（通信与信息系统专业论文）基于时间敏感应用下ieee802154网络的研究和改进.pdf

南开大学学位论文使用授权书 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位获 得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师生阅读，在校园网上提供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和中国学 术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文数据库， 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩； 提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 盂鏊壶 2 0 1 0年5 月2 8日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目基于时间敏感应用下i e e e 0 2 1 5 4 网络的研究和改进 姓名孟繁亮学号2 1 2 0 0 7 0 2 4 4答辩日期2 0 1 0 年5 月2 8 日 论文类别博士口 学历硕士口硕士专业学位口高校教师口 同等学力硕士口 院系所信息技术科学学院专业通信与信息系统 联系电话 13 9 2 0 6 8 4 7 5 8e m a i l m e n g f a n l i a n g m a i l n a n k a i e d u c n 通信地址( 邮编) ：南开大学谣区公寓3 - 1 3 0 8 备注：是否批准为非公开论文否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文使用授权书 根据南歼人学火了研究生学他沱文收减和利川琶；理办法。我校的博十、硕卜学f t 获 得者均须向南开人学提交本人的学位论文纸质本及相虑电f 版。 本人完全了解南开人学有关研究生学能沦文收藏平利川的管理规定。南开人学拥有住 并作权法规定范闱内的学位论文使川权，即：( 1 ) ! 学位获得者必须按规定提交! 学位论文( 包 括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采刚影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论文， 并编入南开人学博硕十学位论文全文数据库；( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开 的学位论文作为资料在幽- i5 馆等场所捉供校内师生阅读，在校矧网上捉供论文目录检索、文 摘以及论文全文浏览、卜- 载等免费信息服务：( 3 ) 根据教育部有笑觇定。南开人学向教育部 指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所乖中囤学 术期刊( 光盘) 电子出版 ：提交规定范围的学位论文及其l b 子版井收入相应学位论文数据库 通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他；! ! i ! 体发表沦文的权利。 1 卜公开学位论文保密j 观限内不向外提交和提供服务，解密斤提交和服务f 习公开论文。 论文i 乜子版提交至校图1 5 馆网站：h t t p ：2 0 2 】1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学伊论文是往南开人学学习期间创作完成的作品，井已通过论文答辩： 提交的学位论文l u 子版与纸质本论文的内容一致，如冈不同造成不良后果由本人口负。 本人同意遵守上述规定。本授权i5 签署一式两份，由研究 l z i 皖手| l 图l5 馆留存。 作者暨授权人铱一逢缒 ，、 2 ( ) 胪年6 月厶ff i 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目 基丁- 时间敏感廊刚。卜i e e e 0 2 1 5 4 网络的 i j f 究和改进 姓名孟繁亮学号2 1 2 0 0 7 0 2 4 4答辩e l j 2 0 1 0 年5 门2 8l i 论义类别博十口学历硕十一硕十专业学位口高校教师口同等：z 力硕十口 院系所 信息技术科学：学院 专业 通信与信息系统 联系l l i 话 13 9 2 0 6 8 4 7 5 8 e m a i l m e n g f a n l i a n g m a i l n a n k a i e d u c i l 通信地址( 邮编) ：南开人学硝区公寓3 1 3 0 8 备注：是否 比准为1 r 公开论文 砭 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 耋鏊蹇2 0 1 0 年5 月2 8 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月日 审批表编号批准日期2 0年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密l o 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长l o 年，可少于1 0 年) 摘要 摘要 i e e e8 0 2 1 5 4 是在低速率应用需求的背景下产生的低速无线个域网标准。 对于i e e e 8 0 2 1 5 4 这种新兴的无线网络标准，目前更多地研究集中在模型的建 立、性能的评估以及对于低功耗和能量等方面，对于其他网络特性的研究关注 不足。 本文将研究的重点放在i e e e 8 0 2 1 5 4 无线网络在时间敏感应用场景下的分 析和改进。分别关注于时间敏感应用中i e e e 8 0 2 1 5 4 网络在数据传输与组网建 立连接两方面的特性。 一方面，在深入分析和研究i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的基础上，对i e e e 8 0 2 1 5 4 网络的保护时隙数据传输机制( g t s ) 与其他数据传输方式进行比较，得到了 g t s 传输机制适合于实时应用的初步结论。并进一步采用新兴的网络微积分的 数学分析方法对g t s 机制的时延边界进行网络模型建立以及数学分析，给出了 g t s 机制网络延时边界的推导和参考公式。最终得到了在实时应用下，根据应 用环境不同的g t s 参数最佳取值的指导性结论。 另一方面，本文通过分析和研究i e e e 8 0 2 1 5 4 组网络连接机制，指出了其 在网络时延方面的应用缺陷，并提出一种针对时间敏感应用的快速组网连接机 $ 1 j ( f a s ta s s o c i a t i o nm e c h a n i s m ) 。通过n s 2 网络仿真，得到的结果表明f a m 机 制在组网连接机制的两个步骤信道扫描和连接过程中，分别比原标准缩短 了大约9 0 和8 0 ，对于时间敏感的应用改进效果非常明显。 最后，本文采用z i g b e e 开发平台对于网络连接机制的改进进行了系统实现。 提出了在该平台下的系统设计方案，包括场景设计、计时方式的选择以及数据 帧格式的重新定义。同时论述了本系统的软件设计流程以及上位机软件的设计 和实现。最终，通过实测系统下的实验测试，得到了与n s 2 仿真中相似的结果。 关键词：i e e e 8 0 2 1 5 4 时间敏感g t s 传输机制组网连接n s 2 a b s t r a c t a b s t r a c t i e e e8 0 2 15 4i sas t a n d a r dd e s i g n e df o rl o w - r a t ew p a np r o v i d e su n d e rt h e d e m a n do fl o w - d a t e r a t ea p p l i c a t i o n s ，w i t ht h ef e a t u r eo fl o wp o w e r ，l o wc o m p l e x i t y ， l o wd a t ar a t e ，s h o r tr a n g e ，l o wc o s te t c a san o v e lw i r e l e s sn e t w o r ks t a n d a r d ，t h e r e s e a r c ho fi e e e 8 0 2 15 4 g e n e r a l l yf o c u so nt h em o d e lb u i l d i n g ，p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o na n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o nw h e r e a st h er e s e a r c ho nt h eo t h e rf e a t u r ea n d p a r t i c u l a ra p p l i c a t i o n si sq u i t ek u t h ep a p e rf o c u s e do nt h er e s e a r c ha n da d v a n c e m e n to fi e e e8 0 2 15 4n e t w o r k f o rt h et i m e s e n s i t i v ea p p l i c a t i o n s ，“mt w op i v o t a lc o m p o n e n t so fd a t at r a n s m i s s i o n a n dn e t w o r ka s s o c i a t i o nr e s p e c t i v e l y f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e dp h ya n dm a cl a y e r so fi e e e8 0 2 15 4 ，a n d e s p e c i a l l y ，p r e s e n t e dt h ei e e e8 0 2 15 4n e t w o r kf u n c t i o ni nd e t a i l b a s e do nt h ed e e p a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ei e e e8 0 2 15 4s t a n d a r d ，t h ep a p e rc o m p a r e dg u a r a n t e e d t i m es l o t ( g t s ) m e c h a n i s mw i t ho t h e rt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fi e e e8 0 2 15 4 a n dc o n s e q u e n t l yd r e wt h ep r i m a r yc o n c l u s i o nt h a tg t sm e c h a n i s mf i tt h er e a l - t i m e a p p l i c a t i o n s f u r t h e r m o r e , n e t w o r kc a l c u l u sw h i c hi st h en o v e lm a t h e m a t i cn e t w o r k a n a l y s i st o o l sw a si n t r o d u c e dt oa n a l y z et h en e t w o r kd e l a yf e a t u r eo fg t s b yt h e m e a n so fr e p r e s e n t i n gt h em a t h e m a t i c a ld e r i v a t i o na n de x p r e s s i o n so ft h eg t sd e l a y b o u n d ，t h ep a p e rp o i n t e do u tt h eo p t i m a lg t sp a r a m e t e ro nv a r i e so fo c c a s i o n sf o r t h er e a l - t i m ea p p l i c a t i o n s o nt h eo t h e rh a n d ，o w i n gt of i n dt h a tal o n gn e t w o r ka s s o c i a t i o nd e l a yi sa c r i t i c a lp r o b l e mi ns o m et i m e s e n s i t i v ea p p l i c a t i o n s ，t h i sp a p e rp r o p o s e san e w a s s o c i a t i o ns c h e m en a m e df a s ta s s o c i a t i o nm e c h a n i s m ( f a m ) b yn s 2s i m u l a t i o n r e s u l t s ，f a ms c h e m es h o r t e n st h ea s s o c i a t i o nd e l a yb y9 0 a n d8 0 c o m p a r e d 谢t l l t h es t a n d a r ds c h e m er e s p e c t i v e l yi nt w os t e p so fa s s o c i a t i o np r o c e s s t h ee f f e c to f i m p r o v e m e n ti sv e r yo b v i o u s ，a n dm a k e st h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kb ea p p l i e dt o t i m e - s e n s i t i v ea p p l i c a t i o n s f i n a l l y ，b a s e do nt h ez i g b e ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h e r e a ls y s t e mw a s d e s i g n e d a n di m p l e m e n t e df o rt h e i m p r o v e m e n t o ft h ei e e e 8 0 2 15 4n e t w o r k t l a b s t r a c t a s s o c i a t i o nm e c h a n i s m t h ep a p e rp r e s e n t e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee n v i r o n m e n t o fj e n n i e z i g b e ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m f o l l o w i n gt h a t ，t h ep a p e rp r o p o s e dt h e s y s t e md e s i g np r o p o s a li n c l u d i n go c c a s i o nd e s i g n ，s e l e c t i o no ft i m ec o u n t i n ga n d f o r m a tr e d e f i n i t i o no ft h em a cd a t af r a m ew h i l er e p r e s e n t e dt h ed e s i g nc y c l eo f t h e s y s t e ms o f t w a r ea n dd e s i g n m e n ta n di m p l e m e n to fs u p e r v i s o r yc o m p m e r u l t i m a t e l y ， t h em e a s u r e m e n to ft h er e a ls y s t e mp r e s e n t e dt h es i m i l a rr e s u l t sw i t hn s 2 s i m u l a t i o n k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 15 4t i m e s e n s i t i v eg t sn e t w o r ka s s o c i a t i o nn s 2 i i i 目录 目录 第一章引言1 第一节研究背景。1 第二节研究现状2 第三节本文的研究意义和工作。2 第四节论文结构安排3 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 标准的研究5 第一节z i g b e e 体系框架一5 2 1 1z i p , b e e 体系结构5 2 1 2z i g b e e 设备6 第二节i e e e8 0 2 15 4 标准介绍一7 2 2 1i e e e8 0 2 15 4 标准特点7 2 2 2i e e e 8 0 2 15 4 标准物理层7 2 2 3i e e e 8 0 2 15 4 标准m a c 层8 第三节i e e e8 0 2 1 5 4 功能的深入分析8 2 3 1 网络拓扑和拓扑形成8 2 3 2 工作模式1 0 2 3 3 帧结构。l o i v 目录 2 3 4 超帧简介。l 3 第四节本章小结1 4 第三章实时应用下的g t s 传输机制1 5 第一节i e e e 8 0 2 1 5 4 三种数据传输方式的比较1 5 3 1 1 直接传输与间接传输。1 5 3 1 2 超帧与g t s 机制1 6 3 1 3g t s 的分配。l 8 3 1 4g t s 机制与其他两种传输方式的比较1 9 第二节应用网络微积分g t s 机制的时延边界分析2 0 3 2 1 网络微积分的重要概念2 l 3 2 2 到达曲线与服务曲线模型的选取2 2 3 2 3g t s 下服务曲线的推导与时延边界分析2 3 3 2 4 普遍的n 时隙g t s 机制时延边界推导公式2 6 第三节实时应用下g t s 参数的选择。2 7 第四节本章小结2 8 第四章组网连接的分析和基于时间敏感的改进2 9 第一节标准的组网连接机制分析及其问题2 9 4 1 1 信道扫描机制分析及问题。2 9 4 1 2 连接过程的分析及问题3 l v 第二节f a m 机制的提出3 3 4 2 1f a m 信道扫描机制。3 3 4 2 2f a m 连接机制3 5 第三节仿真与性能评估3 6 4 3 1 仿真软件介绍3 6 4 3 2 仿真系统的设计与仿真环境的设定。3 6 4 3 3 信道扫描机制改进的仿真与结果分析。3 8 4 3 4 连接过程改进的仿真与结果分析。4 l 第四节本章小结4 3 第五章z i g b e e 开发平台下的实现4 4 第一节开发平台介绍4 4 5 1 1 硬件开发平台j n 5 1 2 1 4 4 5 1 2 软件协议栈4 4 第二节系统设计4 5 5 2 i 场景设计。4 5 5 2 2 计时统计方式。4 7 5 2 3 数据帧格式设计。4 7 第三节软件设计实现。4 9 5 3 1 终端设备程序流程4 9 5 3 2p a n 协调器程序流程。5 2 v i 目录 5 3 3 上位机软件”5 3 第四节实测结果分析5 4 第五节本章小结5 7 第六章总结和展望5 9 第一节本文总结5 9 第二节研究展望6 0 参考文献6 2 致谢6 5 个人简历、在学期间发表的学术论文和研究成果6 6 v i i 第一章引言 第一章引言 第一节研究背景 随着信息技术的不断发展，曾经作为有线网络的补充和扩展，处于辅助地 位的无线网络通信技术，近年来得到了飞速的发展和大范围的普及。为了满足 人们对于无线网络日益增长的需求，各类无线网络通信技术层出不穷，其中较 为典型的包括：无线局域网技术( w l a n ，以i e e e8 0 2 11 w i f i 为代表) 、无线 传感器网络技术( w s n ) 、蓝牙技术( b l u e t o o t h ，以i e e e8 0 2 1 5 1 为代表) 、超宽带 技术( u w b ，以i e e e8 0 2 1 5 3 为代表) 、无线个人域网技术( w e a n ，以i e e e 8 0 2 1 5 4 z i g b e e t l 】为代表) 、全球微波接入互操作技术( w i m a x ，以i e e e8 0 2 1 6 为代表) 、无线移动自组织网络技术( m a n e t ) 等。 i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组于2 0 0 0 年1 2 月成立，致力于定义一种设备造价低廉且 同时具有低复杂度、低功耗以及低速率特点的短距离无线通信技术。 i e e e s 0 2 15 4 标准正式通过于2 0 0 3 年5 月，其定义了媒体访问控制层( m e d i a a c c e s sc o n t r o l 。m a c ) 和物理层的规范。与此相对应，z i g b e e 联盟成立于2 0 0 2 年，由英国l n v e r s y s 、日本三菱、美国m o t o r o l a 以及荷兰p h i l i p s 四家公司共同 发起，该联盟于i e e e 8 0 2 15 4 标准的基础之上又定义了网络层和应用层，并承 担了高层应用开发、测试以及市场应用推广等方面的工作。目前，很多国外厂 商都已经推出了遵循z i g b e e 规范的产品，包括t i 、e m b e r 、f r e e s c a l e 以及j e n n i e 等主流芯片供应商。 i e e e8 0 2 15 4 标准最初是为低速无线个人域网( l o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k , l r - w p a n ) 带t j 定的一套通信标准。而由于i e e e8 0 2 1 5 4 标准物理 层的能量高效及鲁棒性，以及m a c 层的灵活性都非常适合于无线传感器网络的 应用，因此i e e e8 0 2 15 4 标准也同样成为了无线传感器网络领域一套非常重要 的通信协议标准。可以说，自提出i e e e8 0 2 1 5 4 标准以来，在无线个域网和无 线传感器网络两大无线应用领域i e e e8 0 2 1 5 4 标准都受到了学术界和工业界的 广泛关注。 第一章引言 第二节研究现状 在早些时候，低速无线个域网的研究发展主要还集中在仿真和实验阶段 1 2 - 【引。从2 0 0 4 年开始，关于i e e e8 0 2 1 5 4 理论性的研究开始渐渐出现，一些研 究者尝试采用更多的数学方法来评估低速无线个域网的性能。 在研究的初期，g i u s e p p eb i a n c h i 给出了一个基于i e e e8 0 2 11 的c s m a 机 制的马尔可夫模型【9 j 。在这之后基于该模型逐渐发展出了许多针对w l a n 的理 论研究【1 0 】【17 1 。但由于i e e e8 0 2 1 5 4 的c s m a c a 算法与i e e e8 0 2 1 1 并不完全 相同，所以该模型对于i e e e8 0 2 1 5 4 并不完全适用。j m i s i e 在【1 8 i t l 9 1 中建立了更 符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准特点的马尔可夫链模型，并进行了更为详细的分析。另 一些研究者对i e e e8 0 2 1 5 4 协议进行了仿真以及性能评估【2 0 】【孔1 。其中，文献【2 9 】 做了大量的性能评估方面的工作，并指出i e e e8 0 2 1 5 4 网络具有自组织自恢复 特点( 恢复概率为3 0 - - - 8 9 ) 。a n i sk o u b a a 和e d u a r d ot o v a r 也在o p n e t 网络仿 真环境下实现了i e e e8 0 2 1 5 4 无线传感器网络，并做了大量仿真实验对 c s m a c a 机制进行了详细的研究【3 2 1 ，并给出了网络的吞吐量以及平均延迟的性 能评估【3 3 1 。 在近期的研究中，研究者在不断对模型进行进一步研究改进以及仿真评估 的基础上，开始将研究的视野转向低功耗、安全性，路由以及其他特殊应用场 景下的研究。文献】对一簇i e e e8 0 2 1 5 4 传感器节点的m a c 层协议给出了一 个马尔可夫模型，文章侧重于研究c s m a c a 机制的最坏情况的一种极端场景。 在低功耗的研究方面【3 5 。3 8 】，n e u g e b a u e r 提出了一种基于星形网络拓扑的针对b o 自适应的新型算法，并且分析了该算法的性能1 3 习；s h u 应用一种基于c 开发的 i e e e 8 0 2 1 5 4 的仿真模型，通过全局的最优算法，最小化整个网络的能量消耗p 7 。 第三节本文的研究意义和工作 i e e e 8 0 2 1 5 4 作为新兴的无线网络标准，如上节所述，目前更多地研究集中 在模型的建立、性能的评估以及对于低功耗和能量消耗方面的研究，对于其他 网络特性的研究关注不足。但是在一些实际应用中，还是会很大程度上依赖于 其他网络性质，例如网络吞吐量，丢包率，网络时延等。特别是网络时延，对 于很多时间敏感应用例如典型的工业传感器网络以及灾难检测系统等应用场 2 第一章引言 景，网络时延性能的好坏是至关重要的。葡萄牙专门研究z i g b e e i e e e s 0 2 1 5 4 的“i p p h u r r a y ! 研究小组2 0 0 6 年的一份关于i e e e8 0 2 1 5 4 网络的技术报 告中就曾指出“由于i e e e 8 0 2 1 5 4 网络特有的g t s 机制对于时延的保证，在时 间敏感的无线传感器网络环境下的应用或会是成为将来i e e e8 0 2 1 5 4 研究的重 点关注问题之一p 2 j 。 本文便是将研究的重点放在i e e e 8 0 2 1 5 4 网络在时间敏感性场景下分析和 改进。分别关注于应用中i e e e 8 0 2 1 5 4 网络数据传输与组网建立连接两个方面 网络时延方面的特性。主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 深入分析和研究i e e e s 0 2 1 5 4 标准的协议内容，通过仿真和实际应用， 弄清i e e e 8 0 2 1 5 4 网络应用于时间敏感性应用场景下需要关注的网络特性以及 主要影响因素。 ( 2 ) 对i e e e 8 0 2 1 5 4 网络三种数据传输进行分析和比较，并针对适合实时 系统的g t s 传输机制进行深入研究，采用新兴的网络微积分的数学分析方法对 g t s 机制进行模型建立，从理论上进行网络分析，给出了g t s 机制网络延时边 界的推导和参考公式，以及数学推导的结果分析。 ( 4 ) 分析和研究i e e e 8 0 2 1 5 4 组网络连接机制并指出其在时间敏感性应用 下的问题。提出了一种新颖的快速组网连接机制( 蝴) 并采用计算机网络仿 真的方式对改进的结果进行了评估。 ( 5 ) 在j e r m i cj n 5 1 2 1 的z i g b e e 开发平台上，对于组网络连接机制改进进 行了实现。对实测场景进行了设计以及完成了相应上位机软件的开发。最终得 到相关的实测结果。 第四节论文结构安排 本文的章节安排如下： 第一章主要介绍i e e e 8 0 2 1 5 4 研究的背景以及目前的研究现状，提出本课 题的研究意义以及主要的研究内容和工作。 第二章主要为后文的研究工作进行i e e e 8 0 2 1 5 4 标准协议层面的知识介绍 和初步的分析。首先介绍z i g b e e 的特点和体系框架，接着对于i e e e 8 0 2 1 5 4 标 准的物理层和m a c 层进行简要的介绍。最后对i e e e 8 0 2 1 5 4 网络功能进行详细 的描述，包括拓扑结构的形成、四种帧结构以及超帧的简介。 3 第一章引言 第三章主要对适合于实时应用的g t s 传输机制进行深入的研究和分析。首 先对超帧以及与之相关的g t s 分配与管理行进一步分析，并且将g t s 与 i e e e 8 0 2 1 5 4 网络的其他传输方式进行比较。接着，采用新兴的网络微积分的数 学分析方法对g t s 机制进行模型建立，从理论上进行网络分析，给出了g t s 机 制网络延时边界的推导和参考公式，以及数学推导的结果分析。 第四章主要对i e e e s 0 2 1 5 4 组网络连接机制在时间敏感的应用下进行分析 和改进。首先，通过分析指出组网连接机制在网络时延方面的缺陷。接下来， 本文对标准的机制进行改进，提出一种新颖的快速组网连接机匍j ( f a m ) 。最后， 采用n s 2 仿真软件进行计算机网络仿真，得到改进后的仿真评估结果。 第五章主要z i g b e e 开发平台上对于组网连接机制改进行了实现。首先，对 j e n n i e 开发平台的软硬件环境进行介绍。接着，本文提出在该平台上的系统设计 方案，包括场景设计、计时方式的选择以及数据帧格式的重新定义。再者，介 绍了在p a n 协调器和终端设备两方面的软件程序设计流程。最后，给出在实测 平台下的测试结果。 第六章主要对本文的研究工作进行总结，并提出对于未来研究的展望。 4 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 标准的研究 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 标准的研究 第一节z i g b e e 体系框架 2 1 1z i g b e e 体系结构 在z i g b e e 技术中，其体系结构一般按照层次来划分它的协议标准。每一层 如传统的t c p i p 一样只承担自己的职责和工作，各个协议层之间通常通过已经 定义好的逻辑链路来向上和向下提供服务。 对照o s i 模型，z i g b e e 技术的体系结构通常分为4 层，物理层( p h 、媒体 访问控制层( m a c ) 、网络安全层( n w k ) 和应用框架层( a p l ) ，如图2 1 所示。 数据 s a p 数据 s a p 应用层( a s p ) 网络层( n w k ) 媒体访问控制层 ( m a c ) 管理 s a p 管理 s a p z i g b e e 协议 物理层( p h y ) i e e e s 0 2 1 5 4 协议 图2 1z i g b e e 的体系结构 在z i g b e e 技术中，z i g b e e 的物理层和媒体访问控制层采用i e e e8 0 2 1 5 4 标准，而网络层和应用层部分由z i g b e e 联盟予以制定。 物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h l ) f l 了半双工收发器和其相应的接口组成，通过无 线信道来实现数据的传输。物理层提供物理层数据服务和物理层管理服务两种 服务类型。物理层的数据服务采用无线形式的物理信道来传输物理层的数据单 元。其主要功能包括开关无线收发装置，评估链路的质量，进行能量的检测， 清除信道评估，进行信道选择等。 5 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 标准的研究 媒体访问控制层( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 用于提供节点自身和与它邻 近节点之间的可靠数据的传输链路。其主要任务是用以实现传输媒体的共享和 提高通信的有效性。m a c 层同样提供m a c 层数据以及管理两种服务类型。m a c 层的数据服务利用物理层的数据服务的提供来传输自己的数据单元。m a c 层的 主要功能包括：信道的接入，发送连接或断连请求，信标的管理，时隙的分配 和管理等。 网络层e 咖r kl a y e r ，n w k ) 用于提供数据的通信、路由方式、多跳转发， 网络的实现以及维护和一些网络安全相关的工作。当然，对于一些相对简单的 节点来说，其功能也许只是加入或离开网络。而作为路由器的节点，则需要完 成数据的转发、邻居发现以及路由发现等任务。而协调器的主要任务则包括启 动网络以及为新加入的节点分配相应的地址等。 应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ，a p l ) 主要实现z i g b e e 的网络应用，具体分为三 个组成部分：应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r tl a y e r ，a p s ) 的主要功能是将 网络的信息转发给运行在节点之上的不同的应用端点；应用对象( a p p l i c a t i o n o b j e c t ) 是运行在端点上的应用软件，它具体用以实现节点之应用功能；应用框 架则是驻留在设备当中的应用对象的环境，它负责给应用对象提供相应的数据 服务。 2 1 2z i g b e e 设备 z i g b e e 网络中的网络设备按照性能来划分，分为全功能设备以及精简功能 设备。并从逻辑上分为网络协调器( c o o r d i n a t o r ) 、路由器( r o u t e r ) 和终端设备 ( e n dd e v i c e ) 。 全功能设备( f u l lf u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) ，具有完整功能的设备，支持协议 标准所定义的所有相关功能和特性。 精简功能设备( r e d u c ef u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) ，只具有部分功能的精简设 备。r f d 的功能非常的简单，存储容量也相应地要求很少，同时可以用最低端 的微控制器来实现，在z i g b e e 网络中只能作为终端设备。 协调器( z i g b e ec o o r d i n a t o r ) 必须为f f d ，它的主要任务包括网络的启动， 信道的选择，其他网络设备地址的分配，发送信标和维护网络，以及具有最多 的存储和计算能力。 6 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 标准的研究 路由器( z i g b e er o u t e r ) 必须为f f d ，任务主要包括数据的存储转发，邻 居节点的发现，路由发现与维护。 终端设备( z i g b e ee n dd e v i c e ，z e ) 既可以是f f d 也可以是r f d ，终端设 备只能发送和接收数据。 第二节i e e e8 0 2 15 4 标准介绍 2 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 标准特点 i e e e s 0 2 1 5 4 作为z i g b e e 技术的底层协议标准，为低速无线个域网 ( l r _ w p a n ) 定义了物理层和m a c 层的特性。l p - w p a n 的优势在于易于安 装，可靠的数据传输，极低的功耗以及合理电池寿命，同时维护一个简单灵活 的协议栈。i e e e s 0 2 1 5 4 标准定义的低速无线个人网具有如下特点： 不同的载波频率下实现2 0 k b p s 、4 0 k b p s 和2 5 0 k b p s 三种传输速率。 支持星型网络和点对点网络拓扑结构。 具有1 6 位和6 4 位两种地址格式。 支持冲突避免的载波多路侦听技术( c s m a c a ) 支持确认( a c k ) 机制。 支持和处理维护保护时隙( g t s ) 机制。 能量检测( e d ) 功能。 链路质量指示( l q i ) 。 2 2 2i e e e 8 0 2 1 5 4 标准物理层 物理层的主要负责通过无线信道进行数据的传输和接收，同时为m a c 层提 供服务。它具备以下功能： 信道的选择( c h a n n e ls e l e c t ) = 信道的能量监测( e n e r g yd e t e c t ) i 空闲信道的评估( c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ) 无线信道的收发数据( p h yp r o t o c o ld a t au n i t ) ； 7 第二章i e e e8 0 2 1 5 4 标准的研究 接收包链路的质量检测。 i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层采用了扩频通信的技术，在2 4 g h z 频带上运用偏移正 交相移键控调制法，而在8 6 8 9 1 5 m h z 频带则使用二进制移相键控调制法。 i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层提供了一个从m a c 层到物理层的无线信道接口，同时 包括物理层数据服务接入点( p d s a p ) 和物理层实体服务接入点( p l m e s a p ) 。 数据服务接入点支持在对等的实体之间传输数据单元，提供