（电力电子与电力传动专业论文）基于zigbee的短距离通信技术研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t z i g b e et e c h n o l o g y , w h i c hi sm a d eb yt h ec o n v e r g e n c eo fs e n s o r , e m b e d d e d c o m p u t a t i o n ，n e t w o r k sa n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i san o v e lt e c h n o l o g y f o ra c q u i r i n ga n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o n ，a n dc a l lb eu s e df o r t e s t i n g ，s e n s i n g ， c o l l e c t i n g a n dp r o c e s s i n gi n f o r m a t i o no fm o n i t o r e do b j e c t s z i g b e et e c h n o l o g y b e c o m e san e wr e s e a r c hf i e l da n dh a sab r i g h tf u t u r ei na p p l i c a t i o n b o t ha c a d e m i aa n d i n d u s t r y a r ev e r yi n t e r e s t e di ni t t i m es y n c h r o n i z a t i o ni sac r i t i c a l p i e c eo f i n f r a s t r u c t u r ef o ra n yd i s t r i b u t e ds y s t e m sa n da l s oi sa ni m p o r t a n ts u p p o r tt e c h n i q u eo f z i g b e e ，a p p l i c a t i o n ss u c ha se n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，n a v i g a t i o ng u i d a n c en e e dt h e c o l l e c t e dd a t aw i t ha c c u r a t et i m ei n f o r m a t i o n o t h e r w i s et h ed a t ai sn o ti n t e g r a t e d 1 1 1t h ep a p e r ，t h ea u t h o ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n dc u r r e n ts i t u a t i o no f z i g b e e i nc h i n aa n df o r e i g nc o u t r i e s a n a l y z e dt h ei e e e8 0 2 15 4 z i g b e ep r o t o c o ls t a c ka n d t h ee x i s t e n tc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s r e s e a r c h e ds e v e r a lo ft h ee x i s t i n gm a i n c l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m s i no r d e rt of a c i l i t a t et h en a v i g a t i o n1 i g h tt ot h es o l a r p o w e rs u p p l y , i nt h ep r o j e c to f p h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e mp h a r o ss y n c h r o n a lf l i c k e r t e c h n o l o g y ，n e e d st h ed o r m a n c ym o d et or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n ，a n dw o r k t o g e t h e rt o e n s u l et h a tt h ee q u i p m e n to ft h ez i g b e en e t w o r k t h e r e f o r ec l o c k s y n c h r o n i z a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ta n dp l a yag o o dr o l ei nt h ef a i r w a y t h es y s t e mc a n p r o v i d ep r o p e rc l o c ki n f o r m a t i o nf o re a c hp h a r o s ，i tw i l ln o to n l yi m p r o v et h eq u a l i t y a n de f f i c i e n c yo ft r a n s m i s s i o ni nt h es y s t e m ，b u ta l s oe n a b l e sp h a r o ss y n c h r o n i z a t i o n f l i c k e r t h e n ，i td e s c r i b e st h ed e t a i ld e s i g np r o c e s so fs y s t e m i n c l u d i n gt h eh a r d w a r e m o d u l ed e s i g np r i n c i p l e ，t h ec i r c u i ts c h e m a t i cd i a g r a ma n dt h em a i nm o d u l e so ft h e d e t a i l e dp r o c e s so fi m p l e m e n t a t i o n f i n a l l y , i tp o i n t so u tt h ei n s u f f i c i e n c yo ft h i sp a p e r a n dt h ea s p e c t sw h i c hn e e dt oi m p r o v e t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： 1 a i m i n ga tt h ep r o b l e mo ft h en e t w o r kt o p o l o g y , p r o t o c o la r c h i t e c t u r ea n d i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nt e c h n o l o g yt oa n a l y s i s m e a n w h i l ec o m p a r ew i t ho t h e rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds t u d yt h e i rm u t u a li n t e r f e r e n c e 2 t h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h ez i g b e en o d ec l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mw e r e d i s c u s s e dt h o r o u g h l y , s u m m e du pt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s ea l g o r i t h m s a n di m p r o v e df t s pm u l t i h o pc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nc o m p a r i s i o no f s e v e r a le x i s t i n gc l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m 3 d e s i g n e dt h ep h a r o ss y n c h r o n a lf l i c k e rs y s t e m ，d r a w e das c h e m a t i cd i a g r a mo f h a r d w a r em o d u l e sa n ds o r w a r ea n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o nt h ee l e c t r om a g n e t i c c o m p a t i b i l i t ys o l u t i o ni np c bp r o b l e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mi ss t a b l e 。r e l i a b l e ，e f f i c i e n ta n dh a sh i g hp r a c t i c a l v a l u e k e y w o r d s ：z i g b e e ，c l o c ks y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t h m ，f l o o d i n gt i m es y n c h r o n i z a t i o n p r o t o c o ，p h a r o s ，e l e c t r om a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y i i 湖办j 棠大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 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，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，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，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位诒文作者签名：闭扬日期? 乒月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者元全 解学校有夭保管、便片j 字位论文的规足，艮u ：字板有权保管 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 权湖北工业大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：闭扬 指导教师签名：易鳓和。l 吼z 毋月夕日吼冲占月夕日。 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 随着嵌入式技术、半导体集成技术和无线通信技术的发展，近年来，陆续出 现了多种新的短距离无线通信技术，其在远程监控、网络以及其他领域的应用日 益广泛，显示出了巨大的应用价值，也引起世界上许多国家的军事部门、工业界 和学术界的关注。仅仅从i e e e 8 0 2 1 1 标准就产生出了许多新的协议n 3 ，如8 0 2 1 1 a 、 8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 l g 、8 0 2 1 1 h 以及高性能无线局域网技术等，其传输速率和距离等都 得到了提高。目前已经得到应用的短距离无线通信技术有很多，如蓝牙( b l u e t o o t h ) 、 z i g b e e 、超宽带( u w b ) 、红外( i r d a ) 技术等。 2 0 0 0 年1 2 月，美国电气和电子工程师协会成立了无线个人局域网工作组，专 门致力于定义无线个人局域网的通信协议；为了推出与i e e e 8 0 2 1 5 4 标准相配套 的网络层及应用层规范，z i g b e e 联盟于2 0 0 1 年8 月成立；2 0 0 2 年下半年，美国 摩托罗拉公司、英国h a v e n s y s 公司、日本三菱电气公司以及荷兰飞利浦半导体公 司共同宣布加入z i g b e e 联盟；于2 0 0 3 年1 0 月发布了针对低功耗、低成本和低数 据传输率应用的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，该标准制定了低速无线个人局域网物理层和 媒体接入控制子层的规范。2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e 联盟推出了统一的标准，即基 于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准之上的网络层和应用层汪3 。 如今，z i g b e e 联盟己经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商，并 还在迅速发展壮大。z i g b e e 技术以其低功耗、低成本、短时延、网络容量大和安 全可靠等特点，正在安保、监测、救难、家居等行业的应用中扮演着逐渐重要的 角色。 1 2 课题来源、背景和意义 本课题所开展的相关研究工作是以下科研项目的组成部分： 1 湖北省教育厅科研项目：全光谱太阳能航标灯关键技术的研究，项目编号 “2 0 0 7 0 6 2 5 1 0 4 9 1 5 ”。 2 湖北工业大学与交通部长江航道局合作的科学技术研究项目：太阳能航标 灯同步闪光技术研究，项目编号“2 0 0 6 3 0 0 9 ”。 3 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目：“节能与新能源汽车 ，项目编号 湖北工业大学硕士学位论文 “2 0 0 7 a a l l a l 0 3 ”。 目前，短距离无线通信技术已经成为无线通信技术的一个重要的分支，这是 因为在现实生活中，存在着许多这样的应用情况，系统所传输的数据通常为小量 的突发数据信号，即数据特征为数据量小，需要构建网络，要求进行实时传送， 因此用户希望利用具有成本低、体积小、和能耗小的短距离无线通信技术b 1 。 z i g b e e 技术符合以上的要求，并且可应用于军事、工业控制、环境、楼宇控 制、保健、交通等领域，针对z i g b e e 的应用背景，对其终端的要求是尽量节省系 统能量消耗、尽量节省信息处理以及简易的信号收发。而对于z i g b e e 网络中的网 络协议的要求是：用简单易操作的协议栈支持z i g b e e 网络的有效运行，并利用广 播信息，避免交互应答，简化的协议层次，简练的信令方式，极少的系统开销等。 z i g b e e 技术的产生正是基于以上的要求。z i g b e e 技术是一种近距离、低复杂 度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于短距离无线 通信、组网、自动控制和远程控制等领域，并可以嵌入至各种设备中。z i g b e e 协 议是专用于z i g b e e 网络的通信协议，通过好的算法能最大可能的节省网络中的能 量，可突发接入大量节点，具有高容错性，强鲁棒性，逐渐成为了成熟的简洁网 络协议。由传感器和z i g b e e 系统组成的z i g b e e 无线传感器网络，可自动采集、分 析和处理各个节点的数据，同时，z i g b e e 技术具有很强的网络扩展能力，理论上， 一个z i g b e e 网络可容纳6 5 5 3 6 个节点h 1 ，适合于各种自动组网领域，具有极其广 阔的应用领域和很高的研究价值。 1 3zig b e e 技术的发展及现状 z i g b e e 联盟( h t t p ：w w w z i g b e e o r g ) 在2 0 01 年8 月成立。2 0 0 2 年，美国m o t o r o l a 公司、英国i n v e n s y s 公司、日本三菱公司及荷兰飞利浦半导体公司同时宣布，它 们将加盟“z i g b e e 联盟 ，以研发为名的“z i g b e e 的下一代无线通信标准，这 一事件成为该项技术发展过程中的里程碑瞄1 。根据z i g b e e 联盟最初的设想，z i g b e e 的目标市场主要有p c 外设、消费类电子设备、家庭内智能控制、玩具、医护、工 控等广阔的领域。 目前，除了摩托罗拉、i n v e n s y s 、三菱电子和飞利浦等知名企业外，z i g b e e 联 盟大约已有3 0 多家成员企业，并还在迅速发展壮大。其中涵盖了集成半导体生产 商、伊服务提供商、消费类电子厂商及o e m 商等，例如h o n e y w e l l 、e a t o n 和i n v e n s y s m e t e r i n gs y s t e m s 等工业控制和自动化的企业，甚至还有像m a t t e l 之类的玩具企业。 所有这些企业都加入了开发z i g b e e 物理和媒体控制层技术标准的i e e e8 0 2 1 5 4 湖北工业大学硕士学位论文 工作组一。根据a b ir e s e a r c h 于2 0 0 8 年发布的调研数据，自2 0 0 5 年到2 0 1 2 年 i e e e 8 0 2 1 5 4 与z i g b e e 芯片组经济呈上升趋势，其收入的复合年均增长率为 6 3 7 o 2 0 0 4 年1 1 月，z i g b e e 联盟主席r o b e r te h a i l e 来到中国，希望中国本地企业 合作，其方式为免专利费的方式。z i g b e e 技术在z i g b e e 联盟和i e e e 8 0 2 1 5 4 在中 国的推动下，并与其他技术共存，可以实现功能更强的网络。它不仅在传统领域 如军事、工业、环境、农业、医疗等实现其应用价值，在将来，其应用可以涉及 到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于某些地方的制约，z i g b e e 技术 的大规模商业应用还有待时日，但现在己经表现出了其非凡的应用价值，随着技 术的发展和推进，在不久的将来，一定会得到更大的应用膪，。 最近，z i g b e e 联盟推出了z i g b e ep r o 的新技术，以前我们用的z i g b e e 是直 接扩频技术，现在利用可以利用自动跳频技术对信息进行处理，并且利用网型网 络在多路径路由自动选择，复杂网络，突变的网络单元以及网络安全等方面取得 了突破型的进展，使无线网络运行得更可靠，功耗将更低。以t i c h i p c o n 、 e m b e r ( s t ) 、j e n n i c ( 捷力) 、f r e e s c a l e 、m i c r o c h i p 为代表的一批集成芯片 厂家，也陆续推出了免费的z i g b e e 协议栈，新的无线s o c 芯片和典型扩展电路， 这些芯片以低成本，微功耗为主导，加快了z i g b e e 技术的工业化、产品化和实用 化的步伐，使z i g b e e 技术更快的融入我们的生活各个方面，也更快的进入各行各 业，在新能源、节能、环保、数字家庭、现代农业、工业自动化和健康等领域得 到更加广泛的应用。据有关市场研究机构对z i g b e e 进行估计，到2 0 1 0 年，全球 的z i g b e e 芯片销售额将达到5 亿8 千万片。 在我国，z i g b e e 技术的研究工作相对于国外是比较晚的，它的技术、应用都 还远远比不上国外，国内企业应该稳定自身发展的同时，抓住商机，推动整个行 业成熟的发展。目前，z i g b e e 技术很多都是应用于现代无线传感网络，z i g b e e 技 术的加入将给其他无线传感网络技术带来很大的突破。 从2 0 0 2 年起，我国的高校如哈尔滨工业大学和黑龙江大学已经开始了对无线 传感器网络的研究。现在，国内一些研究所与“2 1 1 高等院校为首的机构正积极 开展无线传感器网络的相关研究工作。z i g b e e 技术在学术界的研究领域主要集中 在无线传感器网络技术的无线通信技术和通信协议方面，此外进行了一些数据查 询处理方面的研究，取得了一些初步的研究成果旧。 z i g b e e 技术和传感器结合起来使得z i g b e e 技术的应用领域非常广泛，作为一 项新技术，它弥补了低成本、低功耗、低速率无线通信市场的空缺，在全球范围 内被迅速看好。支持无线传感器网络的无线通信技术、网络技术、超微型嵌入式 湖北工业大学硕士学位论文 实时操作系统以及突发数据的出来等若干关键技术的研究将成为未来应用研究的 趋势和热点。 1 4 论文的主要工作 本项目拟设计出一种寿命长、亮度强、可靠性高的太阳能供电的能实现同步 闪光的航标灯。主要工作范围是无线通信模块的实现，该系统采用半双工模式， 以z i g b e e 发射模块为参考对航标灯系统中通信部分进行设计，中心控制芯片采用 c c 2 4 3 0 ，达到独立控制整个发射或接收系统，实现软件控制。论文具体结构如下： 第1 章绪论。简要介绍了课题来源、研究的背景和意义，概述了国内外研究 态势，并介绍了本文的整体结构。 第2 章z i g b e e 技术分析。分析了z i g b e e 技术的特点、网络拓扑结构、协议体 系结构，及干扰抑制技术，最后对其它无线通信技术进行比较，并对z i g b e e 技术 与其它无线通信技术间的干扰进行了分析。 第3 章z i g b e e 网络节点时间同步算法研究。简述了网络节点时钟同步基本原 理，分析了几种现有的时间同步算法，并对其中的f t s p 多跳时钟同步算法进行改 进。 第4 章z i g b e e 技术在航标灯通信中的应用。主要讲述的是z i g b e e 技术的硬件、 软件在太阳能航标灯同步闪中的实现。 第5 章总结与展望。对本文工作进行总结，并对后续工作进行了展望。 4 湖北工业大学硕士学位论文 _一iii_蔓!i!曼!曼曼 第二章z ig b e e 技术分析 2 1zig b e e 技术概述 z i g b e e 技术是一种应用于低传输数据速率，短距离无线通信的技术。z i g b e e 名字来源于蜂群的通信方式，蜜蜂之间通过跳z i g z a g 形状的舞蹈来交流发现的新 食物源位置、距离和方向等信息，是一种简单的“无线”沟通方式，人们以此作 为新一代短距离无线通信技术的名称。之前，z i g b e e 称为“h o m e r f l i t e 、 “r f e a s y l i n k 或“f i r e f l y ”无线电技术，目前统一称其为z i g b e e 技术引。 z i g b e e 技术作为一种新的无线通信技术，其工作频段在2 4 g h z ( 全球流行) 、 9 1 5 m h z ( 美国流行) 和8 6 8 m h z ( 欧洲流行) 上，并在这三个频段上分别具有2 5 0 k b p s 、 4 0 k b p s 和2 0 k b p s 的数据最高传输速率。它的传输距离一般在1 0 m 至1 0 0 m 的范围 内，并且其距离可以经过功率放大进行扩展，在实际应用中，传输距离依据发射 功率的大小、应用模式以及项目的可行性而定，实际上，其传输距离已经可以满 足大多数家庭和办公环境的应用需求。而且，一台z i g b e e 设备可以与2 5 4 个其他 z i g b e e 设备相连接。在中国，2 4 g 频段是免申请和免使用费的频率，并且我们在 太阳能航标灯同步闪光技术研究的课题中采用此频段。 在标准化方面，i e e e 8 0 2 1 5 4 协议主要负责制定物理( p h y ) 层和媒体控制 ( m a c ) 层的协议，其它协议主要参照和采用现有的标准，而高层应用、测试和市 场推广等方面的工作将由z i g b e e 联盟( z i g b e ea l l i a n c e ) 负责1 。 z i g b e e 设备具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可 自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。 在安全性方面，z i g b e e 技术采用了1 2 8 位密钥长度的加密算法，将无线传输 中的信息进行加密别。 一、z i g b e e 网络拓扑结构 通常i e e e8 0 2 15 4 标准支持星型和树型两种网络拓扑结构，在由z i g b e e 组成 的无线网络内，连接地址码为1 6 b i t 短地址可容纳的最大设备个数为2 1 6 个，连接 地址码为6 4 b i t 的长地址可容纳的最大设备个数为2 6 4 个，用户可以根据自己本身 的项目选择网络容量对应的地址。z i g b e e 网络实际上支持多种网络拓扑，z i g b e e 技术的网络层( n w k ) 标准可以支持星型、树型和对等网( p e e rt op e e r ) 拓扑结构，如 图2 1 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 o 简化麓设备 全鬻备 图2 1z i g b e e 网络拓扑结构 图2 1 中主要包括两种不同类型的设备：全功能设备( f f d ) 和简化功能设备 ( r f d ) 。f f d 有三种工作模式，分别为个人区域网( p a n ) 协调设备，普通协调设备 和终端设备n 3 1 ，分别对应于核心控制设备，次级控制设备和不能控制设备。全功 能设备可以和其他的全功能设备或简化功能设备通信，简化功能设备只能和全功 能设备进行通信，但简化功能设备之间的通信必须通过全功能设备处理，也就是 说简化功能设备之间不能直接进行通信。所以，我们在实际运用中的z i g b e e 网络 至少包含一个全功能设备作为网络协调设备，终端设备一般采用r f d ，全功能设 备可以广播式的发布信息给简化功能设备，比如论文中提到的泛洪时间同步。 在拓扑结构中，z i g b e e 全功能设备负责建立一个网络、广播发送数据、对终 端的请求进行处理以及选取网络参数，当然也可以使用z i g b e e 路由设备对网络进 行扩展，简化功能设备不具备这些功能，其功能相当于移动通信中的终端。拓扑 中的路由器应用一个等级路由策略在网络中传送数据和控制信息，并支持i e e e 8 0 2 1 5 4 标准中定义的帧通信方式。 如果一个设备想要加入或者断开一个i e e e8 0 2 1 5 4 网络，在我们的项目中就 是航标灯的位置的移动，首先它必须和网络中的一个设备发生关联，这样网络中 的其他设备就可以和它进行关联。图2 1 中和多个设备发生关联的设备就是全功能 设备，全功能设备可以与网络中的其他设备实现帧同步服务。很明显，星型网络 中只有一个全功能协调设备，而对等网中除了全功能协调设备外还有其他的协调 设备。 二、z i g b e e 无线通信干扰抑制技术 6 湖北工业大学硕士学位论文 z i g b e e 协议提供的调制方式、扩频方式、通信安全和冲突抑制措施主要有： 物理层采用偏移正交相移键控调制方法，直接序列扩频技术， 16 位i t u t 循环 冗余校验码( c r c ) 实现数据帧的错误校验以及介质访问控制层信道接入方式采用 冲突避免的载波侦听多址接n ( c s m a c a ) 机制钔。 1 直接序列扩频技术( d s s s ) 信号扩展调制 扩频通信技术n 5 1 是通过注入一个更高速率的信号将基带信号的频谱进行扩展 到一个更宽的频带内的无线通信技术，即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频 带内使其看起来如同噪声一样。按照带宽展宽的实现方式可以分为直接序列扩频、 跳频扩频和跳时扩频，z i g b e e 、b l u e t o o t h 和u w b 无线通信技术分别是这三类扩 频通信方式的代表技术。 扩频通信技术的核心思想采用了香农定理的思想，香农定理指出：在高斯白 噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率( 信道容量) 为： c = i t l 0 9 2 ( 1 + s n )( 2 1 ) 式2 1 中：c 是最大传输速率，w 是频带宽度( 一些资料上用b 表示) ，n 是 噪声功率，s 是信号功率。该公式表明，在信道容量c 不变的情况下，我们实际 中可以通过增加系统传输带宽w 的办法来传输较小的信噪比s n 。对于任意给定 的信噪比可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率，扩频技术利用了这一原 理，故在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰的能力。 因此，在无差错传输的信息速率c 不变时，如信噪比很低，则可以用足够宽 的带宽来传输信号，为了将要发射的信号扩展到一个很宽的频带上，扩频系统需 要在频带和技术复杂性方面付出昂贵的代价。 直接序列扩频技术的具体实现n 6 3 是：在发射端，将待传输的信息与伪随机码 片序列相乘，从而展宽频带带宽；在接收端，用同样的方法将接收到的信号与发 送端相同的伪随机序列相乘，解调后信号恢复成原始的载波信号。图2 2 给出了典 型d s s s 系统原理框图。 图2 2d s s s 系统原理框图 在图2 2 中，调制前我们将信号进行相应的转换处理，主要将数据转换成我们 需要的基带信号，将信息按照每4 比特一组进行处理，组成一个符号数据，然后 从1 6 个伪随机序列选取任意一个序列作为传输序列。然后将连续的数据信息，与 湖北工业大学硕士学位论文 所选出的p n 序列一起进行处理，使用o q p s k 的调制方法进行下一步处理。 图2 3d s s s 扩展调制功能框图 由国2 3 可以看出，按照需要在调制前对数据单元进行处理首先将二进制数 据转换成符号数据，其转换过程是：将每个字节按4 比特位进行比特符号转换， 将低4 位和高4 位分别转换成符号数据，在每个字节的实际处理过程中，优先处 理低4 位，随后处理高4 位。 f r 1 一t - u 一 + e i 一一 一目露 r 。：一 ：。翟! t - 一 图2 4d s s s 扩展前后波形与频谱 如图2 4 所示，波形是利用信号发生器发出的信息码元与伪随机序列相乘来实 现，在频域上相当于将二者的频谱卷积，将信号的频谱展宽。现取信码速率为 l k b i t s 、扩频码速率为l o o k b i f f s 时波形与扩频码速率为1 0 0 k b i g s 时的频谱( 6 0 m h z 示波器测试) ，通过对比可以发现信号的频谱大大展宽了，以此来模拟z i g b e e 系统 中的直接序列扩频。 这些码元序列首先进行相互关联，即通过循环移位或者相互结合( 如奇数位取 反) 等方式，然后利用扩频编码之间的相关特性在接收端有效地抗多径干扰，利 用相关技术对信号与噪声的混合的多径信号进行解扩，即宽干扰解扩后还是宽干 扰，窄干扰解扩后变为了宽干扰，这样从多径信号中提取出有用信号“”。 嚣罐善尊t_ij：一h 湖北工业大学硕士学位论文 2 偏移正交相移键控调制方法 经过上述直接序列扩频后的码元序列采用o 。q p s k 调制方式将符号数据信号 调制到载波信号上。其中编码为偶数的码元调制到o q p s k 调制方式i 相位的载 波上，编码为奇数的码元调制到o q p s k 调制方式q 相位的载波上。每个符号数 据由3 2 位的码元序列来表示，所以码元序列速率是符号速率的3 2 倍。本项目中 c c 2 4 3 0 芯片数据传输率为2 m c h i p s ，z i g b e e 无线通信速率上限为2 5 0 k b p s 。 o q p s k 又叫偏移四相相移键控，它同q p s k 的不同之处是在正交支路引入了 一个码元( 0 5 ) 的延时，这使得两个支路的数据错开了一个码元时间，不会同时发生 变化，而不象q p s k 那样产生的相位跳变，而仅能产生兀2 的相位跳变， 如图2 5 所示。从图2 5 星座图和相位转移图中看出，对于o q p s k ，瓤相位的 跳变消除了，所以o q p s k 信号的带限不会导致信号包络经过零点。o q p s k 包络 的变化小多了，因此对o q p s k 的硬限幅或非线性放大不会再生出严重的频带扩 展，o q p s k 即使再非线性放大后仍能保持其带限的性质。 q kq k 一 + 1 。一 、 + l 一1 一 r h 一一 一1 一一 i k j ，t 一 + 1 、 1ir j卜 1 + l 0 r r j | _ 、 - 一 一1 一一 图2 5q p s k 和o q p s k 的星座图和相位转移图 在o q p s k 调制方式中的基带码元采用半正弦脉冲形式来表示， 形式n 8 3 如式2 2 ： ) = f 节。鼍 i k 其函数表示 ( 2 2 ) 当z i g b e e 多个用户构成网络时，由于扩频系统中各个用户的码元速率比较低， 不同用户发送的比特相对较少，互相关函数值也随之降低，所以通常码间干扰可 以忽略不计。 3 1 6 位i t u t 的循环冗余校验码( c r c l 当干扰和噪声引起数据信号出现错误时，接收端应能够自动侦测出错误，这 样就需要对发送的数据增加校验信息，在接收端对接收的数据进行校验。校验是 9 湖北工业大学硕士学位论文 依据发送端上约定的形式在接收端对数据本身进行检查，如果校验的结果可靠就 对数据进行处理，否则对数据信号进行修复或丢弃当前数据后发送重发请求。循 环冗余校验码是数据通信领域中比较常用的差错校验码之一，其实质是采用多项 式编码的方法，在发送端对需要传送的二进制码序列以一定的规则产生一个校验 用的监督码并附在信息后边，从而构成一个新的二进制码发送出去；在接收端， 则根据信息码和c r c 码之间在发送端产生的规则进行检验，如果出错则对数据信 号进行修复或丢弃出错数据后请求重发。 循环冗余校验码选择的算法n 们是：如式2 3 所示，设需发送的信息为i 位，信 息后的校验字段为n 位，所以码字长度是l ( l = i + n ) 位，则对于c r c 码集中的任 一码字f 【x ) ，存在且仅存在一个n 次生成多项式g ( x ) ，“x ) 为需发送的n 一1 次校验 多项式，m ( x ) 为需发送的i 次信息多项式n y ( 工) = f ( x ) g ( x ) = 工”m ( x ) + r ( x )( 2 3 ) z i g b e e 通信技术采用的1 6 位i t u t ，其循环冗余校验码生成多项式为 c r c c c i t t 标准，如2 4 式： g ( x ) = x ”+ x 1 1 + x 4 + 1( 2 4 ) 式2 4 中1 6 位的生成多项式g ( x ) 在z o 、x 4 、一1 、工1 5 对应的系数都是1 ，那 么使用二进制码可以表示为1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 。数据通信的发送信息附加指定的 敷x ) 产生c r c 码字，在接收方通过该g ( x ) 来验证收到的c r c 码字是否正确。在实 际应用中，我们可以根据多项式除法实现信息数据和g ( x ) 来生成验证c r c 码字， 其发送端得到c r c 校验码多项式过程可以总结为如下三步3 ： 1 将信息多项式f ( x ) 的二进制码左移n 位得到新的信息多项式f ( x ) 。 2 校验码“x ) 就是将生成多项式g ( x ) 模2 除新的信息多项式f ，( x ) - 进制码 后得到的余数。 3 c r c 校验码多项式h ( x ) 就等于校验码“x ) 与f ( x ) 的模2 加运算。 其接收端解码校验运算由于参考发送端的算法，则相对简单，只需要利用g ( x ) 用模2 除接收端的c r c 校验码多项式h ( x ) ，如果得到的余数为零，则表示整个传 输过程没有错误，否则表示存在错误。 数据 输入厂丁广 _ 叫! ! h ! ! 一! ! h 垒卜叫! ! r 堡叫塑卜叫! ! 一! ! h ! 兰h 墅p _ - 1 ：! ! h 尘h ! 竖h ! 型川! ! ! 厂 l s b 优先 图2 6c r c l 6 帧校验 c r c 算法易于使用硬件实现，图2 6 说明基于z i g b e e 技术的芯片c c 2 4 3 0 帧 l o 湖北工业大学硕士学位论文 校验方式，此图对应公式2 4 ，在x o 、x 4 、x 1 1 、x 1 5 对数据进行硬件模2 加。 实际上c r c 校验可以检测出所有奇偶数位的错误，还可以检测出所有长度小 于等于n ( n 1 为g ( x ) 的阶数) 的突发错误，但是很难判断错误出现地方。 4 载波侦听多址接入冲突避免( c s m a c a ) 机制 当两个或更多的用户在共享信道上同时发送信息，就会发生多址干扰，这样 就会产生多址接入冲突。z i g b e e 无线通信技术基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议规范，m a c 层发送数据帧和命令帧需使用c s m c a 机制访问信道，以减少由于帧发送冲突 而带来的不必要的能量损耗瞳川。 在z i g b e e 传输网络中，载波侦听多址接入是指z i g b e e 网络中各网络节点收发 数据共同使用个频段且发送数据是广播式的，各网络节点在发送数据前都要侦 听网络中是否有数据传输，若有数据占用此信道则不发送数据，否则立即发送准 备好的数据。冲突避免是指基于发送数据帧的时间片，检测到冲突后随机退避一 个随机时间来避免冲突的发生。如图2 7 所示为本课题使用的c s m a c a 机制发送 时序图： 节点1 节点2 节点3 节点4 发送成功发送不成功 习f 冈僦嚣 一 检期0t o 一“, l i l d 譬 单市仙 懈避冈僦箍冈冈。 f 检测 发送不成功 f 检测 f 检测 一 广 发送不成功 f 帧ii 冲突，随机退避 t 检测t 检测发送成功 一 懈懒退避冈网 一 图2 7c s m a c a 机制发送时序图 图2 7 中当节点1 正在发送数据帧时，节点2 同时发送数据，所以产生冲突， 节点1 发送，节点2 随机退避等待随机时间再次发送，且在节点1 发送数据帧时， 节点3 发送数据产生冲突随机退避等待随机时间再次发送，在节点1 、2 、3 等待 随机时间再发送期间节点4 发送数据成功，节点4 发送完毕，没有节点发送数据 情况下，节点2 正好发送并成功。 本项目通信信道为无线通信的2 4 g h z 频段，z i g b e e 系统收发机的c s m a c a 机制一般采用以下三种方式检测信道是否空闲： 1 能量检测( e d ) ：接收端对接收到的信号进行场强检测判断，当场强检测大 湖北工业大学硕士学位论文 于某一确定值时，表示信道正在被使用，否则信道空闲； 2 载波检测( c s ) ：将接收到的信号与本地伪随机码在接收部分进行运算比较， 如果其值超过某一极限，表示信道正在被使用，否则信道空闲乜引； 3 能量载波混合检测：就是能量检测和载波检测两种检测方式的结合。 总之，本节四方面所述的干扰抑制措施中，扩展调制可避免突发的随机干扰； 0 q p s k 调制方法可抑制多径干扰；当系统出现错误时c r c 校验码可以对已发生 的错误进行检测，并请求重发；c s m a c a 机制是抑制本项目构成的网络中的多址 干扰。 2 2zig b e e 协议体系结构 z i g b e e 协议栈3 由一组协议子层构成，是对标准七层开放式系统互联( o s i ) 模 型应用型的演变。每层为其上层提供一组特定的服务，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，且每个服务接入点提供一些基本服务原语 来完成相应的功能。 z i g b e e 协议栈结构由物理层、数据链路层、应用接口、网络层和应用层组成， 其中每层的结构功能分别为： 1 物理层：i e e e 8 0 2 15 4 定义了2 4 g h z 频段和8 6 8 915 m h z 频段两种物理层 标准，采用本文2 1 节所提到的直接序列扩频技术，该技术可为数据收发提供2 7 个信道。物理层的主要功能包括：信道接收数据包的链路质量指示，激活和休眠 射频收发器，信道能量检测，空闲信道评估和收发数据等。物理层是协议的最底 层，承担着外界作用和媒体介入层桥梁，控制r f 收发器工作，采用扩频通信，传 输距离为非空旷地5 0 m ，空旷地1 5 0 m 。 2 媒体介入层：i e e e8 0 2 1 5 4m a c ( m e d i u ma c c e s sl a y e r ) 层为其上下层提供 两种服务：m a c 层数据服务和m a c 层管理服务。数据服务使m a c 层协议数据 单元的收发可以通过物理层数据服务。管理服务通过m a c 层管理实体服务接入点 访问高层。i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层的主要功能有信标管理、信道接入机制、保证时 隙( g t s ) 管理、帧确认、确认帧传输、节点接入和分离。负责设备间无线数据链路 的建立、维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输， 支持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为1 6 位地址寻址。 3 网络层：主要用于建立新的网络，处理节点的突发进入和离开网络，根据 网络类型设置节点的协议堆栈，本项目中各航标灯节点由于航道的改变使得节点 进入或远离