（交通信息工程及控制专业论文）基于ZigBee的铁路集装箱站信息系统组网和路由协议研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 集装箱运输作为一种快速、安全、低成本的运输方式，在全球货运中起着 十分重要的作用。但是随着集装箱运输的不断发展，集装箱信息采集的自动化、 实时化却相对滞后，信息采集的效率较低，严重影响了集装箱运输业的进一步 发展。而z i g b e e 是一种新兴的近足巨离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络 技术，可以嵌入各种设备中。利用z i g b e e 技术构建集装箱站点通信网络，实现 集装箱信息的自动采集，将提高集装箱站点的工作效率，为集装箱运输实现智 能化、现代化管理奠定基础。本论文针对集装箱跟踪、管理中存在的效率低、 人力成本高、出错率高、实时性差等问题，给出了基于z i g b e e 技术的组建网络 的总体设计方案，重点研究了网络层路由算法的改进策略。 本文首先介绍了无线传感器网络的特点及应用，然后介绍了基于 i e e e s 0 2 1 5 4 的z i g b e e 技术标准、z i g b e e 协议栈，重点分析了z i g b e e 协议网 络层规范。接下来，在分析和研究了z i g b e e 网络拓扑和现有的无线传感器网络 路由协议、算法的基础上，提出了基于z i g b e e 技术的铁路集装箱站信息系统的 总体组网方案，实现了z i g b e e 网状网络组网；并从均衡消耗整个网络能量的角 度，提出了对原有c l u s t e r - t r e e 与a o d v 相结合的路由算法的改进方案。改进 的路由算法利用门限值、基于权重的路由选择和分群的思想，较好的解决了网 络节点过早死亡和网络分割的问题，达到了延长整个网络生存期的目的。 最后，利用n s 2 仿真软件，模拟集装箱站场的网络拓扑环境，对原有路由 协议和改进的路由协议进行仿真实验和性能对比。实验结果表明：本文提出的 组网方案和对路由算法的改进，在摔制网络流量分布，平衡网络负载方面取得 了一定的成效，延长了整个网络的生存期，论证了本方案在集装箱站信息系统 中的可行性。 关键词：集装箱：z i g b e e ；能量均衡；n s 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a saf a s t ，s a f ea n dc o s t e f f e c t i v et r a n s p o r t a t i o nm o d e ，c o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n p l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ng l o b a lf r e i g h tt r a n s p o r t a t i o n h o w e v e r , w i t hc o n s t a n t l y g r o 埘ho fc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n ，t h ea u t o m a t i o na n dr e a lt i m ei m p l e m e n t a t i o no f c o n t a i n e ri n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na r e r e l a t i v e l yb a c k w a r da n dt h ee f f i c i e n c yo f i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ni sl o w e r , w h i c hh e a v i l ys e t st h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to f c o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o nb a c k z i g b e ei s0 2 1e m e r g i n gw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y w i t hs h o r t - d i s t a n c e ，l o w c o m p l e x i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o w - c o s ta n dc a n b ee m b e d d e di n t ov a r i o u sd e v i c e s c o n s t r u c t i o no fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kf o r c o n t a i n e rs t a t i o nn o d ew i t h z i g b e et e c h n o l o g ya n d r e a l i z a t i o no fa u t o m a t i c a c q u i s i t i o no fc o n t a i n e ri n f o r m a t i o nw i l li n c r e a s ee f f i c i e n c yo fc o n t a i n e rs t a t i o n n o d e ，l a y i n gt h ef o u n d a t i o nf o rr e a l i z a t i o no fi n t e l l i g e n ta n dm o d e mm a n a g e m e n to f c o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o n i no r d e rt od e a lw i t ht h e e x i s t i n gp r o b l e m so fl o w e f f i c i e n c y , l o wh u m a nc o s t ，h i g he r r o rr a t e ，b a dr e a l t i m ei nc o n t a i n e rt r a c ea n d m a n a g e m e n t ，t h i st h e s i sp r e s e n t sg e n e r a ln e t w o r k i n gs c h e m eb a s e do nz i g b e e t e c h n o l o g y , s t r a t e g i e sf o rr o u t i n ga l g o r i t h mi m p r o v e m e n tw e r em a i n l yr e s e a r c h e d f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o no fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r ka n dt h e ni n t r o d u c e st e c h n o l o g ys t a n d a r da n dp r o t o c o ls t a c ko fz i g b e e b a s e do ni e e e 8 0 2 15 4t o o ，m a i n l ya n a l y z i n gt h ep r o t o c o lo fn e t w o r kl a y e r a n d t h e n ，b a s e do nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fz i g b e en e t w o r kt o p o l o g ya n de x i s t i n g r o u t i n gp r o t o c o la n da l g o r i t h mo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，g e n e r a ln e t w o r k i n g s c h e m ef o rc o n t a i n e ri n f o r m a t i v es y s t e mb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g yi sp r o p o s e d ， r e a l i z i n gr e t i c u l a rz i g b e en e t w o r k f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fb a l a n c e dc o n s u m p t i o n o ft h ew h o l en e t w o r kp o w e r , a ni m p r o v e ds o l u t i o no fo r i g i n a lr o u t i n ga l g o r i t h m a i m i n ga t t h ec o m b i n a t i o no fc l u s t e r - t r e ea n da o d vi sp u tf o r w a r d ，w h i c hu s e t h r e s h o l d ，r o u t i n gc h o i c eb a s e do nw e i g h ta n dt h ei d e ao fc l u s t e rt os o l v et h e p r o b l e mb e t t e rt h a tn e t w o r kn o d e sc o m et oa nu n t i m e l ye n da n dt h en e t w o r ki s b r o k e nu p ，h i t t i n gt h et a r g e tt h a tl i f e t i m eo ft h ew h o l en e t w o r ki se x t e n d e d a tl a s t ，t h i sp a p e ru s e ss i m u l a t i o ns o f t w a r en s 2t os i m u l a t en e t w o r kt o p o l o g y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i t 页 e n v i r o n m e n t o fc o n t a i n e rs t a t i o ny a r d ，d o e se m u l a t i o ne x p e r i m e n t st oc o m p a r e p r o p e r t i e sb e t w e e no r i g i n a la n dt h ei m p r o v e dr o u t i n gp r o t o c 0 1 e x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h a tn e t w o r k i n gs c h e m ea n di m p r o v e m e n to fr o u t i n ga l g o r i t h mp r o p o s e db y t h i sp a p e rm a k es o m ep r o g r e s si nt h ea l c ao fc o n t r o l l i n gn e t w o r kf l o wd i s t r i b u t i o n a n db a l a n c i n gn e t w o r kl o a d ，e x t e n d i n gt h el i f e t i m eo ft h ew h o l e n e t w o r k ， d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h i ss c h e m ei nc o n t a i n e ri n f o r m a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：c o n t a i n e r ；z i g b e e ；e n e r g yb a l a n c e ；n s 2 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学 可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密、彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：台霹 日期：炯歹占影 指导老师签名： 日姆：l 西o 舀g 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 针对铁路集装箱站信息系统的设计目标，给出了基于z i g b e e 技术的组建 网络的总体设计方案，并对站场网络覆盖和集装箱终端节点加入网络给出了具 体实现方法。 2 在均衡网络能量消耗方面，本文对z i g b e e 原有a o d v j r 路由协议进行了 一定的改进。采用基于门限值的方案来构建群，利用跳数和能量的加权来选择 路由，从而提出了一种延长网络寿命的路由改进策略。 台蹲 2 莎( i ，s ，譬 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 集装箱是一种装载货物的特定容器，将集装箱在铁路车辆上进行货物运送， 并通过一种或几种交通工具方便的实现多种运输方式联运，便于对货主实现门 到门的运输服务，因此集装箱运输是一种先进的运输方式【l 】。集装箱运输已经 成为当今世界国与国、地区与地区之间物资贸易与运输的主流。 集装箱结点站是集装箱运输中的一个极为重要的中间环节，主要用于集装 箱的堆存、装箱、拆箱和待中转等。实现铁路集装箱结点站的综合自动化，能 对集装箱实时跟踪查询，避免人为错误，加快集装箱的周转速度，减少箱停时 间，更好的为货主服务。然而目前国内的集装箱站点自动化建设仍比较落后， 多数以人力资源利用为主，自动化程度低、信息处理和交换能力差。由于集装 箱的不断移动性和场地以及各种装卸机械布线的限制，大多数仍采用人工抄录、 无线高频电话等方式进行通信，通信质量和通信安全性难以得到保证。 随着传感器技术、无线通信技术和数据处理技术的迅猛发展，出现了集这 三种技术为一体的传感器器件。大量的这种具有无线通信和数据处理能力传感 器器件通过一定的协议构成自组织网络，可以进行数据收集和传输，为用户提 供有用信息，这就是无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，w s n ) 技术。 在2 0 0 0 年1 2 月，电气和电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 成立了i e e e8 0 2 1 5 4 工作组，致力于定义一种供 廉价的固定、便携或移动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。z i g b e e 正是这种技术的商业化命名，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z i g b e e 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 1 。在标准化方面，i e e e8 0 2 1 5 4 工作组主要负责制 定物理层和m a c 层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准。 z i g b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的 无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它依据8 0 2 1 5 4 标准在很多微小的 传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量以多跳的方式将 数据从个传感器传到另个传感器。i e e e 8 0 2 1 5 4 规范是种经济、高效、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 低数据速率( 小于2 5 0 k b p s ) 、工作在2 4g h z 和8 6 8 9 1 5m h z 的无线技术，它是 z i g b e e 应用层和网络层协议的基础。 将z i g b e e 无线通信技术嵌入集装箱站场各种设备中，可以实现集装箱站点 自动化系统的通信组网，构成z i g b e e 混合网。并根据现场节点的具体布置情况， 采用改进的路由算法，实现对集装箱的定位和信息采集。通过基于z i g b e e 的集 装箱信息系统组网和路由协议的研究，达到提高集装箱站点工作效率，实现资 源共享的目的，这对推动集装箱运输业的进一步发展具有重要的现实意义。 1 2 无线传感器网络概述 无限传感器网络f 3 5 】是由大量密集的微型智能传感器节点组成，通过无线通 信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处 理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观 察者是构成传感器网络的三个要素。在w s n 中，节点不仅能够借助中间节点 的转发来实现通信，还可以监测本地环境的变化，收集和处理相关的传感信息。 各传感节点协作运行来完成某项任务，并根据网络的规模选用合适的路由协议 来转发信息。 1 2 1 无线传感器网络的特点 无线传感器网络有别于传统的网络，有其独有的特点【6 ，刀，主要包括以下几 点： 第一，无线传感器网络通过无线方式连接。无线的连接具有很强的灵活性， 它不需要有固定的事先建立好的节点之间的连接，而且即便网络节点的位置发 生了变化，也不会对网络的连通带来太大的影响，适合于动态的网络环境。 第二，无限传感器网络是一种分布式的传感系统。通过在某一区域分散大 量的节点，各个节点对其附近的区域进行观测，全部的节点从整体上实现了对 整个区域的监控。一个区域的空间越大，它各个部分的环境信息的差异也会越 明显，这时单靠少量的节点测到的信息根本不可能代表整个区域的情况。由于 传感器节点的成本相对比较低，可以安置大量的节点，使得它们覆盖被测区域 的各个角落，这样获得的信息综合起来就会更加精确的反映整个区域的情况。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 节点信息的冗余度越高，获得信息的精确度也会越高。 第三，无线传感器网络是种自组织网络。与传统的有线网络相比，对无 限传感器网络的人工干预的可能性很小。在很多情况下，我们无法对网络进行 人工配置，这就需要各个节点可以相互协作建立它们之间的连接，完成网络的 初始化、启动监控任务、网络的故障自我修复等工作。所有这些，都要求网络 具有自我调节的能力，即各个传感器节点能够感知到网络结构的变化，通过相 互协调，适应网络的这种动态性，维护应用的正常运行。 第四，无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限 制。由于传感器节点微型化，节点的电池能量有限，所以传感器节点的电池能 量限制是整个网络设计的关键约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。另一 方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统 i n t e r n e t 网络上成熟的协议对无线传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重 新设计简单而有效的算法。 第五，无线传感器网络中数据是被分散处理的。不同于传统网络中的具有 中央控制节点的系统，传感器网络不是将各个节点的数据都传送到中央节点统 一处理。每个节点都具有一定的数据处理能力，它们会根据需要对数据进行处 理，然后再传输。这样可以减少网络流量，提高有限的带宽利用率。 第六，无限传感器网络是以数据为中心。在无限传感器网络中人们只关心 某个区域的某个指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。以数据为 中心的特点要求无限传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组 织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。 1 2 2 无线传感器网络的应用 无线传感器网络本身的特点决定了在军事、工农业生产、交通、气象、医 疗、安全、家庭等各个领域都有广阔的应用前景l 引，特别是在一些人类无法到 达或者无法工作的环境下，可以代替人类收集、处理需要的信息。根据工作方 式的不同，一般可以将无限传感器网络的应用分为两类：一类是事件检测，另 一类是数据采集。 事件检测型的应用中，散布在一定区域的传感器的工作是检测特定的事件 是否发生，一旦检测到发生，即通过无线网络将此消息发送出去。这一类的应 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 用例子如：军事上利用无线传感器网络对特定的区域进行监控，看是否有敌人 入侵或受到武器攻击；在家庭中用无线传感器网络进行防火、防盗等。 数据采集类的应用中，传感器对周围的有关数据进行采集，并进行简单处 理后通过无线传感器网络发送给服务器进行汇总、分析。比如，在自动化农业 中，用温度、湿度传感器组成的无限传感器网络对农作物的生长环境进行监控 和分析；在生物研究中，在需要跟踪研究的动物身上放上传感器，通过无限传 感器网络了解它们的生活习性等。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文在全面深入研究z i g b e e 规范的基础上，提出了基于z i g b e e 技术的 铁路集装箱站信息系统网络组网方案，并通过对典型无线路由算法的分析比较， 设计了对原有路由协议的改进。该改进将门限值调整、集群和基于跳数、能量 的加权选路合理的结合起来，延长了网络的生存期。 论文章节安排如下： 第一章阐述了课题研究的背景及意义，并对无线传感器网络的特点及应用 进行了一定的介绍。 第二章全面深入地对i e e e s 0 2 1 5 4 z i g b e e 标准进行了研究分析，包括 z i g b e e 协议的整体框架、z i g b e e 技术的特点、z i g b e e 协议栈及各层的规范， 重点放在网络层的分析。 第三章对典型无线传感器路由协议的原理、特点进行了分析与比较。 第四章根据铁路集装箱站信息系统的需求，设计了基于z i g b e e 技术的铁路 集装箱站信息系统的整体组网方案。并对站场网络覆盖的设计、集装箱终端节 点加入网络的方式做了详细的分析。 第五章针对z i g b e e 规范中原有c l u s t e r - t r e e 与a o d v 相结合路由协议在能 量均衡上的缺陷，提出了基于能量均衡的改进的z i g b e e 路由算法，并详细描述 了算法改进的设计与实现。 第六章利用n s 2 强大的网络模拟环境，对系统整体组网方案和改进的路由 协议进行仿真测试，验证组网方案和路由协议的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章z ig b e e 技术标准 2 1z ig b e e 无线技术概述 近年来，随着无线网络技术的快速发展，无线网络技术变得越来越重要， 也出现了很多相关的应用和产品。目前，基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议的无线传感器 网络，逐步成为被广泛讨论和研究的课题之一。 i e e e 8 0 2 1 5 4 是一种新兴的无线通信协议，是i e e e 组织确定的低速个人 局域网( p e r s o n a l 心e a n e t w o r k ) 标准1 9 1 。这个标准定义了物理层( p h y s i c a ll a y e r p h y ) 和介质访问层( m e d i u ma c c e s sl a y e f ，m a c ) 。但是，仅仅定义物理层和 介质访问层并不能完全解决问题。因为没有统一的使用规范，不同厂家生产出 的设备存在兼容性问题。于是z i g b e e 联盟应运而生，众多设备生产厂家联合在 一起，推出一套标准化平台z i g b e e 【1 3 】。z i g b e e 从i e e e 8 0 2 1 5 4 标准开始着 手，定义了允许不同厂商制造的设备相互兼容的应用纲要。 z i g b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据数率、低成本的 具有统一技术标准短距离无线通信技术1 1 0 , 1 1 , 1 2 】，主要用于近距离无线连接。它 依据8 0 2 1 5 4 标准，在很多微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器 只需要很少的能量，以多跳的方式将数据从一个传感器传到另一个传感器。 i e e e 8 0 2 1 5 4 规范是一种经济、高效、低数据速率( 小于2 5 0 k b p s ) 、工作在 2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 的无线技术，它是z i g b e e 应用层和网络层协议的基础。 z i g b e e 的主要特点： 1 低速率 z i g b e e 根据不同的工作频段，其数据传输速率会有所不同，但都处于较低 的速率。2 4 g h z 频段为2 5 0 k b p s ，9 1 5 m h z 频段为4 0 k b p s ，8 6 8 m h z 频段为 2 0 k b p s 。 2 低功耗 这是z i g b e e 的一个显著特点，由于收发信息功耗较低、在m a c 层采用了 休眠机制以及休眠激活、信道接入时延很短，使得z i g b e e 节点非常省电。一般 z i g b e e 节点的电池工作时间可以长达6 2 4 个月。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 3 低成本 由于z i g b e e 协议栈相对于蓝牙、w i f i 要简单得多，降低了对通信控制器 的要求，因此可以采用规模很小的存储器，大大降低了器件成本。且由于z i g b e e 协议免专利费用，因此可进一步降低软件的应用费用。 4 短时延 z i g b e e 的通信时延以及从休眠状态激活的时延都非常短。典型的搜索设备 时延为3 0 m s ，休眠激活的时延是1 5 m s ，活动设备信道接入的时延为1 5 m s ，因 此z i g b e e 技术适用于对时延敏感的应用，而且节省了能量。 5 免许可无线通信频段 z i g b e e 采用的物理、m a c 层协议是i e e e 8 0 2 1 5 4 ，而它正是工作在2 4 g h z 或8 6 8 9 1 5 m h z 的工业科学医疗( i s m ) 频段，对全球2 4 g h z 频段均免许可使 用，8 6 8 m h z 在欧洲，9 1 5 m h z 则在北美被免许可使用。 6 多种组网方式 z i g b e e 网络可通过网络协调器组成星状、树状、网状等多种组网方式。组 网方式灵活，并可通过节点设备的加入和退出使网络呈现动态变化的特点。 7 近距离通信 由于低功耗的特点，z i g b e e 设备的发射功率较小。一般相近的两个z i g b e e 节点间的通信距离在1 0 1 0 0 m 内，在加大无线发射功率后，也可增加到l - 3 k m ； 但通过相邻节点的接续通信传输，建立起z i g b e e 设备的多跳通信链路，还可使 z i g b e e 的实际通信距离大幅度增加。 8 可靠数据传输 z i g b e e 的介质接入控制子层采用c s m a c a 接入算法，同时为需要固定带 宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。 9 自配置 z i g b e e 网络节点能够感知周围节点的存在，并确定连接关系，构成结构化 网络。节点设备可随时加入和退出网络，是一种自配置、自组织的组网模式。 1 0 三级安全模式 z i g b e e 提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性校验，支持鉴权 和认证，并在数据传输中提供了三级安全处理。协议栈各层可以根据实际需要 灵活确定其安全属性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2zjg b e e 协议栈结构 z i g b e e 协议栈由组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务。数据 实体提供数据传输服务，管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个 服务接入点( s a p ) 为其上层提供服务接口，并且每个s a p 提供了系列的基 本服务指令来实现相应的功能。服务是一个协议层( 服务提供者) 向其上一层 ( 服务用户) 提供的功能，通过服务提供层和服务用户层之间的信息流来描述 的，而服务用户的功能是建立在其下一层提供的服务基础之上的。 z i g b e e 应用层 z i g b e e l 网络层 i e e e 8 0 2 15 4 m a c 8 6 1 8 e 丹e e 5 m s o h 2 z 1 5 p 4 h y i i ：e 能e e 8 0 2 2 州1 5 y 4 图2 1 z i g b e e 协议栈的体系结构模型【1 2 1 z i g b e e 协议栈的体系结构如图2 1 所示。它虽然基于标准的七层开放式系 统互联( o s l ) 模型，但仅对那些涉及z i g b e e 的层予以定义。i e e e 8 0 2 1 5 4 - - 2 0 0 3 标准定义了最下面两层物理层( p h y ) 和介质接入摔制子层( m a c ) 。而z i g b e e 联 盟提供了网络层( n w k ) 和应用层( a p l ) 框架的设计【9 】其中应用层的框架包括了 应用子层( a p s ) 、z i g b e e 设备对象( z d o ) 和由制造商制定的应用对象。 2 3le e e 8 0 2 15 4 zig b e e 标准详解 2 3 1zig b e e 物理层 z i g b e e 的通信频率在物理层来规范，z i g b e e 根据不同的国家和地区为其提 供不同的工作频率范围，z i g b e e 所使用的频率范围分为2 4 g h z 和8 6 8 9 1 5 m h z 物理层。两个物理层都是基于直接序列扩频( d s s s d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ) 技术，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的不同。 -；ij zjbe族盟lt。l 一 一_一一田_暑n_们一 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 4 g h z 波段为全球统一、无须申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 设备的推 广和生产成本的降低。2 4 g h z 的物理层采用1 6 相调制技术，能够提供2 5 0 k b s 的传输速率。8 6 8 m h z 是欧洲附加的i s m 频段，9 1 5 m h z 是美国附加的i s m 频 段，工作在这两个频段上的z i g b e e 设备避开了来自2 4 g h z 频段中其他无线通 信设备和家用电器的无线电干扰。8 6 8 m h z 上的传输速率为2 0 k b s ，9 1 6 m h z 上的传输速率则是4 0 k b 屈。由于这两个频段上无线信号的传播损耗和所受到的 无线电干扰均较小，所以可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较大的有效通 信距离，从而使用较少的设备即可覆盖整个区域。 信道编号中心频率m h z信道间隔m h z频率上限m h z频率下限m h z k = o 8 6 8 38 6 8 68 6 8 0 k = 1 ，2 ，3 1 0 9 0 6 + 2 ( k 1 )29 2 8 09 0 2 0 k = i1 ，1 2 ，1 3 2 6 2 4 0 1 + 5 ( k - 1 1 ) 52 4 8 3 ，52 4 0 0 0 z i g b e e 使用的无线信道如表2 1 所示。从中可以看出，z i g b e e 使用的3 个 频段定义了2 7 个物理信道1 1 4 j 。其中8 6 8 m h z 频段定义了一个信道；9 1 5 m h z 频段附近定义了1 0 个信道，信道间隔为2 m h z ；2 4 g h z 频段附近定义了1 6 个 信道，信道间隔为5 m h z 。 z i g b e e 物理层数据包由同步包头、物理层包头和物理层净荷3 部分组成。 同步包头由前同步码( 前导码) 和数据包( 帧) 定界符组成，用于获取符号同 步、扩频码同步和帧同步，也有助于粗略的频率调整；物理层包头指示净荷部 分的长度；物理层净荷部分含有m a c 层数据包，净荷部分的最大长度是1 2 7 字节。物理层数据包的格式如图2 2 所示。 帧长度砸饵侮 前同步码帕定界扮psdu t 7 位i 位 l j 图2 2 物理层数据包格式 根据标准的定义，物理层实现了如下功能：激活关闭射频收发单元、对当 前信道进行能量检测( e n e r g yd e t e c t 。e d ) 、对收到的包进行链路质量指示( l i n k q u a l i t yi n d i c a t i o n ，l q i ) 、接收发送数据、空闲信道评估( c l e a rc h a n n e l a s s e s s m e n t ，c c a ) 等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信 号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号 功率和噪声信号功率之和。 链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质 量的信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号解码，生成的是一个信噪比 指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。 空闲信道评估判断信道是否空闲。i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估 模式：第一种，简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一个门限值就认 为信道空闲：第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两个方面， 即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号 强度和信号特征，给出信道空闲判断。 2 3 2z i g b e e 介质接入控制子层 i e e e 8 0 2 1 5 4 m a c 子层实现包括设备间无线链路的建立、维护和断开，确 认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校验与快速自动请求重发，预留 时隙管理以及广播信标；与信标同步；支持个域网链路的建立和断开；为设备 的安全提供支持；信道接入方式采用载波监听多址接入冲突避免( c a r d e rs e n s e m 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 c s m a c a ) 机制；处理和维护保护时 隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t g t s ) 机制；在两个对等的m a c 实体之间提供一个 可靠的通信链路等功能。 m a c 层提供了特定服务会聚子层和物理层之间的接口。从概念上说，m a c 层还包括m a c 层管理实体( m a cs u b l a y e rm a n a g e m e n te n t i t y , m l m e ) ，以提 供调用m a c 层管理功能的管理服务接口；同时，m l m e 还负责维护m a cp a n 信息库( m a cp i b ) 。m a c 参考模型如图2 3 所示。通过m a c 公共部分子层 ( m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r , m c p s ) 的数据s a p ( m c p s s a p ) 提供m a c 数据 服务；通过m l m e s a p 提供m a c 管理服务。这两种服务通过物理层p d s a p 和p l m e s a p 提供了s s c s ( s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 和p h y 之 间的接口。除了这些外部接口外，m c p s 和m l m e 之间还隐含了一个内部接口， 用于m l m e 调用m a c 数据服务。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 竺：竺! f m a c 公共部分子 层( m c p s ) m l m e s a p m a c 层管理实 体( m l m e ) 厕醢、 l ! 璺 图2 3m a c 层参考模型 m a c 子层数据包由m a c 子层帧头( m h r ，m a ch e a d e r ) 、m a c 子层载 荷和m a c 子层帧尾( m f r , m a cf o o t e r ) 组成【1 4 j 。如图2 4 所示。 。2 字节。i 字节。，2 字文：9 z s + 蓖：o 2 字代：j ，2 愿字芭：可变。：。2 字节。 、 一 ，- 、m，r 帧控序列 目的 目的 源 源帧 p a n p a nf c s 制号地址 标识符 地址载荷 标识符 ： ； ： 地址域 ： i ： ：j i 、 m h r ( m a c 层帧头) 7 m a c m f r 尾) 图2 4m a c 层数据包格式 其中，m a c 头由帧控制域、帧序列号域和地址信息域组成；m a c 净荷即 为m a c 帧携带的数据净荷；m f r 包含一个m a c 帧f c s 校验，保证数据的可 靠传输。 帧控制域由2 个字节1 6 b i t 组成，包含帧类型、安全使能、待传帧、确认 帧请求、内部p a n 、源地址和目的地址模式等控制标志位。帧序列号域由一个 字节8 b i t 组成，它为此m a c 帧标识了唯一的序列号，以防止重发攻击，保证 数据的新鲜性。每发出一帧后，该域的值加l 。地址域包括源、目的p a n i d 和 源、目的地址。由于i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两种地址类型：6 4 b i t 的i e e e 地址和 1 6 b i t 的短地址。地址类型由帧控制域中相应的标志位指定。帧净荷为一可变长 m a c 帧的数据净荷。由于物理层定义了p h y 服务数据单元( p s d u ) 的最大 数据长度为1 2 7 字节，除去m a c 层头尾开销，m a c 服务数据单元( m s d u ) 的最大数据长度为1 0 2 字节。f c s 域为对m a c 帧净荷的1 6 b i t c r c 校验，保证 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 数据传输的可靠。 i e e e 8 0 2 1 5 4 网络定义了四种类型的m a c 帧：信标帧( b e a c o nf r a m e ) ， 数据帧( d a t af r a m e ) ，确认帧( a c k n o w l e d g m e n tf r a m e ) 和m a c 命令帧( m a c c o m m a n df r a m e ) 。 信标帧对应的m a c 帧头控制域中的帧类型字段值为o b 0 0 0 ，它对应的 m s d u 单元由四个部分组成：超帧描述字段、g t s 分配字段、待转发数据目标 地址字段和信标净荷数据。 数据帧用来传输上层发到m a c 层的数据，它的负载字段包含了上层需要 传送的数据。数据负载传送至m a c 层时，被称为m a c 服务数据单元( m s d u ) 。 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 帧。 如果设备收到目的地址位为自身的数据或m a c 命令帧，并且帧的控制字 段的确认请求位被置为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。 m a c 命令帧用于组建p a n 网络，传输同步数据等。它主要完成三个方面 的功能：把设备关联到p a n 网络，与协调器交换数据，分配g t s 。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 第一个字节表示命令帧类型，后面的数据帧对不同的命令类型有不同的含义。 2 3 3zig b e e 应用层 z i g b e e 应用层包括a p s 子层、z d o ( 包含z d o 管理平台) 和厂商定义的 应用对象j 。a p s 子层的任务是维护绑定表和在绑定设备之间传递信息。z d o 负责定义设备在网络中的角色( 如z i g b e e 协调器或终端设备) 、发现设备并决 定设备所能提供的应用服务、初始化并响应绑定请求和在网络设备之间建立安 全关系。 应用支持子层( a p s ) 提供了网络层和应用层之间的接口，其接口功能是 通过z d o 和厂商定义的应用对象都可以使用的一组服务来实现的。a p s 子层 的服务通过两个实体来提供：a p s 数据实体( a p s d e ) 通过a p s d e 服务访问 点( a p s d e s a p ) 提供。a p s 管理实体( a p s m e ) 通过a p s m e 服务访问点 ( a p s m e s a p ) 提供。a p s d e 提供的数据传输服务在同一个网络的两个或多 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 个设备之间传输应用层p d u ；a p s m e 提供设备发现