（微电子学与固体电子学专业论文）zigbee基带设计及soc系统集成.pdf

摘要 摘要 z i g b e e 技术是基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议的一种短距离无线通信技术，具 有低成本、低功耗、低速率、低复杂度、高可靠性、组网灵活等特点，广泛应用 于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等短距 离、低速率数据传输领域。 s o c 设计技术是将产品的主要功能单元完全集成于单个芯片的集成电路设计 技术，其关键技术包含总线架构技术、口核可复用技术、软硬协同设计技术、低 功耗设计技术等，普遍应用于通信、多媒体芯片设计领域，能够大大缩短产品的 研发周期。 本文首先介绍了z i g b e e 技术的特点，在i e e e8 0 2 1 5 4 ( 2 0 0 3 ) 标准协议基 础上，深入分析了物理( p h y ) 层和媒体接入控制( m a c ) 层规范，提出了z i g b e e 基带设计的模块划分，并用v e r i l o gh d l 语言具体实现，在设计中增加语音芯片 接口模块，实现基于z i g b e e 技术的语音传输功能；其次，搭建了z i g b e e 基带的 功能仿真平台，验证了主从两个设备之间数据和语音的传输与处理过程；最后， 根据s o c 设计技术，集成了包含有a r m 7 t d m i 处理器核和本文设计z i g b e e 基带 的s o c 系统，编写测试软件，利用软硬协同仿真技术，在服务器上完成了s o c 系 统功能验证，结果显示测试软件中的配置寄存器和中断处理指令均能被 a r m 7 t d m i 处理器正确执行，z i g b e e 基带能够j 下确完成数据和语音的传输与处 理。 关键词： z i g b e ei e e e 8 0 2 1 5 4 基带语音传输片上系统 a b s t r a c t a bs t r a c t z i g b e ei s as t a n d a r do p t i m i z e df o rs h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s sa p p l i e dc o m m u n i c a t i o n b a s e do ni e e e 8 0 2 1 5 4 i ti sc h a r a c t e r i z e db yi t su l t r al o wc o s t ，u l t r al o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，l o wd a t ar a t ew i r e l e s sc o n n e c t i v i t y , u l t r al o wc o m p l e x i t y , h i 曲r e l i a b i l i t y a n df l e x i b l en e t w o r ka m o n gi n e x p e n s i v ed e v i c e s i ti sm a i n l yu s e di nl r w p a n ( l o w r a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) ，s u c ha si n d u s t r i a lc o n t r o l ，h o m ea u t o m a t i o n ， m e d i c a lc a r e ，i n t e l l i g e n ta g r i c u l t u r e ，c o n s u m e re l e c t r o n i c s ，r e m o t ec o n t r o la n ds o 0 n s y s t e m 一0 n c h i p ( s o c ) i sad e s i g nt e c h n o l o g yt h a tt h em a i nf u n c t i o n a lu n i t sa r ef u l t y i n t e g r a t e di nas i n g l ei n t e g r a t e dc i r c u i tc h i p t h ek e y so ft h i st e c h n o l o g yi n c l u d eb u s a r c h i t i e c t u r e ，i pr e u s e d ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ec o d e s i g n a n dl o w - p o w e rd e s i g n t e c h n o l o g i e s i ti sw i d e l yu s e di nc o m m u n i c a t i o na n dm u l t i m e d i ac h i pd e s i g n ，w h i c h c a l lg r e a t l ys h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n tc y c l e f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ef e a t u r e so ft h ez i g b e e ，a n a l y s i s e st h ep h y s i c a l ( p h y ) l a y e ra n dm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e r , m a k e st h ed e s i g no fz i g b e eb a s e b a n d m o d u l e sd i v i s i o na n da c h i e v e st h e mw i t hv e r i l o gh d l t h ev o i c et r a n s m i s s i o n f u n c t i o nb a s e do nz i g b e ei sr e a l i z e db ya d d i n gp c mi n t e r f a c em o d u l ei nt h eb a s e b a n d d e s i g n s e c o n d l y , t h ed a t aa n dv o i c et r a n s m i s s i o nb e t w e e nm a s t e rd e v i c e sb a s e b a n da n ds l a v e d e v i c e sb a s e b a n da r ev e r i f i e db yt h ef u n c t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r m ，w h i c hi ss e t t e du p i nt h i sd e s i g n l a s t l y , s o cs y s t e m ，i n c l u d e dz i g b e eb a s e b a n d ，a r m 7 t d m ip r o c e s s o r c o r ea n dt h e o t h e ri p s ，i si n t e g r a t e da n dv e r i f l e dw i t ht e s ts o f t w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a r m 7 t d m i p r o c e s s o rc o r ec a ni m p l e m e n tt h et e s ts o f t w a r ec o r r e c t l ya n d t h ed a t aa n d v o i c ec a l lb et r a n s m i s s e dc o r r e c t l yb e t w e e nt h em a s t e rd e v i c ea n dt h es l a v ed e v i c e k e y w o r d s ：z i g b e e i e e e 8 0 2 15 4b a s e b a n d v o i c et r a n s m i s s i o n s y s t e m - o n - c h i p 独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果：也不包含为获得西安电子科技大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期伽叩f 、岬 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人签名： 导师签名： 日期伽口 i 丫 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 随着科学技术的发展，无线技术逐渐取代有线技术，仅支持静态固定拓扑的 无线网络逐渐被支持动态变化拓扑的无线网络取代。在短距离的无线控制、监测、 数据传输领域，通用的技术i r d a 、b l u e t o o t h ( 蓝牙) 、h o m c r f 等各有自己的优 势，但同时也存在着许多缺陷。比如，i r d a 主要缺陷是只能视距传输，设备中的 核心部件红外线l e d 易损；蓝牙协议复杂、功耗高、成本高等特点不适用于 低成本、低功耗的工业控制和家庭网络领域；h o m e r f 则主要针对家庭网络，存 在组网规模小及技术不公开等缺陷。 为弥补上述各种技术手段的不足，由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、 美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司组成的z i g b e e 联盟，于2 0 0 4 年推出基 于i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议的z i g b e e 协议栈，形成完整的z i g b e e 技术。该技术不 仅具有低成本、低功耗、低速率、低复杂度的特点，而且具有可靠性高，组网简 单灵活等优势。主要针对低速率传感器网络应用，能够满足小型化、低成本设备 ( 如温度调节装置、照明控制器、环境监测传感器等) 的无线联网要求，广泛应 用于工业、农业和日常生活中f 】j r 2 。 1 2z i g b e e 技术简介 1 2 1z i g b e e 技术的发展 在标准规范制订方面，主要是i e e e8 0 2 1 5 4 小组与z i g b e e 联盟两个组织，分 别制订硬件和软件标准。z i g b e e 技术的体系结构主要由物理层( p h y ) 、媒体接入 控制层( m a c ) 、网络安全层以及应用框架层组成，各层之间分布如图1 1 所示： 图1 1z i g b e e 技术协议框架1 1 议 2 z i g b e e 基带设计及s o c 系统集成 在i e e e8 0 2 1 5 4 方面，2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了8 0 2 1 5 4 小组，负责制订媒 体存取控制层( m a c ) 与物理层( p h y ) 规范，在2 0 0 3 年5 月通过i e e e 8 0 2 1 5 4 标准。2 0 0 6 年，8 0 2 1 5 4 任务小组对标准进行了升级，主要是加强8 0 2 1 5 4 标准， 包括有解决标准疑义之处、降低复杂度、提高弹性并思考新的频段分配等。 在z i g b e e 联盟方面，z i g b e e 联盟是在2 0 0 2 年1 0 月由h o n e y w e l l 、m i t s u b i s h i 、 m o t o r o l a 、p h i l i p s 与i n v e n s y s 共同成立，z i g b e e 联盟负责制订网路层、安全管理、 应用介面规范，并肩负互通测试，于2 0 0 4 年1 2 月1 4 曰宣布确定z i g b e e 的正式 规格。 1 2 2z i g b e e 技术特点 z i g b e e 技术作为一种新兴的低速率、低功耗、短距离无线通信技术，有自己 的无线电标准协议，可在数千个微小的设备之间相互协调实现通信。这些设备只 需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个设备传到另一个设备， 通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无 线技术( 如w i m a x ) 收集。 利用z i g b e e 技术组成的无线个人区域网( w p a n ) 是一种低速率的无线个人 区域网( l r w p a n ) ，这种低速率个人局域网结构简单、成本低廉，具有有限的 功率和灵活的吞吐量。l r w p a n 的主要目标是实现安装容易、数据传输可靠、短 距离通信、非常低的成本以及功耗，并拥有一个简单而灵活的通信网络协议。在 一个l r - w p a n 中，可同时存在两种不同类型的设备，一种是具有完整功能的设 备( f f d ) ，另一种是简化功能的设备( r f d ) 。f f d 可作为协调器和终端设备，能 够发起并建立一个网络。r f d 只能作为终端使用，其应用非常简单、容易实现， 仅需使用很小的资源和存储空间，方便组建一个低成本和低功耗的无线通信网络。 综上所述，z i g b e e 技术的主要特点可概括为以下几个部分： 1 工作频段灵活：使用的频段分别为2 4 g h z ( 全球) 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均为免执照频段； 2 有效范围小：有效覆盖范围1 0 - 7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大小和 各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境； 3 数据传输速率低：针对不同频段分别采用2 0 k b p s 到2 5 0 k b p s 的传输速率，专 注于低速率数据传输应用领域； 4 功耗低：由于z i g b e e 的传输速率低，发射功率仅为l m w ，而且采用休眠模式 降低功耗，因此z i g b e e 设备非常省电。据估算，z i g b e e 设备仅靠两节5 号电池 就可以维持长达6 个月到2 年的使用时间，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。 5 成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所需存储空间小，且z i g b e e 协 第一章绪论 议免收专利费，这些都大大降低了设备成本； 6 时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为3 0 m s ， 休眠激活时延为1 5 m s ，活动设备信道接入时延为1 5 m s ，这样一方面节省了能量消 耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些应用在工业上的传感器就需 要以毫秒的速度获取信息； 7 可靠：由于z i g b e e 采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预 留了专用时隙，从而避免了发送数据时的竞争和冲突。m a c 层可采用确认的数据 传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，保证节点之间传输 信息的高可靠性； 8 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用a e s 1 2 8 ，同 时可以灵活配置确定其安全属性，适用于不同环境； 9 网络容量大：每个z i g , b e e 网络最多可支持6 5 5 3 5 个设备，也就是说，每个z i g b e e 设备可以与另外6 5 5 3 4 台设备相连接； 1 0 优良的网络拓扑能力：z i g b e e 具有星型和对等网络拓扑结构的能力，并能由 此派生出其它类似网络结构，图1 2 给出了z i g b e e 技术的部分网络拓扑结构。 z i g b e e 设备实际上具有无线网路自愈能力，能简单地覆盖广阔范围。 f f d o r f d _ 信息流 ( c ) 组合网络拓扑结构 图1 2z i g b e e 网络拓扑结构图 1 2 3z i g b e e 技术的应用与发展前景 络拓扑结构 根据z i g b e e 联盟目前的设想，z i g b e e 的目标市场主要有p c 外设( 鼠标、键 盘、游戏操控杆) 、消费类电子设备( r r v 、v c r 、c d 、v c d 、d v d 等设备上的遥 控装置) 、家庭内智能控制( 照明、煤气计量控制及报警等) 、玩具( 电子宠物) 、 4 z i g b e e 基带设计及s o c 系统集成 医护( 监视器和传感器) 、工控( 监视器、传感器和自动控制设备) 等非常广阔的 领域。世界上各大公司和组织普遍看好z i g b e e 技术及其未来的应用潜力和价值， 标准公布后，许多公司和生产商陆续地推出自己的产品和开发系统，加速了z i g b e e 技术的发展。很多科研机构也不断增加在z i g b e e 技术方面研究的投入，把z i g b e e 的发展方向推向一个新的高度。 1 3 研究工作及论文安排 在z i g b e e 基带设计及实现过程中，根据i e e e 8 0 2 1 5 4 ( 2 0 0 3 ) 标准协议【3 】， 提出基带的模块划分并具体实现各个子模块；搭建整个z i g b e e 基带的功能验证环 境，进行功能验证；结合a r m 7 t d m i 核【4 】，实习整个s o c 系统平台的集成及仿 真验证【5 1 。 本论文的主要内容如下： 第一章，提出本文的研究目的及意义、相关技术背景和作者在此项目中具体 工作及论文结构安排。 第二章，着重介绍了本文z i g , b e e 基带设计实现的i e e e 8 0 2 1 5 4 ( 2 0 0 3 ) 标 准中的p h y 和m a c 层规范。 第三章，首先介绍了z i g b e e 基带的模块划分，各个模块的基本功能及具体实 现过程，然后介绍了基带功能仿真平台搭建，给出仿真测试过程与结果。 第四章，主要介绍了s o c 系统的集成与验证，涉及a r m 核、a m b a 总线1 6 】、 软件编译【7 1 等知识，给出本文s o c 系统的仿真验证结果。 第五章，对全文进行总结，并提出需进一步改善的方面。 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议概述 5 第二章le e e 8 0 2 15 4 协议概述 在z i g b e e 技术中，物理( p h y ) 层和媒体接入控制( m a c ) 层采用i e e e 8 0 2 1 5 4 标准协议【l 】【3 1 。其中，p h y 层提供了两种类型的服务：通过物理层管理实体接口 ( p u 肛) 对p h y 层数据和p h y 层管理提供服务，具体可通过无线物理信道发 送和接收物理层协议数据单元( p p d u ) 来实现；m a c 层也提供了两种类型的服 务：通过m a c 层管理实体服务接入点( m l m e s a p ) 向m a c 层数据和m a c 层管理提供服务，具体可通过p h y 层数据服务发送和接收m a c 层协议数据单元 ( m p d u ) 。本章将简要介绍i e e e 8 0 2 1 5 4 标准协议中的p h y 层和m a c 层规范。 2 1z i g b e e 物理层协议规范 2 1 1 z i g b e e 工作频率及信道划分 z i g b e e 所使用的频率范围主要分为8 6 8 9 1 5 m h z 和2 4 g h z 三个i s m 频段， 各个具体频段的频率范围如表2 1 所列。 表2 1 国家和地区z i g b e e 频率工作范围 工作频率范围m i - i z频段类型国家和地区 8 6 8 8 6 8 6i s m欧美 9 0 2 9 2 8i s m 北美 2 4 0 0 2 4 8 3 5 i s m 全球 由于各个国家和地区采用的工作频率范围不同，为提高数据传输速率， i e e e 8 0 2 1 5 4 标准协议对于不同的频率范围，规定了不同的调制方式，因而在不 同频段上，其数据传输速率不同，具体调制和传输速率如表2 2 所列。 表2 2 频段和数据传输率 频段舭 扩展参数 数据参数 码片速率调制比特速率符号速率符号 ( k c h i p s )( k b p s ) ( k b a u d s ) 8 6 8 8 6 8 6 3 0 0 b p s k2 0 2 0 二进制 9 0 2 9 2 86 0 0b p s k4 04 0 二进制 2 4 0 0 2 4 8 3 52 0 0 0 o q p s k 2 5 06 2 。5 1 6 相正交 z i g b e e 使用3 个工作频段，每一频段宽度不同，其分配信道的个数也不相同， 在i e e e 8 0 2 1 5 4 规范标准中定义了2 7 个物理信道，信道编号从0 到2 6 ，在不同 的频段其带宽不同。 f c = 8 6 8 3 n m z f c = 9 0 6 + 2 ( k 一1 ) v i - i z k = 0 时 k = l ，2 ，1 0 时 ( 2 1 ) 6 z i g b e e 基带设计及s o c 系统集成 f c = 2 4 0 5 + 5 ( k 一1 1 ) m h zk = l l ，1 2 , - - , 2 6 时 式( 2 1 ) 中，k 是信道编号，其频率和信道分布状况如图2 1 所示： 信道0 厂、 j l 8 6 8 3 m h z 信道l l 一2 6 信道l 1 0叫卜2 m h z 凸凸凸凸 9 0 2 m i - i z 9 2 8 m h z 叫卜5 m h 2 2 4 0 h z2 4 8 3 5 a h z 图2 1 频率和信道分布 在选择z i g b e e 设备时，应根据当地天线管委会的规定，购买符合当地所允许 使用频段条件的设备，我国规定z i g b e e 的使用频段是2 4 g h z ，所以本文也主要 讨论了该频段下的z i g b e e 基带设计。 2 1 2 物理层结构描述 z i g b e e 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从m a c 层到物理层无线 通信的接口。在物理层中包含一个物理层管理实体( p u 肛) ，该实体通过调用物 理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接口，同时还负责维护由物理层 所管理的目标数据库，该数据库包含有物理层个域网络的基本信息。z i g b e e 物理 层的接口如图2 2 所示。 数据服务 接入点 物理层 1 物理层实体 j 服务接入点l 物理层管理实体 l 物理层个域网络i 基本信息 无线射频服务接入点 图2 。2 物理层结构参考模型 从图中可以看出，在物理层存在数据服务接入点和物理层实体服务接入点， 通过这两个服务接入点提供如下两种服务：( 1 ) 通过物理层数据服务接入点 ( p d s a p ) 为物理层数据提供服务；( 2 ) 通过物理层管理实体( p l m e ) 服务的 接入点( p l m e s a p ) 为物理层管理提供服务。 p d s a p 支持在对等链接m a c 层的实体之间传输m a c 层协议数据单元 m p d u ，所支持的原语有请求( r e q u e s t ) 原语、确认( c o n f i r m ) 原语和指示 ( i n d i c a t i o n ) 原语。原语是一个抽象概念，是层与层之间信息交互的接口，交互 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议概述 7 的信息就是原语的参数。原语仅仅指出提供服务的内容，而没有指出由谁来提供 这些服务，原语的定义与其他任何接口的实现无关。原语有四种类型：请求 ( r e q u e s t ) 、确认( c o n f i r m ) 、指示( i n d i c a t i o n ) 和响应( r e s p o n s e ) ，其中r e q u e s t 和r e s p o n s e 是从上层到下层的，c o n f i r m 和i n d i c a t i o n 是从下层到上层的。图1 ，3 描述了原语的基本概念，在图中，描述了一个具有n 个用户的网络中，两个对等 用户以及他们与m 层( 或子层) 对等协议实体建立连接的服务原语。 服务用户服务提供者服务用户 请求 确认 ( m - l a y e r ) 指示 响应 图2 3 服务原语 p l m e s a p 在m a c 层管理实体( m u 肛) 和物理层管理实体( p u 腥) 之 间传送管理命令原语，具体涉及请求和清除信道评估原语，能量检测请求和确认 原语，属性请求和确认原语，设置设备收发状态请求和确认原语，p i b 属性设置 请求和确认原语。 表2 3p p d u 数据包的格式 4 字节1 字节 1 字节变量 前同步码帧定界符帧长度( 7 b i t )预留位( 1 b i t ) p s d u 同步包头 物理层包头物理层净荷 表2 3 给出物理层协议数据单元( p p d u ) 数据包的结构，每个p p d u 数据包 都由以下几个基本的部分组成： 同步包头s h r ：允许接收设备锁定在比特流上，并且与该比特流保持同步。 在8 0 2 1 5 4 标准协议中，前同步码由二进制数3 2 b 0 组成，帧定界符由一个 字节组成用来说明同步码的结束和数据包数据的开始，为一个给定的十六进 制数0 x a 7 ： 物理层包头p h r ：包含帧长度信息。帧长度占7 个比特，其值是p s d u 中包 含的字节数( 即净荷数) 。其中，值为5 个字节用来表示确认帧的长度，8 到 1 2 7 字节表示m p d u 的净荷长度，其余值保留； 物理层净荷：长度不定的净荷，携带m a c 层的帧信息。 2 1 3 物理层功能描述 p h y 层的功能是启动和关闭无线收发器，能量检测，链路管理，信道选择， 信道无占用评估( c c a ) ，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。 z i g b e e 基带设计及s o c 系统集成 图2 4 调制和扩频功能框图 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准协议中，规定了2 4 g h z 物理层的数据传输速率为2 5 0 k b p s ， 采用1 6 相位正交调制技术。在调制前，将数据信号通过转换处理，将信息按每4 位信息比特进行处理，每4 位信息比特组成一个符号数据，根据符号数据，从1 6 个几乎正交的伪随机序列( p n 序列) 中，如表2 4 所示，选取其中一个序列作为 传送序列。根据所发送连续的数据信息，将所选出的p n 序列串接起来，并使用 o q p s k 的调制方法，将这些集合在一起的序列调制到载波上，如图2 4 所示。 表2 4 符号一码片之间映射关系 符号数据符号数据二进制p n 序列- - 进制 什进制 ( b 0 ，b l ，b 2 ，b 3 ) ( c o c l c 3 0 c 3 1 ) 0 0 0 0 0 11o11o ol 11oo 0 011o1o1o o10 o olol1l0 l 1lo11o11o o1l10 0 001l01olo 0100 0lo 1 1 0 0 0 0 01ol1 1o11ollo o11l0 0 0 011ol01o ol0 20 1 0 0 0 0l0 00lol ll01 l0l l0 01l 100 0 01 l0l01 3 1 1 0 0 olo1o olo o o1ol1l0l10l lo olllo oo o11 4 0 0 1 0 o 01lo1ol0ol00 010l1 l0l10l1o0l 110 0 51 0 1 0 llo o o ol 1o1o1o o1o oo101llol lo110 0l 60 1 1 0 1o o1l 1o00 0ll0lol0 01o o01oll lol10l 71 1 1 0 1o o ol 1o 01o o1ollo oo o 0 o111ol1l1o1l 80 0 0 1 lo1l1o o o1 l0 010 01oll0 0 0 0 0 0ll1olll 9 1 0 0 1 o1 1l1ol1lo 0oll0 o10 0lo1 10 0 0 0 0 01 1 1 1 00 1 0 1 ol1lo11llol110 0 0ll0 0l0 ol0ll0 00 00 1 11 1 0 1 o o o o 01 1lo1 l l lollloo oll0 010 0l0l lo 1 2 0 0 1 1 olloo o o o o1 l lo11llo1 l1o 0 01 lo o10 01 1 31 0 1 1 lo 01o1l0 o o0 0olll0llllol1lo o 0l l0 0 1 4 o l l l 11o o1o olo11o 0 0 0 o o1ll0l1110l1 l0 0 0 1 5 1 1 1 1 在z i g b e e 接收中，接收机的能量检测( e d ) 作为信道选择算法中的一个重 要组成部分，是为了对网络进行连接管理，而提供的一种信道测量。e d 对在 z i g b e e 信道带宽之内，对所接收到的信号功率进行估计，而不需在信道上，对信 号进行鉴别和译码。通常能量检测的时间为8 个符号周期，结果为从0 x 0 0 到0 x f f 的8 比特整数，并通过物理层的能量检测确认原语向m a c 层的管理实体报告所 检测的结果，上层将根据此结果来选择网络所采用的信道。 第二章i e e e 8 0 2 15 4 协议概述 9 i ，o 球 图2 5c c 2 4 2 0 芯片解码过程 参考c c 2 4 2 0 芯片的接收解码过程( 图2 5 为其简化的解码过程框图) ，可知 解码完成的功能有接收信号强度指示( r s s i ) ，增益控制，信道滤波，帧同步， 接扩和镜像抑制功能。r s s i 实际上就是能量检测( e d ) 值，用r s s i 与后面产生 的c o r r e l a t i o nv a l u e 通过软件计算出链路质量指标( l q i ) ，r s s i 和个可编程的 阈值r s s i c c at h r 来确定清除信道评估( c c a ) 的结果，完成免冲突载波监听 多路接入防冲撞( c s m a c a ) 机制。 在z i g b e e 物理层标准协议中，通过下面三种方式中的一种进行c c a ： c c a 模式l ：超出阈值的能量，当c c a 检测到一个超出能量检测的阈值能 量时，给出一个忙的信息。 c c a 模式2 ：载波判断，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，给出一个忙的信息。 c c a 模式3 ：带有超出阈值能量的载波判断，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，并超出阈值能量的扩展信号时，给出一个忙的信息。 以上忙与空闲信息均由清除信道评估确认原语提供给m a c 层。 2 2z i g b e em a c 层协议规范 2 2 1m a c 层结构描述 在m a c 层中，通过该层两个不同的服务接入点为其提供两种不同的m a c 层服务，即通过其公共部分子层服务接入点( m c p s s a p ) 提供数据服务；通过 管理实体服务接入点( m l m e s a p ) 提供管理服务。图2 6 描述了m a c 层的结 构和接口。 m a c 层公共部分子层一 曝务接入点( m c p s s a p ) m a c 公共部分子层 帧控制子域位长为16 b i t ，包括帧类型的定义、地址子域和其他控制标志，具 体格式如表2 6 所示。 表2 6 帧控制域格式 位：m 乞34567 91 0 1 11 2 1 31 4 1 5 f r a m e s e c u r i t y f r a m ea c l ci n t r a -r e s e r v e dd e s t r e s e r v e ds o u r c e t y p e e n a b l e d p e n d i n gr e q u e s t p a n a d d r e s s i n g a d d r e s s i n g m o d em o d e 其中，f r a m et y p e 位用来指示帧的类型，包含信标帧、确认帧、数据帧和m a c 命令；s e c u r i t ye n a b l e d 位用来指示是否对该帧数据进行加解密操作；a c k r e q u e s t 位表示当接收到数据帧或m a c 层命令帧时，接收方是否需要发送确认信息；i n t r a ， p a n 位指定将该m a c 帧是在内部个域网传输，还是传输到另一个个域网，在目 的地址和源地址对存在的情况下，若该位为1 ，则帧中不包含源p a n 标识符：d e s t a d d r e s s i n gm o d e 和s o u r c ea d d r e s s i n gm o d e 位分别表示目的地址模式和源地址模 式，2 b 0 0 表示p a n 标识符和地址域不存在，2 b 1 0 表示包含1 6 位短地址子域， 2 b 1 1 表示包含6 4 位扩展地址子域( 2 b 0 1 保留) ； 序列号子域为m a c 层帧的唯一的序列标识符。对于信标帧，此域为信标序 号( b s n ) 值，每个协调器随即初始化信标序号，并将该信标序号存储在m a c 层p a n 信息库的属性m a c b s n 中，每生成一个新的信标帧，该子域加l ；对于数 据帧、确认帧或者m a c 层命令帧，该子域指定一个数据序列号( d s n ) ，用来使 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议概述 确认帧和数据帧或m a c 层命令帧相匹配，每生成一个这样的帧，该子域值加1 ； 地址域的字节长度可变，将根据相应的地址模式采用不同长度的地址及决定 是否使用p a n 标识符； 帧载荷子域长度可变，不同的帧类型包含不同的信息，对于数据帧和m a c 层命令帧，该部分由用户具体决定，确认帧中不存在该子域。； 帧校验序列子域( f c s ) 由m a c 层帧头和m a c 层帧的载荷部分计算得到， 使用串行的c r c 一1 6 校验，生成多项式为g ( 石) = 工1 6 + 一2 - i - 夕+ 1 2 2 2m a c 层功能描述 m a c 层的功能具体体现在：( 1 ) 信道访问机制，分别是基于竞争机制和非 竞争机制；( 2 ) 启动和维护p a n 机制；( 3 ) 设备加入和离开p a n 的机制；( 4 ) 设备获取并维持与协调器同步的机制；( 5 ) 包括间接传送在内的发送、接收和确 认机制；( 6 ) 帧的重传机制；( 7 ) 分配和释放保护时隙的机制等。 在竞争期内发送数据和m a c 命令帧之前，使用载波侦听多点接入避免冲撞 ( c s m a c a ：c a r t 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 ) 算法。该算 法最早在i e e e 8 0 2 1 1 标准协议中定义，特点是：( 1 ) 载波侦听，查看介质是否空 闲；( 2 ) 避免冲撞，通过随机的时间等待，使信号冲突发生的概率减到最小，当 介质被侦听到空闲时，优先发送。为了系统更加稳固，i e e e 8 0 2 1 5 4 提供了带确 认帧a c k 的c s m a c a ，在一旦遭受其他噪声干扰，或者由于侦听失败时，信号 冲突就有可能发生，而这种工作于m a c 层的a c k 此时能够提供快速的恢复能力。 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准协议中定义的c s m a c a 算法流程如图2 7 所示： 孑一 n b - o c w - 2 n 者 b b - m m m b e 杏， 卅晒呤v 。i 丫id e - m i b ( 2 , m 。m i n b e ) i i 虹迟一 艳t 周期l 。蛊署嚣l s e = 竺- m e t i 在逗行雯c 期c a 垴界执 i ，l 。o c 。m e 。i “。k 。a 。f l l 1 爷 i ( 2 b e - 1 ) 花圈内髓机i i 聒m 一个退避周期l 一 燃彝l 行c c = 恐b e - ，m f “b e + l ，- m 由旧e ) c w ：c o n t e n t i o nw i n d o w ( 1 e n g t h ) 竞争窗口( 长度) ，该变量只用于时隙的 c s m a c a ，在传送开始之前，确定实现信道活动空闲之前退避的次数，初始 化为2 ，当每次信道访问为忙时，复位为2 ； b e ：b a c k o f fe x p o n e n t 退避指数，与设备在试图访问信道之前，需要等待的 退避周期有关。在有时隙的c s m a c a 算法中，电池寿命扩展的含义应该是 b e = l e s s e ro f ( 2 ，m a c m i n b e ) ，选取尽可能小的退避周期，以保证设备不在 c s m a c a 机制上浪费太多的能量。 数据和m a c 命令帧发送的时候，其帧控制域的确认请求子域应做相应的设 置。当发送帧的确认请求子域设置为0 时，发送帧的设备将不会得到目标接收设 备的确认，因此，发送设备认为已经成功传送该帧；当该子域设置为1 时，接收 设备将对发送帧进行确认，如果目标接收设备正确地接收到该帧，将产生并发送 一个确认帧，确认帧中的数据顺序编号( d s n ) 与所确认的数据帧或m a c 命令 帧相同，发送设备接收该帧并最终确定是否成功传送完该数据帧或m a c 层命令 帧，如果发送设备在规定的时间内不能接收到该确认帧，则要重传该数据帧或 m a c 层命令帧。 2 2 3 帧安全 z i g b e e 技术协议为所传送的帧提供了如下的工作模式： 非安全模式：即不对数据进行任何处理的工作模式； 接入控制列表( a c l ) 模式：为设备之间的通信提供有限的安全服务，通过 m a c 层判断所接收到的帧是否来自于所指定的设备，如果不是则拒绝所接收 到的帧； 安全模式：提供接入控制、数据加密、帧的完整性和有序刷新四种安全服务。 接入控制由目的地址决定，如果接收设备检测到帧中的目的地址不是该设备 的地址时，则不再监听该帧数据的传输；数据加密和帧的完整性是对所传送 数据进行相应的处理，使在空中传送的数据为加密后的密文，不易被别人破 坏或破解；序刷新技术是采用一种规定的接收帧顺序对帧进行处理，当接收 到一个帧信息后，得到一个新的刷新值，将该值与前一个刷新值比较，如果 该值更新，则检验正确，并将前一个刷新值刷新成该值。 配置相应属性变量值，可以使设备工作在安全模式下，此时，设备可能使用 以下三种安全方案的一种。 第二章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议概述 1 a e s c r 】爻 计数模式对称加密算法是利用给定的密钥和输入块( 主要是由现时n o n c e 组 成的1 2 8 b i t 块) 经a e s 1 2 8 加密算法得到一个输出，该输出再与输入的明文数据 流进行异或操作后，产生密文数据流的过程。其中密钥将根据使用的加密算法的 要求确定其长度，n o n c e 可以是时间戳、计数器或其他的一些标志信号，但要保 证对不同的帧数据，该n o n c e 都是不同的，这样做的目的是打乱明文与密文之间 的对应关系，保证即使破译者得到部分的密文及对应的明文，也不会由此破译密 钥并得到全文。z i g b e e 使用a e s 1 2 8 加密算法，对应的密钥长度为1 2 8 位，n o n c e 使用计数器( 包含8 b y t e 源地址、4 b y t e 帧计数器和l b y t e 密钥序列计数器) ，输入 块长度也是1 2 8 b i t ，其格式如表2 7 所示。 表2 7a e s - c t r 安全模式输入块 字节数：1 8412 n o n c e 标志块计数器 源地址帧计数器密钥序列计数器 标志位用来区分a e s c t r ，a e s c b c m a c ，a e s c c m 等安全模式，8 0 2 1 5 4 协议中选择8 b 1 0 0 0 _ 0 0 1 0 ； 帧计数器和密钥序列计数器