（信号与信息处理专业论文）zigbee无线传感器网络路由协议研究与优化.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 z i g b e e 是一种专门为低速率传感器网络而设计的低成本、低功耗的短距离 无线通信新技术。具有高效节能优势的z i g b e e 无线传感器网络在工业控制、智能 家居等领域有着非常广阔的应用前景。本课题围绕着z i g b e e 协议展开，进行了深 入的理论研究和仿真分析，并提出了一种基于路由开销控制的z i g b e e 路由协议改 进算法，以实现提高z i g b e e 网络性能的目的。首先，本课题在介绍了z i g b e e 无 线传感器网络的技术特点及发展状况的前提下，简要介绍i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议物理层、m a c 层标准，以及网络层的设备划分与网络拓扑。其次，重点介 绍了z i g b e e 网络的组网过程以及路由过程，并搭建基于n s 2 软件的z i g a e e 仿真 平台，对z i g a e e 组网过程和路由过程进行了网络仿真。在与另一种典型的自组织 路由协议d s d v 进行的对比测试中，按需驱动的z i g b e e 路由协议表现出了更小 的路由开销。最后，课题提出了一种提出了基于z i g a e e 路由请求分组广播范围自 适应调整的优化算法，通过z i g b e e 网络拓扑特点与地址分配机制减小了路由请求 分组的广播半径。仿真结果表明，改进的路由协议能够限制网络内的冗余的路由 请求分组，减少节点的路由开销，提高了网络性能。 关键字：z i g b e e 网络 路由算法泛洪控制 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t z i g b e ei sas h o r t - d i s t a n c ew 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 yw h i c hi s d e s i g n e df o rl o w - r a t ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s z i g b e en e t w o r k sh a v ev e r yb r o a d a p p l i c a t i o n si ni n d u s t r i a lc o n t r o l ，i n t e l l i g e n th o m e ，a n ds o m eo t h e rf i e l d sb e c a m eo f i t s 1 1 i g h - e f f i c i e n c y a n dl o w c o s ta d v a n t a g e t h i s p a p e r i n c l u d e st h er e s e a r c ha n d s i m u l a t i o n so nt h ez i g b e ep r o t o c o l ，a n dp r o v i d e sa ni m p r o v e dm u t i n ga l g o r i t h mb a s e d o nm u t i n gc o s tc o n t r 0 1 i nt h ef i r s tp a r to ft h i sp a p e r , a f t e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i c k n o w l e d g eo nt h ec h a r a c t e r i s t i ct e c h n o l o g i e sa n dd e v e l o p i n gs t a t u so fz i g b e en e t w o r k s , ie x p l a i nt h ep h y l a y e ra n dt h em a cl a y e ro fi e e e8 0 2 15 4 z i g b e ep r o t o c o la sw e l l a st h ed e v i c ec l a s s i f i c a t i o na n dn e t w o r kt o p o l o g yi nn w kl a y e r t h e nt h i sp a p e r f o c u s e so nt h eb u i l d u pa n dt h er o u t i n gp r o c e s so fz i g , b e en e t w o r k , a n de s t a b l i s h e sa z i g b e es i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do nn s 2 s o f t ：w a r e t h ez i g b e er o u t i n gp r o t o c o ls h o w s i t sl o w - c o s ta d v a n t a g ei nt h es i m u l a t i o nc o m p a r i n gt oa n o t h e ra d - h o cr o u t i n gp r o t o c o l d s d v f i n a l l y , t h i sp a p e rp r o v i d e sa no p t i m i z e dr o u t i n gp r o t o c o lw h i c hd e c r e a s et h e b r o a d c a s tr a d i u so ft h ei u 也qp a c k a g e t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e o p t i m i z e dr o u t i n gp r o t o c o ld e c r e a s et h er r e qr e d u n d a n c ya n dc u td o w nt h ec o s to ft h e r o u t i n gi nt h ee n t i r ez i g b e en e t w o r k k e y w o r d s ：z i g b e er o u t i n g p r o t o c o lh o o dc o n t r o l 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：鲣 e l 期：翌21 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：弛!导师签名：e l 期：煎 山东大学硕士学位论文 1 1 无线传感器网络简介 第1 章绪论 传感器技术，嵌入式技术，现代网络技术和无线通信技术的飞速发展，孕育 出了无线传感器网络【i 】t 2 1 ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n ) 无线传感器网络以其 低功耗，低成本，分布式和自组织等特点为无线网络领域带来一场变革。在美国 商业周刊和m i t 技术评论在预测未来技术的发展报告中，将无线传感器网络列为 2 1 世纪最有影响的2 1 项技术和改变世界的l o 大技术之一。传感器网络，塑料电 子学和人体器官又被称为全球未来三大高科技产业【1 。 无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温 度、湿度、噪音、光强度、压力、土壤成分，移动物体的大小、速度和方向等周 边环境中多种多样的现象。它综合利用嵌入式计算技术、现代网络和无线通讯技 术，将这些信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端。 这种迅速，有效，直接的信息传递特点为无线传感器网络赋予了广阔的应用前 景，可以归纳为：军事、航空、反恐、防爆、防火、环境、医疗、保健、家居、工 业、商业等领域【5 1 。广泛的应用前景使得无线传感器网络成为众多国家关注的一 种新兴技术。 传感器是数据采集，数据处理的关键，单个传感器由于受到自身能力的限 制，只能覆盖一个非常有限的地理区域。而为了实现大面积的远程数据传递，要 求每个传感器节点采集到的数据都能够传送给远程接收点。无线传感器网络的出 现很好的解决了这一问题。无线传感器网络是一种全新的信息获取平台，由大量 的具有通讯和计算能力的传感器节点共同组成，密集部署成一个能够实时监测和 采集数据的自治网络系统。通过网络拓扑控制机制与网络协议，系统内的节点采 用自组织的通讯方式，形成能够转发数据的多跳无线通讯系统。使得网络内任意 一个节点的数据都可以通过多跳转发最终传递到网关节点。 3 山东大学硕士学位论文 图1 1 无线传感器网络系统拓扑结构图 图1 1 为一个无线传感器网络系统结构图。一个典型的传感器网络系统【3 1 包 括多个传感器节点，一个网关节点，远程控制点等。其中传感器节点通过自组织 方式构成网络。数据传递时，节点之间会构架起一条中继的汇聚节点链路，借助 这条链路将数据传递给远程管理中心。反之，远程管理中心也可以通过这条链路 向特定节点进行状态监控或下达控制命令 2 5 - ”】。 相对于传统的无线网络，无线传感器网络有一些明显的特点。这些特点在为 其推广和应用带来优势的同时，也会带来一些问题，需要进一步加以优化和解 决。 1 ) 节点的分布密集，数目众多。节点之间间隔距离短，单位面积的网络节点数 目远大于传统的无线网络。 2 ) 网络节点能量十分有限。网络节点一般都以电池供电，为了节能，传感器节 点大部分时间处于睡眠状态。 3 ) 具备自组织能力。无线传感器网络的构造过程无需任何外界设备，节点上电 后根据功能不同调整自身的行为，独立，快速的形成网络。 4 ) 网络拓扑结构动态变化。任何节点的加入和离开都会改变网络的拓扑结构， 引起网络结构变化。 4 山东大学硕士学位论文 可以发现，无线传感器网络由于其自身的快速、灵活、低功耗、自组织等特 点，使得无线传感器网络在很多场所都能发挥积极作用。但如何克服其能量有限 的缺点，将是今后研究的一个重要课题。 1 2z i g b e e 技术特点与发展现状 z i g b e e 技术是一种新兴的极低耗电，低级成本的短距离无线网络技术，基于 z i g b e e 协议组建的无线网络，具有低功耗，多跳路由，动态拓扑等网络特点。 z i g b e e 的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳z i g z a g 形状的舞蹈来彼此传递信息，这在一定程度上也反映了该技术的数据传输特点 使用z i g b e e 技术组建的无线传感器网络，可以应用于短距离范围内，实现低数据 传输速率的各个电子设备之间的无线通讯。 与现有的各种无线通信技术相比，z i g b e e 技术非常适合于复杂环境的工业控 制，承载数据流较小，且不需要实时传输或连续更新的场所。z i g b e e 技术的主要 技术特点包括以下几点： 1 ) 低功耗。由于收发信息功率较低，且采取空闲时休眠的技术，使得z i g b e e 网 络保持着极低的功率消耗。 2 ) 可靠性强。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，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网 的功能，信息在整个z i g b e e 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证 了信息传输的可靠性。 3 ) 时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延 都非常短。设备搜索时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值为1 5 m s ，活 动设备信道接入时延为1 5 m s 。 4 ) 网络容量大。z i g b e e 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理 若干子节点，最多一个主节点可管理2 5 4 个子节点：同时主节点还可由上一 层网络节点管理，最多可组成6 5 0 0 0 个节点的大网。 5 ) 安全性高。提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的a e s 1 2 8 。确保了数据传输过程中的高度保密。 5 山东大学硕士学位论文 6 ) 低速率。z i g b 工作在2 5 0 k b p s 的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需 求。 z i g b e e 技术从诞生之日发展到今天，在无线数传、无线传感器网络、无线实 时定位、射频识别、数字家庭、安全监视、无线键盘、无线遥控器、无线抄表、 汽车电子、医疗电子、工业自动化等方面都得到非常广阔的应用。目前有个口号 w i r e l e s sa n yw h e r e ”，要实现这个口号的目标，z i g b e e 技术的广泛应用可 能是一个重要的前提。 在z i g b e e 技术迅速拓展其应用领域的同时，如何不断地对z i g b e e 技术进行 改进，进一步提高其网络性能成了全世界共同关注的一个热点。z i g a e e 在2 0 0 4 年推出z i g b e e 2 0 0 4 6 1 ( z i g b 1 0 ) 的基础上，年前又推出了功能更加强大的 z i g b e e 2 0 0 6 协议栈，增加了z i g b e ep r o 扩展指令集，功能更加强大。目前， 世界范围对z i g b 的改进工作主要体现在以下两个方面 1 ) 不断创新的z i g b e e 应用研究与产品设计。t i 公司在正式收购c h i p c o n 公司 后，进一步加大了在z i g b e e 芯片和相关产品上的研发，与e m b e r 公司、 f r e e s c a l e 公司一起称为世界上主要的z i g b e e 芯片供应商。强大的芯片和产品 制造商为z i g b e e 在楼宇自动化、矿井定位、环境监测、智能家居上的应用提 供了可行的解决方案以及可靠的应用产品。 2 ) 不断完善的z i g b e e 协议规范。z i g b e e 协议本身推出时间较晚，协议本身也并 非完美，某些规范并没有明确的交代，存在着一些空白之处。同时，z i g b c o 的自身特点决定了协议必须在如何降低功耗，控制无效数据占用资源，优化 路由算法等问题上进行深入的研究与优化。目前世界范围已经有大量研究人 员投身入完善协议的工作之中。 1 3 本课题的主要工作和意义 本课题研究的主要目的是通过对z i g b e e 组网过程和路由协议的研究，分析网 络性能特点。针对z i g a e e n 络路由协议存在的问题，提出算法优化和改进，以达 到降低网络功耗、提高网络性能的目的。 6 山东大学硕士学位论文 本课题的研究工作中，使用n s 2 仿真软件搭建了i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 网络仿 真平台，并利用这一平台对z i g b e e 的组网过程、路由过程进行了仿真和分析研 究。根据分析结果，提出了基于控铝 j z i g b e e 路由请求分组广播范围的优化算法， 在保证路由请求顺利到达目的地址的前提下，减小了路由请求分组在网络内的广 播半径，从而大大减少了网络中的冗余广播分组。仿真结果表明，改进的z i g b e e 路由算法显著的减小了网络数据传输过程中的路由开销，减少了节点能量消耗， 提高了网络性能。 z i g a e e 技术作为新兴的无线技术，低功耗是其应用的显著优势。本文的研 究工作着眼于降低网络功耗，延长网络寿命，对z i g b e e 技术进一步的性能提高与 应用推广将起到十分积极的作用。 1 4 论文结构安排 第1 章绪论部分首先对i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b 技术发展背景、技术特点、应用范 围等进行了简要介绍。 第2 章重点介绍了i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b 协议标准，对协议中物理层、m a c 层 以及网络层的相关规范及特点进行了描述，介绍了各层之间的层次结构与通信方 式。并且介绍了z i g b e e 网络层的设备划分以及z i g b e e 支持的网络拓扑结构。 第3 章重点介绍y z i g b e e n 络的组网过程，以及z i g b e e 网络采取的a o d v j r 与 d u s t e r - t r e e 算法相结合的路由协议。 第4 章搭建了基于n s 2 仿真软件的i e e e 80 2 1 5 4 z i g b e e 网络仿真平台，对 z i g b e e 网络的建立过程，z i g b e e 路由过程进行仿真研究，并对仿真过程中的重要 网络参数进行了结果分析。 第5 章针对z i g b e e 路由协议自身存在的缺陷，提出了基于控铝l j z i g b e e 路由请求 分组广播范围的优化算法，并在i e e e 80 2 1 5 4 z i g b e e 网络仿真平台上进行了仿真 研究以及结果分析。 7 山东大学硕士学位论文 第2 章i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 技术标准介绍 2 1i e e e8 0 2 15 4 z i g b e e 协议综述 近年来无线网络发展层出不穷，根据通信距离的不同，目前的无线网络可分 为以下四种类型： 1 ) 卫星通信网 2 ) 无线广域网( w a n ) 3 ) 无线局域网( w l a n ) 4 ) 无线个人局域n ( w p a n ) 其中无线个人局域网是发展最快的技术。为了满足低功耗、低成本的无线网 络要求，i e e e 标准委员会在1 9 9 8 年筹划并建立了专门工作组，致力于开发一个 针对w p a n 网络的标准。整个i e e e8 0 2 1 5 工作组又依据传输速率、功耗和支持 的服务的差异为衡量标准划分为四个任务组，分别是t g l 、t g 2 、t g 3 、t g 4 。 四个任务组各自制定了i e e e8 0 2 1 5 1 标准、i e e e8 0 2 1 5 2 标准、i e e e8 0 2 1 5 3 标准、i e e e8 0 2 1 5 4 标准。其中i e e e8 0 2 1 5 4 标准【7 1 把低成本、低功耗、低传 输速率作为重点目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备之间的低速互联提供统 一的标准。 经过该小组的积极研究，i e e e 于2 0 0 3 年5 月发布了i e e e8 0 2 1 5 4 标准。 i e e e8 0 2 1 5 4 主要规范了w p a n 网络物理层( p h y ) 和媒体介入控制子层( m a c ) 的标准化工作，目标是为在个人操作空间( p e r s o n a lo p e r a t i n gs p a c e ，p o s ) 内的无线 设备提供通信标准。为了配合i e e e 8 0 2 1 5 4 网络层与媒体介入控制子层标准， z i g b e e 联盟于2 0 0 2 年8 月正式成立。最初的z i g b e e 联盟有英国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半导体公司组成，主要负 责参照i e e e8 0 2 1 5 4 标准，进行协议高层的测试与研究，制定网络层( n w k ) 和应 用层( a p p ) 的协议规范。i e e e8 0 2 1 5 4 小组与z i g b e e 联盟共同制定的z i g b c e 标准 i s 是一个符合低成本、低功耗、低功率的短距离无线通信标准，专门为低速率传 感器和控制网络而设计的无线网络规范。伴随着z i g b e e 产业的迅速发展，如今的 z i g b e ：e 联盟已经成长为一个高速增长的非牟利业界组织，成员超过1 5 0 家，其中 8 山东大学硕士学位论文 包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者。所有成 员都在致力于制定个基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，可靠、高性价比、低功耗的网络 应用规格。 本章主要对z i g b e e 协议栈i 。】【9 】b o 进行一个概述。i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了 i e e e 低速无线个人域网( u t w p a n ) , 设备间的通信协议，在与o s i 七层参考模 型的对照中，i e e e8 0 2 1 5 4 主要规定了z i g b e e 协议栈的物理层和m a c 层，并制 订了相应规范。z i g b e e 联盟制订了z i g b e e 协议栈的网络层和应用层标准，并在 网络层上制定了标准的应用程序接口。 z i g b e e 协议栈层次结构如图2 1 所示 应用层( a p p ) z i g b e e 联盟 应用程序接口 r ti n 络层( n w k ) z i y i _ ，1 7 j l 。e e e 8 圭4 媒体介入控制子层 t 物理层( p h y ) 图2 - 1i e e e8 0 2 15 4 z i g b 协议层次结构 2 2i e e e8 0 2 15 4 标准简述 i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b e e 协议中的可用信道、数据包 调制方式、能量检测方式等内容。标准还规定了在三个可用频段内的物理层和 m a c 层规范f 7 1 。 2 2 1i e e e8 0 2 15 4 物理层简述 ( 1 ) 物理层信道简述 物理层提供了8 6 8 8 6 8 6 m h z 、9 0 2 9 0 8 m h z 以及2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 三种载波 信道。分别应用于欧洲、北美以及全球。三种频段分别实现2 0 k b p s 、4 0 k b p s 以及 2 5 0 k b p s 的传输速率m 1 。频道特性如表2 1 所示： 9 山东大学硕士学位论文 表2 - 1i e e e8 0 2 1 5 4 协议物理层频道特性 序列扩频参数 数据参数 p h y 频段 片速率 调制方 比特速率符号速率 ( m n z ) ( m h z )符号 ( k c h i p s ) 式 ( k b s )( k s y m b o v s ) 8 6 8 8 6 8 63 0 0b p s k2 02 0二进制位 8 6 8 9 1 5 9 0 2 9 2 86 0 0b p s k4 04 0 二进制位 2 4 5 02 4 0 0 2 4 8 3 52 0 0 0 o - q p s k 2 5 06 2 5 十六进制 信道的频率计算公式如下所示： r 8 6 & 3 ，鳓 f c = 9 0 6 + 2 ( k - 1 ) ，k = 1 , 2 ，1 0 l2 4 0 5 + 5 ( k - 1 1 ) ，k = - i l ，1 2 。2 6 以上三式中k 指的是信道号，f c 的单位是m h z 。 ( 2 ) 物理层帧结构 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b 协议通过物理层协议数据单元( p p d u ) 传递无线数据。 其数据格式如图2 - 2 所示。 4 字节 1 字节1 字节 可变长度 前导码 s f d 帧长度( 7 - b i t )保留位( 1 - b i t ) p s d u 同步头物理帧头物理层帧负荷 图2 - 2i e e e8 0 2 1 5 4 协议物理层帧结构 物理层协议数据单元( p p d u ) 含同步头，物理帧头以及一个长度可变的物理帧 负荷域组成。同步头中的前4 个字节为前导码( p r e a m b l e ) ， 负责在收发器接收帧 时实现片同步和代码同步。同步头的后l 字节为帧起始分隔符( s t a r to ff r a m e d e l i m i t e r ，s f d ) ，标志同步头的结束和数据帧的开始。物理帧头包含7 比特的帧 长度与l 比特的保留位，所以物理帧最大长度为1 2 7 字节。物理层帧负荷( p h y s e r v i c ed a t au n i t , p s d u ) 用来承载m a c 层帧。 ( 3 ) 物理层主要功能 总体来说，i e e e8 0 2 1 5 4 物理层实现的功能有以下几个方面： 1 ) 开关收发器 2 ) 信道选择 1 0 山东大学硕士学位论文 3 ) 信道能量检测( e d ：e n e r g yd a c c t ) ，主要负责测量目标信道中的接收信号 的功率强度。 4 ) 链路质量指示( l q i ：l i i l kq u a l i t yi n d i c a t i o n ) 5 ) 信道空闲评估( c c a ：c l e a rc h a n n e la s s e s s m e n t ) 6 ) 物理层信息库管理 2 2 2i e e e8 0 2 15 4m a c 层简述 m a c 层位于物理层与网络层之间，主要实现的功能包括信道访问机制的维 护、网络管理、数据通讯、维护信息库以及安全机制等。其中信道访问是基础， 网络管理是结构，数据传输式功能，安全机制和信息库式辅助手段。 m a c 层通过两个服务访问点提供两种服务，即通过m a c 子层公共部分服务 访问点( m c p s s a p ) 提供m a c 数据服务，以及通过m a c 子层管理实体服务访 问点( m l m e s a p ) 提供m a c 管理服务。m a c 数据服务通过使用物理层数据服 务来实现m a c 协议数据单元( m p d o ) 的收发。m a c 层的管理服务维护m a c 层 信息库。 n w k ： 。l s s c s 工 、r m c p s s a pm u m e - s a p m a c 3王 p 。- s a p p u 以e - s a p p h y 图2 - 3i e e e8 0 2 1 5 4 协议各层之间服务接口 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) g a c 层帧结构 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层帧结构的设计目的是用最低复杂度来实现在多噪声无线 信道环境下的可靠数据传输。每个m a c 层通用帧( m p d u ) 都由帧头( m a c h e a d e r , m h r ) ，负载( m a cp a y l o a d ) 和帧尾( m a cf o o t e r , m f r ) 三部分组成。在 m h r 中，帧控制域( f r a m ec o n t r 0 1 ) 用来指示帧的各个子域是否存在，长度为2 字节； 帧系列号( s e q u e n c en u m b e r ) 用来区分同源帧，应答帧使用它来标志所应 的对象帧。地址域( a d d r e s s i n gf i e l d s ) 指出源节点和目标节点的地址相关信息。 m a cp a y l o a d 数据载荷是有效数据单元，具有可变的长度，具体内容由帧类型决 定。m f r 用于存放帧头和负载的1 6 位c r c 校验序列。 o c t e t slo 2o 2 憾o 2q | 2 1 o 5 6 l o 1 4 v a r i a b l e 2 f r a m e s e q u e n c e d e s t i n a t i o nd e s t i n a t i o nd e s t i n a t i o ns o u r c e a u x i l i a r y f r a m ef c s c o n t r o ln u m b e rp a na d d r e s sp a na d d r e s s s e c u r i t y p a y l o a d i d e n t i f i e ri d e n t i f i e rh e a d e r m 唧rm a cm 噼r p a y l o a d 图2 _ 4 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层通用帧结构 i e e e8 0 2 1 5 4 标准中共定义了四种帧结构，分别是信标帧、数据帧、确认帧 和m a c 命令帧。每一个后继的协议层都是在其前一层添加或者剥除了帧头和帧 尾而形成。四种帧结构都是从通用帧演变而来的。 1 ) 信标帧 信标帧中，s u p e r f r a m es p e c i f i c a t i o n 描述超帧的持续时间，激活期持续时间以 及竞争期持续时间等信息；g t s 描述了与分配g t s 相关的信息；p e n d i n ga d d r e s s 是待转发数据目标地址与协调点保存的数据相对应的节点地址；b e a c o np a y l o a d 为上层协议提供数据传输接口，通常情况下可以忽略。 1 2 o c t e t s ：2 l4 l o2km n 2 f r a m e s e q u e n c ea d d r e s s i n gs u p e r f r a m e g t s p e n d i n g b e a c o nf c s c o n t r o ln u m b e rf i e l d s s p e c i f i c a t i o n f i e l d sa d d r e $ $ p a y l o a d m h rm s d lm f r 图2 5 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层信标帧结构 山东大学硕士学位论文 2 ) 数据帧 数据帧的数据负载荷式由m a c 层之上的层定义的有特定意义的数据块。 o c t e t s ：2 l 4 2 0 n2 f r a m e s e x t u e n o v a d d r e s s i n g d a t ap a y l o a df c s c o n t r o ln u m b e rf i e l d s n 伍瓜 m s d u唧t 图2 - 6 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层数据帧结构 3 ) 确认帧 如果节点收到目的地址为其自身的数据帧或者m a c 命令帧，并且帧的控 制信息字段( f r a m ec o n t r 0 1 ) q a 确认请求位被置l ，则该节点需要回应一个确认 帧。确认帧的序列号与被确认帧的序号相同，负载长度应为零。 4 ) m a c 命令帧 m a c 命令帧用于组建p a n 网络，传输同步数据等。目前定义好的命令帧 有九种类型，主要完成三方面的功能：把设备关联到网络，与协调点交换数 据，分配g t s 。其中c o m m a n df r a m ei d e n t i f i e r 指出命令帧类型；c o m m a n d p a y l o a d 负责承载上层有效负载。 o c t e t s ：2 l4 _ 2 0 ln2 f r a m e s e q u e n c ea d d r e s s i n g c o m m a n db c a c o of c s c o n t r o ln u m b e rf i e l d sf r a m ei d e n t i f e r p a y l o a d 啪tm s d um 匝r 图2 - 8i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层命令帧结构 ( 2 ) 信道接入机制 信道访问机制可以解决以下两个问题： 1 ) 当多个节点同时想使用网络信道时，哪个节点可以实现网络接入。 1 3 山东大学硕士学位论文 2 ) 如何来控制网络节点的休眠。 i e e e8 0 2 1 5 4 z i g b 网络的工作模式可以分为信标( b e a c o n ) 模式和非信标 ( n o n b e a c o n ) 模式两种。信标模式中，所有网络设备同步工作，同步休眠。使用 信标模式可以大量节省网络消耗的能量。信标模式的具体实现机制是，网络协调 器每隔一定时间便会在网络内广播信标帧，每两个信标间隔被划分为1 6 个相同 的时间槽，这些槽被划分为网络休眠期区与网络活动区两部分。设备选择休眠时 间槽进行休眠。非信标模式中，网络中只有终端节点设备可以进行休眠，协调器 与路由器始终保持在工作状态。休眠的终端节点会周期行醒来与父节点进行握手 操作以确认自己是否仍然在网络内。 在信标网络中，i e e e8 0 2 1 5 4 标准还引入了。超帧一这个概念，网络以超帧 为周期组织网络内设备的通信。每个超帧以协调点发送信标帧为开始，在这个信 标帧中包含了超帧的持续时间以及对这段时间的分配等信息。超帧中设置了激活 时间段以及非激活时间段两部分。在超帧的激活期，低级用户竞争信道，高级用 户在属于自己保证时隙( g t s ：g u a r a n t e e dt i m es l o t ) 直接访问信道而无需竞争；在 超帧的非激活期，网络成员进行休眠，以降低网络功耗。时隙在激活器通常分为 1 6 个等长的时隙，激活时间段中又包含竞争接入时间和非竞争接入时间。 在竞争接入时间中，采用了带有冲突避免的载波监听多路访问机制【1 3 】 ( c s m a c a ：c a r r 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 ) 。这是一种基于 竞争的信道访问机制，分为时隙c s m a c a 和非时隙c s m a c a 两种。主要采用 物理载波监听和随机退避相结合的方式避免冲突。设备在发送数据之前会使用信 道空闲评估算法对信道进行评估和分析。如果检测到有其它节点正在发送数据， 设备将会等待一个随机的时间，然后再去对信道进行监听评估；如果信道没有被 占用，则设备将会开始发送数据。 1 ) 时隙c s m a 信标网中，节点在c a p 时段中的通信采用时隙c s m a c a 信道接入机制。在 这种机制下，节点需要维护一些关于避让的三个变量，分别是节点需要进行避让 的次数( n b ，初值为0 ) ，当前拥塞窗i ；1 的大d , ( c w ，初值为2 ) ，以及退避指数 ( b e ) 。每一次节点有分组需要发送的时候，首先会等待下一个退避时隙的边界， 并在退避一段时间后监听当前信道的状态。这个过程在i e e e8 0 2 1 5 4 标准中被命 1 4 山东大学硕士学位论文 名为c c a 操作。当信道空闲时，节点会将自身c w 值减l ，然后等待下一个退避 时隙的边界再次进行c c a 操作。如果检测到信道状态变为忙，则变量n b 与变量 b e 的值均加l ，c w 值变回2 ；如果检测信道状态仍然为空闲，则节点此时可以 将分组进行发送。如果在发送某一个分组时，节点的n b 多次累计超过了门限 值，则此次c m s a 失败，分组被丢弃。 2 1 非时隙c s m a c a 非时隙c s m a c a 机制时无信标网中采用的信道接入机制。此时，节点不需 要维护c w 变量，也就是只需要执行一次c c a 操作。退避起始时刻可以在任何 时间点上进行，判断信道空闲则可以立刻发送分组。 由于采用了基于超帧和c s m a c a 机制，i e e e8 0 2 1 5 4 很好的解决了多成员 信道访问，以及协调节点休眠时间的问题。 2 3z i g b e e 网络层规范综述 z i g b e e 网络层规范f l 】f 9 】”1 由z i g b e e 联盟制定，它主要实现网络组建、为新 加入网络的节点分配地址、路由发现、路由维护等功能。可以支持多种形式的网 络拓扑。z i g b e e 网络层规范在通用的网络层功能基础上尽可能地减少功耗，减少 成本，具有灵活的拓扑结构和自组织、自维护能力。z i g b c e 网络层规范为i e e e 8 0 2 15 4m a c 子层的正确操作提供保障，同时也为z i g b e e 协议应用层提供合适 的服务接口。对z i g b e e 网络层规范的研究将是本文的重点 2 3 1z i g b e e 网络层功能简述 z i g b e e 网络层的两个主要目标包括正确操作i e e e8 0 2 1 5 4 协议m a c 层，以 及为应用层提供合适的服务接口。网络层实体由数据实体( n e t w o r kl a y e rd a t a e n t i t y , n l d e ) 和管理实体( n e t w o r kl a y e rm a n a g e m e n te n t i t y , n l m e ) 两部分构成。这 两个实体是概念上的实体。 网络层数据实体( n l d e ) 通过其服务接入点，即n l d e s a p 提供数据传输服 务，允许应用程序在两个或多个传输设备间传输应用协议数据单元。它产生网路 1 5 山东大学硕士学位论文 层协议数据( n e t w o r kl a y e rp r o t o c o ld a t au n i t ，n p d u ) ，并且有能力把n p d u 单 元传递给一个合适的设备。 网络层管理实体( n l m e ) 贝i j 负责完成管理任务，包括配置设备，启动新网络， 实现节点的加入或离开网络，以及向新加入网络的节点分配地址等工作。向应用 层提供管理服务。 图2 - 9 i e e e8 0 2 1 5 4m a c 层命令帧结构 2 3 2z i g b e e 网络设备划分 保证功能的完整性，同时出于减少功耗的考虑，i e e e8 0 2 1 5 4 定义了以下两 种设备【7 l ： 1 ) 全功能设备( f u l l - f u n c t i o nd e v i c e ，f f d ) 2 ) 简化功能设备( r e d u c e d f u n c t i o nd e v i c e ，r f d ) 其中全功能设备可以与简化功能设备或者其它全功能设备通信，而简化功能 设备只能和全功能设备通信。f f d 不仅可以发送和接收数据，还具备路由器的功 能。r f d 只负责将采集到的数据发送给对其进行管理的f f d ，由该f f d 代替其 进行数据转发、路由选择等功能。简化功能设备是为非常简单的应用而设计的， 不需要发送大量的数据，并且一次都只能关联到一个全功能设备。因此，简化功 能设备只消耗很少的资源和存储开销。 1 6 j 上 山东大学硕士学位论文 z i g b e e 标准在i e e e8 0 2 1 5 4 设备规范的基础上。从网络层传输、管理的角度 出发，定义了以下三种设备【3 1f 】： 1 ) z i g b e e 协调器( z i g b e ec o o r d i n a t o r ) 2 ) z i g b e e 路由器( z i g , b e er o u t e r ) 3 ) z i g , b e e 终端设备( z i g b e ee n dd e v i c e ) 。 z i g b e e 协调器，即i e e e8 0 2 1 5 4 定义的个域网协调器，可以看作是一个无线 传感器网络的汇聚节点，是网络建立的起点，负责z i g b e e 网络的初始化，确定网 络唯一的标识符( p a ni d e n t i f i e r ) ，以及网络工作的物理信道；同时，统筹并分配 网络节点1 6 位短地址。z i g b e e 协调器必须是全功能设备，并且一个z i g b e e 网络 有且只有一个z i g , b e e 协调器。 z i g b e e 路由器是一个全功能设备，在接入网络后，它能获得由z i g b e e 协调器 分配的一定的1 6 位短地址空间。在其通讯范围内，无需z i g b e e 协调器的指导， 它便可以允许其它节点直接加入或者离开网络，为节点分配1 6 位短地址，并在 在节点退出后将地址收回。同时负责网络内部各种数据分组的路由转发。 z i g b e e 终端设备。一般是简化功能设备，但也可以由全功能设备来充当。 z i g b e e 终端设备只能与为其分配1 6 位短地址的的父节点通信，从父节点处获得 信息。 2 3 3z i g b e e 网络拓扑结构划分 z i g b e e 网络层网络拓扑灵活多样，支持三种网络拓扑结构【l 【硌】：星状网 ( s t a r ) ，网状网( m e s h ) 和簇树状网( c l u s t e r t r e e ) 。星状网络中整个网络由z i g b e e 协调器( z i g b e ec o o r d i n a t o r ) 设备协调控制，协调器负责网络终端设备的通信。而 在网状网和簇树型网络结构中，z i g b e e 协调器负责网络启动，通过z i g s e e 路由 器( z i g b e er o u t e r ) 实现网络的延伸和扩展。整个网络划分如图2 - 9 所示： 1 7 当耋查兰! i 圭兰堡兰銮 星状网l 广、 o ，k 簇树状网 网状网伦q 眵 、广、 q厂、 0 。 ，f 、o 设备 人终端设鲁 0 一一 图2 1 0z j g b 支持的三种网络拓扑结构圈 星状( s m ) 网络由一个z i g b e e 协调器和一个或多个z i g b e e 终端节点组成。其 中协调器必须式f