美 国国防却宣布在2 0 0 8 年静将军方网络升缴到1 1 6 ；中国正在政府的推动下进行骨 干网络的升级。中国在2 0 0 5 年投资1 4 亿元，构建连接中国各主要城市的i p v 6 商 用骨干网，2 0 0 6 年正式开始i p v 6 商用服务，将形成全球最大规模的i p v 6 商用网。 由于i p v 6 技术逐渐成熟，将l p v 6 应用到1 e e e 8 0 2 1 5 4 低速无线个域网将是 一个很重要的研究方向，同时，随着传感器网络技术的深入发展，基于6 l o w p a n 的传感器网络将是传感器网络的重要发展方向。为此，本项目受到国家自然科学 基金项目“可信传感器网络路由交换理论与关键技术”的资助，重点研究以i e e e 8 0 2 1 5 4 作为物理层和介质访问控制层标准的传感器网络技术。本论文是该项目的 重要成果之一，主要研究6 l o w p a n 的节能管理问题，对网络协议栈节能机制进 行规划，完成跨层节能系统的整体设计，并重点针对m a c 层节能机制进行了设计 与实现。 1 2 国内外研究现状 2 0 0 0 年1 2 月，i e e e 成立了8 0 2 1 5 a 工作小组，旨在定义一个短距离、低复 2 绪论 杂度、低功耗、低数据速率的介质访问控制层和物理层规范，2 0 0 3 年，通过了第 一版1 e e e8 0 2 1 5 4 标准。该标准的技术特点决定了它特别适合传感器网络、智能 家庭网络、工业控制网络等节点众多、数据率较低的虚用环境。2 0 0 2 年1 0 月，由 h o n e y w e l l 、m o t o r o l a 、p h i l i p s 等多家国际公司成立了z i g b e e 商业联盟，该联盟以 i e e e8 0 2 1 5 4 作为无线技术标准，负责制定网络层、传输层及应用层规范。2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e 联盟通过了第一个正式标准，该标准制定了链路层以上的协议， 为i e e e8 0 2 1 5 4 提供了软件支持h i 。但是，z i g b e e 只考虑了网内节点的正常通信 协议，而没有考虑网内节点与互联网的互连互通。 考虑到低速无线个域网的市场前景，为了实现其与互联网的互连互通，i e t f 于2 0 0 4 年1 1 月正式成立了6 l o w p a n 工作组，着手制定基于i p v 6 的低速无线个 域网标准，旨在将i p v 6 引入以i e e e8 0 2 1 5 4 作为底层标准的无线个域网中。目前 此工作组正处于草案征集阶段，许多组织和个人已经提交了有价值草案。但由于 6 l o w p a n 足一个新兴网络技术，并没有多少公司投入大量的精力进行产品研发， 大多数只是理论研究，因此这些草案在技术细节和可实现性方面存在不少缺陷。 目前国内对低速无线个域网的研究主要集中在i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e 上，只有 少数科研单位和公司敏锐意识到i p v 6 无线个域网的巨大发展潜力。美国赫立讯科 技公司于2 0 0 4 年5 与北京交通大学下一代互联网研究中心成立了联合实验室，开 始启动基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的i p v 6 技术的研究，目前已经推出了i p v 6r e a d y 的 i p l i n k l 2 0 0 产品模块，领先业界3 到6 个月。 北京交通大学下一代互联网研究中心从2 0 0 3 年就开始紧密跟踪和研究i p v 6 无线传感器网络方面的最新技术。2 0 0 5 年1 2 月2 7 日，由北京交通大学下一代互 联网研究中心研制的我国首套具有完全自主知识产权的新一代传感器网络核心设 备b j t u i p v 6 微型传感路由器，在京通过教育部组织的科技成果鉴定。专家鉴定委 员会认为，该项目在i p v 6 传感器网络技术的核心领域，研制成具有自主知识产权 的i p v 6 微型传感路由器。达到国际先进水平。此微型传感路由器即是采用了基于 i e e e 8 0 2 1 5 4 的i p v 6 技术。 1 3 选题意义 与一般的计算机网络不同，6 l o w p a n 中的节点一般基于电池供电，而目前的 技术水平下电池容量难以有大幅度提高，并且在许多应用中，更换电池是不现实 的，因此通过节能机制尽量减少节点的能量消耗，可有效延长节点的工作时间和 网络的整体寿命。根据网络的特点，设计新的协议、算法和节能策略来减少网络 北京交通大学硕十论文 的能耗是当前6 l o w p a n 最重要的研究内容之一，其中休眠机制是减少能量消耗 的重要手段。 休眠机制的主要思想是当节点周围没有感兴趣的事件发生时，计算与通信模 块处于空闲状态，把这些组件关掉或调到休眠状态，该机制对于延长节点的生存 周期非常重要1 5 i 。i e e e 8 0 2 1 5 4 标准在信标使能模式下提供了对休眠机制的支持， 其规定允许网络协调者以超帧为周期组织网络内设备间的通信，但并没有提供相 应的解决方案，目前学术界也没有基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的休眠机制解决方案出 台。因此，根据i e e e 8 0 2 1 5 4 提供的超帧结构，实现整个网络的休眠机制就成为 亟待解决的问题，也是一个关系到6 l o w p a n 能否真正走向实用的关键问题。 本论文针对6 l o w p a n 整体的节能机制和m a c 层节能机制进行了深入探讨， 给出了一套切实可行的解决方案，这对6 l o w p a n 的发展和实施具有一定的指导 意义。 l 。4 主要工作及论文结构 本论文在深入分析6 l o w p a n 节能关键技术的基础上，对软件协议栈进行了 节能机制的整体规划，设计了跨层的节能系统，同时创造性地提出了m a c 层的分 级式休眠机制，并对其进行具体的编码实现，通过在实验环境中运行和测试，验 证了方案的可行性与有效性。所做工作主要包括： 1 ) 研究i e e e8 0 2 1 5 4 的基本理论，分析其介质访问控制层和物理层的基本 规范，并对介质访问控制层提供的超帧结构进行重点分析。 2 ) 研究6 l o w p a n 的能量控制关键技术，并提出6 l o w p a n 节能机制的整体 设计方案，设计跨层节能系统。 3 ) 针对i e e e 8 0 2 1 5 4 提供的超帧结构，提出适用于分簇网络结构的m a c 层 节能机制。 4 ) 对提出的m a c 层节能机制进行实现与验证。 5 ) 对m a c 层休眠机制的节能效果进行测试与性能评估。 6 ) 分析当前工作的不完善之处，为下一步工作指出方向。 论文的主要结构为： 第一章：绪论，综述研究背景、国内外研究现状和选题意义，列出了论文主 要贡献和组织结构。 第二章：6 l o w p a n 技术研究，对i e e e 8 0 2 1 5 4 规范进行了简要分析，指出了 6 l o w p a n 研究重点和难点。 4 绪论 第三章：6 l o ，p a n 节能机制研究与设计，对6 l o w p a n 节点进行模块化能耗 分析、整体化节能方法分析，对节能机制进行整体设计，提出了网 络节能系统的设计思想、设计方案和执行流程。 第四章：m a c 层节能机制设计与实现，针对i e e e s 0 2 1 5 4 的m a c 层节能机 制进行了研究，分析了休眠机制的困难和挑战，提出了一种相对完 善的分级式休眠方案，并通过具体实现验证其可行性。 第五章：实验与性能分析，通过具体的实验及测试，验证了通过m a c 层休眠 机制进行节能处理的有效性。 第六章：结论，总结本论文所做的工作，针对现有方案的不完善之处，提出 了对下一步工作的展望。 北京交通人学硕+ 论文 26 l o w p a n 技术研究 本章对i e e e 8 0 2 1 5 4 规范进行了简要分析，指出了6 l o w p a n 的技术优势和 关键技术。 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 原理分析 2 1 1 基本描述 i e e e8 0 2 1 5 4 工作组成立于2 0 0 0 年1 2 月，其致力于定义一种低成本的、便 携的、适用于固定或移动设备的无线网络接入技术。2 0 0 3 年，该组织发布了第一 版标准，定义了低复杂度、低功耗、低成本的无线m a c 和p h y 标准，体系结构 如图2 1 所示。 图2 1l r - w p a n 体系结构 f i g 2 一jl r w p a nd e v i c ea r c h i t e c t u r e i e e e8 0 2 1 5 4 定义的是p h y 和m a c 层，如图2 1 所示。p h y 子层包含射频 ( r f ) 模块和物理层控制机制；m a c 子层提供物理信道的访问控制方式及帧的封 装。在m a c 子层上面，提供与上层的接口，可以直接与网络层连接，或者通过中 间子层s s c s & l l c 实现连接。 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了两个物理层标准，分别是2 4g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m i - i z 物理层。两个物理层都基于直接序列扩频( d s s s ) ，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。2 4g h z 频段为 6 6 l o w p a n 技术研究 全球统一的无须申请的i s m 频段，采用的是o q p s k 调制，8 6 8m h z 是欧洲的i s m 频段，9 1 5m h z 是美国的i s m 频段，这两个频段采用b p s k 调制。标准定义三个 频段共分配2 7 个信道，其中8 6 8 m h z 分配一个信道，9 1 5 m h z 分配l o 个信道， 2 4 g h z 分配了1 6 个信道。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的主要特征有i 6 l ： 1 ) 低速率：数据传输率低，对于2 4 g h z 、8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 三个频段，分 别对应2 5 0k b s 、2 0k b s 和4 0 k b s 三种速率。 2 ) 低功耗：在低耗电待机模式下可使用2 节5 号干电池驱动6 个月以上。 3 ) 低成本：一般采用硬件资源非常有限的嵌入式设备或者更小的特殊设备。 4 ) 短距离：设备信号覆盖范围有限，一般为1 0 m - 1 0 0 m 。 5 ) 低复杂度：比现有的标准低。 6 ) 短帧长：最大帧长度为1 2 7 字节。 7 ) 多拓扑：网络拓扑结构丰富，支持星型拓扑和点对点拓扑两种基本拓扑结 构，并支持两种基本拓扑的混合组网。 8 ) 多设备类型：一般称为全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 和有限功 能( r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 设备。f f d 功能比较强大，适合星 型拓扑和点对点拓扑，可与r f d 和f f d 直接通信；r f d 用于星型拓扑， 只能和f f d 直接通信，功能简单，只需极少的计算和存储资源。 9 ) 多模式：m a c 层，定义了两种传输模式，一种是信标使能模式( 即同步 模式，b e a c o n - e n a b l e d m o d e ) ，另外一种是信标不使能模式( 即非同步模式， n o n - b e a c o n - e n a b l e dm o d e ) 。信标不使能模式简单来说就是直接使用 c s m a c a 的机制，避免传输碰撞，而信标使能模式则通过超帧结构进行 同步，采用基于时隙的c s m a c a 机制，使不工作的设备进入低功耗的睡 眠状态，有效地节约电能。 2 1 2 物理层标准 2 1 2 1 基本规范 物理层的主要功能是通过射频固件以及射频硬件，在m a c 层与物理射频信道 之间提供接口。物理层主要完成如下任务： 1 ) 无线收发机的激活与关闭 2 ) 当煎信道的能量检测 3 ) 接收数据包的链路质量标识 7 北京交通人学硕十论文 4 ) 清除信道标志 5 ) 信道频率选择 6 ) 数据发送和接收 i e e e8 0 2 15 4 规定物理层包格式如图2 2 所示。 o e t e t s ：4l v a r i a b l e f r a m el e n g t hr c s e r v e d p r e a m b l es f d p s d u ( 7 b i t )( i b i t ) p h y s h rp h r p a y l o a d 图2 - 2p h y 层包格式 f i g 。2 2f o r m a to f t h ep p d u 下面分别说明图中各字段值： p r e a m b l e ( 同步码) 用来保证符号同步，3 2 位 s f d ( s t a r t - o f - f r a m ed e l i m i t e r , 帧开始分隔符) 用来指示同步字段的结束 和包数据的开始，8 位 f r a m e l e n g t h ( 帧长度) 用来指示p s d u ( p h y s e r v i c e d a t a u n i t ，物理层服务 数据单元) 的长度，7 位 p s d u 是物理层的载荷，包括m a c 子层的帧，长度值不定，小于1 2 7 个 字节 2 i22 服务原语 物理层是m a c 子层和物理射频之间的接口，包括一个物理层管理实体( p h y l a y e r m a n a g e m e n t e n t i t y ，p l m e ) ，可以提供层管理服务接口，用来调用层管理函 数。p l m e 维护有一个p h y 层的管理对象数据库，称为物理层p i b 。 物理层包括两种服务类型：p h y 数据服务和p h y 管理服务。 p h y 数据服务用于在p h y 和m a c 之间传输m a c 协议数据单元( m a c p r o t o c o ld a t a u n i t ，m p d u ) ，使用p d d a t a 完成服务。 p d d a t a r e q u e s t ：m a c 层请求向本地p h y 层传输m p d u 。 p d d a t a ，c o n f i r m ：p h y 层向本地m a c 层发送其对于请求命令的响应。 p d d a t a i n d i c a t i o n ：p h y 层接收到m p d u 后，向本地m a c 层做出指示。 p h y 管理服务用于管理命令的传输，该服务包括五种原语：p l m e - c c a 、 p l m e s e t 、p l m e g e t 、p l m e t r x s 耵虹e 、p l m e e d 。如表2 1 所示。 8 6 l o w p a n 技术研究 表2 - 1p h y 管理服务表 t a b 2 一tp l m e - s a p 谢m m v e s 名称作用 p l m e c c a对信道进行评估 p l m e s e t设置指定p i b 属性 p l m e g e t查找指定p 1 b 属性 p l m e - t r x s 1 j t e 传输使能状态 p l m e - e d能量检测 2 1 3m a c 层标准 2 1 3 1 基本规范 m a c 层提供了特定服务汇聚子层与物理层之间的接口，它处理所有按入到物 理射频信道的工作，并负责以下任务】： 1 ) 当设备为协调者时，触发信标( b e a c o n ) 帧 2 ) 在同步网络中完成网络的同步 3 ) 支持个域网的关联与解关联 4 ) 支持设备安全 5 ) 支持c s m a c a 无线信道侦听访问机制 6 1 处理和维护g t s 机制 7 1 提供对等实体问可靠的链路连接 i e e e8 0 2 1 5 4 规定m a c 帧格式如图2 - 3 所示。每种m a c 帧均由三个基本 部分组成： m h r ( m a ch e a d e r ，m a c 头部) ，包括帧控制、序列号和寻址字段 m a cp a y l o a d ( m a c 净荷) 长度不定，包括帧的具体信息，确认型帧 ( a c k n o w l e d g e m e n tf r a n l e ) 不含此字段 m f r ( m a cf o o t e r ，m a c 尾部) ，包含f c s 9 北京交通大学硕十论文 o c t e t s ：2l0 2o ，2 80 ，20 2 8v a r i a b l e2 d e s t i n a t i o n d e s t i n a t i o n s o u r c e s o u r c e f r a r n e s e q u e n c e 只a n a d d r e s s p a n a d d r e s s f r a l b e i d e n t i f i e r i d e n t i f i e r f c s c o n t r o ln u m b e r p a y l o a d a d d r e s s i n gf i e l d s m a c m h rm f r p a y l o a d 图2 3 m a c 一股帧格式 f i g 2 3g e n e r a lm a c f l a m ef o r m a t 下面分别说明图中各字段值： f r a m ec o n t r o l ( 帧控制) ：定义帧类型、地址字段和其它控制标记 s e q u e n c e n u m b e r ( 序列号) ：唯一标识帧的序列号 d e s t i n a t i o np a ni d e n t i f i e r ( 目的p a ni d ) ：1 6 位，唯一表示该帧的接收节 点 d e s t i n a t i o na d d r e s s ( 目的地址) ：1 6 位短地址或者6 4 位扩展地址 s o u r c ep a ni d e n t i f i e r ( 源p a ni d ) ：1 6 位，唯一表示该帧的发送节点 s o u r c ea d d r e s s ( 源地址) ：l6 位短地址或者6 4 位扩展地址 f r a m e p a y l o a d ( 帧载荷) ：长度不定，不同类型的帧内容不同 f c s ：1 6 位的l t u tc r c ，根据m h r 和m a cp a y l o a d 计算校验和。 i e e e8 0 2 1 5 4 定义了四种帧格式，b e a c o n 帧、数据帧、确认帧和m a c 命令 帧，都符合一般帧格式。b e a c o n 帧的主要功能是在网络中的同步作用；数据帧用 来传输数据；确认帧用来对命令进行确认回复；m a c 命令帧用来表示m a c 层的 各种命令。 2 1 3 2 服务原语 m a c 子层包含管理实体( m a cl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y ，m l m e ) ，当上层 需要m a c 提供服务时，由m l m e 调用相应的服务接口。m a c 子层的所有状态参 数构成一个数据库，称为m a cp i b ( p a ni n f o r m a t i o nb a s e ，p a n 信息库) ，由m l m e 统一管理。 m a c 层提供两种服务类型：m a c 数据服务和m a c 管理服务。数据服务包括 m c p s d a l 渔和m c p s p u r g e 两种，其功能如表2 2 所示。 1 0 6 l o v 憎6n 技术研究 表2 - 2 m a c 数据服务表 t a b 2 - 2m c p s - s a pp r i m i t i v e s 名称功能 m c p s d t a提供数据传输服务 m c p s p u r g e数据传输队列管理 m a c 子层具有丰富的服务类型和参数类型，因此，管理功能十分重要。m a c 子层包括多种管理服务，各服务作用如表2 - 3 所示。 表2 - 3 m a c 管理服务表 t a b 2 - 3s u m m a r yo f t h ep r i m i t i v e sa c c e s s e dt h r o u g ht h em l m e - s a p 名称功能 m l m e a s s o c i a t e加入网络 m ij 侄s a s s o c i p 西e离开网络 m l m e b e a c o n n o t i f y接收到b e a c o n 帧后进行通知 m l m 【e g e t获取指定的p i b 属性 m l m e - g t s请求和维护g t s m l m e o r p a n独立设备管理 m l m e r e s e t重置缺省值 m l m e r x e n a b l e在指定时间内是否允许接收 m l m e s c a n对指定信道进行扫描 m u m e c o m a l s t p j u s通知数据传输状态 m l m e s e t设置指定的p i b 属性 m l m e s t a r t使用新的超帧初始化网络 m l m e - s y n c与协调者保持同步 m u 以e - l o s s与协调者解除同步 m l m e p o l l向协调者请求数据 2 26 l o w p a n 技术分析 2 2 i 基本描述 随着e e e 8 0 2 1 5 4 的提出，低速低功耗无线个域网逐步变成现实。它可以广 北京交通大学硕士论文 泛应用在工业监控、智能家电和传感器网络等领域，具有广阔的应用前景。 为了实现i e e e 9 0 2 1 54 设备的网络互连，1 e t f 于2 0 0 4 年1 1 月正式成立了专 门工作组6 l o w p a n ，该组织研究的重点在于：适配层技术、路由技术、报头压缩 技术、分片技术、i p v 6 技术、网络接入技术、网络管理技术等。目前已经提出了 关于适配层的草案，其它技术都在不断的探讨中。 6 l o w p a n 技术底层采用的是i e e e $ 0 2 1 5 4 规定的p h y 层和m a c 层，网络 层采用的是1 p v 6 协议。由于在i p v 6 中，m a c 支持的载荷长度远远大于6 l o w 队n 的底层所麓提供的载荷长度，为了实现m a c 层与网络层的无缝链接，6 l o w p a n 工作组建议在网络层和m a c 层之间增加一个网络适配层。用来完成报头压缩、分 片与重组以及网状路由转发等工作。图2 _ 4 所示为6 l o w p a n 协议栈的参考模型。 2 2 2 技术优势 应用层 传输层 l p v 6 层 6 l o w p a n 适配层 】e e e8 0 21 5 4m a c 层 1 e e e8 0 2 15 4 物理层 图2 46 l o w p a n 协泌栈 f i g 2 46 l o w p a n n e t w o r k a r c h k e c t u m 6 l o w p a n 组织之所以极力推崇在i e e e 8 0 2 1 5 4 上使用i p v 6 技术，是因为i p v 6 技术相对于z i g b e e 等其它技术，具有如下的优势l o j ： 1 1 普及性：i p 网络应用广泛，深入人心，作为下一代互联网核心技术的l p v 6 ， 也在加速其普及的步伐，在l r - w p a n 网络中使用i p v 6 更易于被接受。 2 1 适用性：i p 网络协议栈架构受到了广泛的认可，l r w p a n 网络完全可以 基于此架构进行简单、有效的开发。 3 1 开放性；i p 协议是开放性协议，不牵扯复杂的产权问题，这是6 l o w p a n 技术相对于z i g b e e 技术的优势。 4 ) 更多地址空间：i p v 6 应用于l r - w p a n 最大的亮点就是庞大的地址空间， 6 l o w p a n 技术研究 这恰恰满足了部署大规模、高密度l r - w p a n 网络设备的需要。 5 ) 支持无状态自动地址配置：i p v 6 中当节点启动时，可以自动读取m a c 地 址，并根据相关规则配置好所需i p v 6 地址。这个特性对l r w p a n 网络 来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对l r - w p a n 节点 配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。 6 ) 易接入：l r - w p a n 使用i p v 6 技术，使其更易于接入其它基于i p 技术的 网络，包括下一代互连网，使其可以充分利用i p 网络的技术进行发展。 7 ) 易开发：目前基于i p v 6 的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对 l r - w p a n 的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发的 过程。 由此可见，i p v 6 技术在l r w p a n 上的应用具有广阔发展的空间，而将 l r - w p a n 接入互联网也将大大扩展其应用，使得大规模l r - w p a n 的实现成为可 能。 2 2 3 关键技术分析 虽然，i p v 6 技术应用于l r - w p a n 的前景非常广阔，但是考虑到i e e e 8 0 2 1 5 4 协议和i p v 6 协议本身的特性，二者的结合也存在着不少技术挑战。例如，i p v 6 作 为下一代互连网络的核心协议，其设计之初并没有考虑要应用到资源如此有限的 i e e e 8 0 2 1 5 4 设备上，如何合理地精简i p v 6 协议，搭建符合i e e e 8 0 2 1 5 4 协议要 求的嵌入式i p v 6 协议栈，就成为面临的重要挑战。 对于i p v 6 和i e e e 8 0 5 1 5 4