（计算机应用技术专业论文）ieee+802154标准的研究与实现.pdf

论文摘要 i e e e8 0 2 1 5 4 标准是由国际电信联盟制定的，适用于短距离，低功耗无线 设备之间进行数掘传输和通信的协议，具有低速率、低功耗、传输距离短、架构 简单、体积小的特点，适应无线传感器网络，其任务就是制定物理层( p h y ) 和 媒体接入控制层( m a c ) 规范。目前，国外已有数家公司和研究机构对该标准 投入研究，包括适合该标准芯片平台和协议栈的研究，也已有产品面市。我国的 研究机构也投入了大量的人力物力进行研究。 本文在深入研究8 0 2 1 5 4 标准协议的基础上，设计了一套在嵌入式硬件平 台上可移植性较高的协议栈开发方案，讨论了在设计过程中遇到的问题，并从实 现角度针对这些问题提出了对应的解决方案，而且在f r e e s c a l e 公司g 1 1 6 0 系列 m c u 和m c l 3 1 9 2 射频芯片的硬件平台上给出实现，包括底层系统软件、射频 驱动软件、物理层协议和m a c 子层协议软件。 本文首先介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 的提出和研究现状，并从中引出其提出的背 景和必要性。随后，详细介绍并分析了根据该标准组建网络拓扑的特点，并介绍 了两层协议各自采用的技术和特性，尤其是m a c 子层采用的超帧结构、传输模 型及场景，并且介绍了其帧结构定义。 其次，基于协议栈的可移植性考虑，本文提出了一套完整的系统架构设计方 案。这套系统架构基于硬件抽象层的思想，在底层提供了一些必要的、类似o s 功能的系统软件以及射频芯片驱动软件。接着本文介绍了这两部分软件应该具有 的必要功能。 然后，本文在所提出的系统架构以及底层软件的基础上，利用这些底层模块 和整体架构，实现了i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义的两层协议。这两层协议向上层提 供了媒体访问控制和基本的数据传输的功能。本文实现的8 0 2 1 5 4 协议栈，支 持除了安全模块之外标准中所有的特性和功能。最后对该协议栈系统进行了测 试。 关键字：无线传感网，i e e e8 0 2 1 5 4 ，硬件抽象层，m a c 子层协议，超帧结构 a b s t r a c t i e e e8 0 2 15 4 d e s i g n e db yt h ei n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n a p p l i e st os h o r t r a n g e ，l o w p o w e rw i r e l e s sd e v i c e sf o rd a t at r a n s m i s s i o na n d c o m m u n i c a t i o n t h i sp r o t o c o lh a ss o m ef e a t u r e sl i k ei o w - r a t e 1 0 w - p o w e r , s h o r t - d i s t a n c e ，s i m p l e s t r u c t u r e ，s m a l l s i z ea n ds oo n ，a n da d a p t st ow i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k i t st a s ki st od e v e l o pt h es p e c i f i c a t i o no fp h y s i c a l ( p h y ) l a y e r a n dm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) s u b l a y e na tp r e s e n t ，s e v e r a lf o r e i g n c o m p a n i e sa n dr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sh a v ed e v o t e dl o t so fr e s e a r c h e sf o rt h e s t a n d a r t ，i n c l u d i n gt h er e s e a r c h e sa b o u tt h e c h i pp a t f o r ma n dp r o t o c o ls t a c k ， a n dt h e ya l r e a d yh a v es o m ep r o d u c t sc o m i n gt ot h em a r k e t m a n yr e s e a r c h i n s t i t u t i o n so fo u rc o u n t r ya l s oh a v ei n v e s t e dal o to fm a n p o w e ra n dr e s o u r c e s i n t ot h er e s e a r c h b a s e do nt h ei n s i d es t u d yo f8 0 2 15 4s t a n d a r d ，t h i st h e s i si n v o d u c e sa d e s i g na p p r o a c ho fp r o t o c o ls t a c kd e v e l o p m e n tw i t hh i g h e rp o r t a b i l i t yi na e m b e d d e dp l a t f o r m ，a n dd i s c u s s e st h ed e s i g np r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h e p r o c e s s ，a n dm a k e st h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n st ot h e s ep r o b l e m s t h e nt h e t h e s i sg i v e so u tt h ei m p l e m e n t a t i o nd e t a i l so ft h es t a n d a r d ，i n c l u d i n gt h e d e t a i l sa b o u tu n d e r l y i n gs y s t e ms o f t w a r e ，r fd r i v e rs o f t w a r e ，p h y s i c a ll a y e r p r o t o c o la n dm a cl a y e rp r o t o c o ls o f t w a r e t h ei m p l e m e n t a t i o nw a sm a d e 0 1 3a h a r d w a r ep l a t f o r mw i t hg t 6 0s e n e sm c ua n dm c l3 19 2r fc h i p 。w h i c ha r e b o t hp r o v i d e db yf r e e s c a l e t h i st h e s i sb e g i n sw i t ht h ep r o p o s a la n d c u r r e n td e v e l o p m e n to fi e e e8 0 2 15 4 a n dt h e ni ti n t r o d u c e si t sb a c k g r o u n d a n dn e c e s s i t y s u b s e q u e n t l y , t h et h e s i sa n a l y z e st h ef e a t u r e so ft h en e t w o r k e s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h i ss t a n d a r d ，a n di n t r o d u c e st h et e c h n o l o g ya n d f e a t u r e su s e di nt h i st w o - l a y e rp r o t o c o l ，e s p e r c a u l yt h es u p e r t a m es t r u c t u r e ， t r a n s m i s s i o nm o d e la n ds c e n ei nt h em a cs u b l a y e r t h et h e s i sg i v e so u tt h e d e f i n a t i o no ft h ef r a m ed e f l n a t i o n sa sw e l l s e c o n d l y , f o rt h ec o n s i d e r a t i o nw i t h p o r t a b i l i t yo fap r o t o c o ls t a c k ，t h i st h e s i sp r e s e n t sac o m p l e t es e to fs y s t e m a r c h i t e c t u r ed e s i g n t h es y s t e ma r c h i t e c t u r eb a s e so nt h et h i n k i n go f h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e ep r o v i d e ss o m ef u n c t i o n sa b o u ts y s t e ma n dr f c h i pd r i v e rw h i c ha r en e c e s s a r ya n ds i m i l a rw i t ho s a n dt h e nt h ed e t a i l so f t h e s ef u n c t i o n sa r ei n t r o d u c e df o l l o w i n g t h i r d l y , b a s e do nt h e s em o d u l e sa n do v e r a l lf r a m e w o r kw h i c ha r e i n t r o d u c e da b o v e ，t h ep r o t o c o lo ft w ol a y e r si si m p l e m e n t e d t h i sp r o t o c o l 2 p r o v i d e sf u n c t i o n sa b o u tm a ca n db a s i cd a t at r a n s f e rt ot h eu p p e rl a y e r , a n d i n c l u d e sa l lf u n c t i o n sa n df e a t u r e sb e s e i d e ss e c u r i t ym o d u l e f i n a l l y , t h e p r o t o c o ls t a c kh a sb e e nt e s t e d k e yw o r d s ：w s n ，i e e e8 0 2 15 4 。h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e lm a c s u b l a y e rp r o t o c o l ，s u p e r f r a m es t r u c t u r e 3 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 作者签名：二丝日期：2 翌二2 二乒 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版 和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进 入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检 索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在解密 后适用本规定 学位论文作者签名：砾够，赴 导师签名：弓咨里， i e i 期：鲨塑二! 垄：苎 o r i g i n a l i t yn o t i c e i np r e s e n t i n gt h i st h e s i si np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h em a s t e r sd e g r e ea te a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y , 1w a r r a n tt h a tt h i s t h e s i si so r i g i n a la n da yo ft h et e c h n i q u e sp r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v e b e e nf i g u r e do u rb ym e a n yo ft h er e f e r e n c e st ot h ec o p y r i g h t ，t r a d e m a r k , p a t e n t ，s t a t u t o r yr i g h t ，o rp r o p r i e t yr i g h to fo t h e r sh a v eb e e ne x p l i c i t l y a c l 【i l o w l e d g e da n di n c l u d e di nt h er e f e r e n c e ss e c t i o na tt h ee n do ft h e t h e s i s s i g n a t 毗：篮趋d a t e ：竺型! ：苎一 ih e r e i na g r e et h a tt h el i b r a r yo fe c n us h a l lm a k ei t sc o p i e sf r e e l y a v a i l a b l ef o ri n s p e c t i o n if u r t h e ra g r e et h a te x t e n s i v ec o p y i n go ft h e t h e s i si sa l l o w a b l eo n l yf o rs c h o l a r l yp u r p o s e s ，i np a r t i c u l a r , s t o r i n gt h e c o n t e n to ft h i st h e s i si n t or e l e v a n td a t a b a s e s ，a sw e l la sc o m p i l i n ga n d p u b l i s h i n gt h et i t l ea n da b s t r a c to ft h i st h e s i s c o n s i s t e n tw i t h “f a i ru s e ”a s p r e s c r i b e di nt h ec o p y r i g h tl a w o ft h ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n a s i g n a t u r e i 惫选d a t e ：2 竺望：! ! ：f 第1 章引言 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 ，简称w s n ) 技术目前处于计 算机网络研究领域的前沿，具有非常广泛的应用前景，并极有可能发展成为一个 新的巨大经济规模的高科技市场。如今，由美国军方资助的学术研究机构、跨国 公司和全球最大的l t 供应商们均已将传感器网络列入研发计划并积极开展罔。 随着无线传感器网络的深入研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类 生活的各个领域。预计无线传感网络将会在军事、空间探索、环境、气象、医疗 护理、安全、物流、工业生产、智能家居、智能楼宇、智能交通、高端消费电子 产品、精密农业等领域将获得广泛应用。 1 1i e e e8 0 2 1 5 4 的提出和研究现状 自从1 9 9 7 年i e e e8 0 2 1 1 标准嗍制定以来，基于i e e e8 0 2 1 1 的无线局域 网标准发展迅速，已成为无线局域网的主要标准，广泛地应用于办公、家庭和公 共场所。然而，i e e e8 0 2 1 1 的组网成本较高，主要用来建设计算机局域网并支 持大量数据传输。为了促使简单方便的、可以随意使用的无线装置大量涌现，需 要在未来的个人活动空间内布置大量的无线接入点，低廉的价格将起到关键的作 用，同时也有必要制定一个标准的解决方案。这个标准要解决的问题是殴计一 个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线收发信机。其核心问题是低功耗、 低价格的设计和提供低带宽、低速率的应用。 为了满足低功耗、低价格无线网络的需要，i e e e 标准委员会在2 0 0 2 年1 2 月成立了一个新的任务组，开始制定低速率无线个人区域网( l r - ，p a n ) 标准， 称为i e e e8 0 2 15 4 ，其任务就是制定物理层( p h y ) 和媒体接入控制层( m a c ) 规范，开发一种用于固定、便携或移动设备的低复杂度、低成本和低功耗的低速 率无线连接技术，该技术已于2 0 0 3 年1 0 月获得j 下式批准。 i e e e8 0 2 1 5 4 满足国际标准组织( i s o ) 开放系统互联( o s i ) 参考模型， 它定义了单一的m a c 层和多样的物理层，其协议结构及与o s l 参考模型的对比 如图1 1 所示。 图1 1i e e e8 0 2 1 5 4 协议结构及与o s i 参考模型的对比 现今为止，国外已有数家公司和研究机构对i e e e8 0 2 1 5 4 标准投入研究， 包括适合该标准芯片平台和协议栈的研究，也已有产品面市。我国的研究机构也 投入了大量的人力物力进行研究。 1 2 无线传感器网络与i e e e 8 0 2 15 4 1 2 1 无线传感器网络技术 无线传感器网络是新一代的传感器网络，它是集信息采集、信息传输、信息 处理于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景，受到了国内外各大研究 机构的热力追捧。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展：2 0 0 0 年， 美国国防部将传感器网络列为国防5 个尖端领域之一；2 0 0 2 年，美国o a k 实 验室预言：i t 时代正从“t h en e t w o r ki sc o m p u t e r ”向“t h en e t w o r ki ss e n s o r ” 转变；2 0 0 3 年，美国技术评论将无线网络技术列为未来改变人类生活的十 大技术之首；作为业界标准制定者的i e e e 也正在努力推进无线传感器网络的应 用和发展；波士顿大学( b o s t o nu n v e r s i t y ) 还于最近创办了传感器网络协会 ( s e n s o rn e t w o r kc o n s o r t i u m ) ，期望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿 大学，该协会还包括b p 、h o n e y w e l l 、i n e t c os y s t e m s 、i n v e n s y s 、l - 3 c o m m u n i c a t i o n s ，m i l l e n n i a ln e t ，r a d i a n s e ，s e n s i c a s ts y s t e m s 友庙x t r o b s y s t e m s 。美国的技术评论杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传 感器网络列为第一项未来新兴技术，商业周刊预测的未来四大新技术中，无 线传感器网络也列入其中。 然而，作为一种新兴出现的技术，建立一个运转良好、鲁棒性好的无线传感 器网络还是面临着许多挑战。而且由于它的一些独特特性，使得无线传感器网络 3 的设计方法与现有无线网络的设计方法有很大不同。例如，由于传感器网络中的 传感器节点分布密集，所以需要大范围的数据管理和处理技术。其次，无线传感 器网络节点一般部署在人类难以到达和接触的区域，这就使传感器网络节点的维 护面临着很大的挑战。除此之外，电源消耗也是一个很重要的问题，无线传感器 节点作为微小器件，只能配备有限的电源，在有些应用场合下，更换电源是近乎 不可能的。这使得传感器节点的寿命在很大程度上依赖于电池的寿命，所以降低 功耗以延长系统的寿命是无线传感器网络设计需要首要考虑的问题，在协议设 计、算法优化等方面都会以简洁、低功耗为主要目标许多无线传感器网络方面 的研究人员都在着重研究新的节约功耗的协议和算法，这些协议和算法都需要传 感器网络平台进行实验和验证 基于i e e e8 0 2 1 5 4 标准的无线传感器网络和常见的无线网络如移动通信 网、a dh o c 网络等有如下区别： 1 无线传感器网络中的节点数目更为巨大，密度更高，且节点不一定具有全球 唯一的地址标识； 2 无线传感器网络中的节点一般不进行快速移动，但节点可能会随时加入或离 开，因而网络的拓扑变化很快，某些关键节点的退出常常导致网络拓扑的重 构； 3 无线传感器网络大都采用点对点通信方式，对于不在信号范围内的节点，多 采用m a c 层多跳路由的方式； 4 无线传感器网络中节点的电池能量、计算能力和存储能力相当有限。 1 2 2i e e e8 0 2 1 5 4 的开发意义 i e e e 2 1 5 4 从一开始就被设计用来构建低成本、低功耗和低速率的无线 网纠o l ，这是由其主要技术优势决定的： 1 数据传输速率低：只有1 0 k 字节彤倒2 5 0 k 字节，秒，专注于低传输应用。 2 功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年， 免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是8 0 2 1 5 4 标准的一个独特优 势。 3 成本低：数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，且免收专利费。 4 网络容量大：每个8 0 2 1 5 4 网络最多可支持2 5 5 个设备。 5 时延短：通常时延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之间。 6 安全：8 0 2 1 5 4 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用a e s 1 2 8 加密算 法。 7 有效范围小：有效覆盖范围1 0 7 5 米之问，具体依据实际发射功率的大小 4 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。 8 工作频段灵活：使用频段为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美国) ，均 为免执照频段。 与之相比，同样是无线技术的蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品， 经常是为手机和附近的耳机或p d a 联网用的，它可以在不充电的情况下工作几 周，但无法工作几个月，更不用说几年了；一般情况下，蓝牙设备需要人手配置 和维护网络连接：它可以用来有效地处理8 个设备( 一个主设备和7 个从设备) ， 如果更多的话，通讯速率则显著下降。而8 0 2 1 1 ，也被称作w i - f i ，也有类似的 问题，虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功 耗却非常高。 由此可见，8 0 2 1 5 4 标准以其独特的优势弥补了低成本、低功耗和低速率无 线通信市场的空缺，在现在和将来，会有更多的注意力和研发力量转到该块领域， 而研究和实现8 0 2 1 5 4 标准协议具有较大的意义本文便是在已有的硬件平台 上，对i e e e8 0 2 15 4 的物理层和m a c 子层进行了研究和实现。 1 3 软硬件开发环境简介 8 0 2 1 5 4 协议作为i e t f 的标准协议已经得到了广泛的承认，不少芯片厂商 纷纷推出自己的支持8 0 2 1 5 4 协议的开发套件，包括日本富士通、美国 f r e e s c a l e 和s i l i c o n 等公司。本文采用的是f r e e s c a t e 公司生产的c p u 和射频 芯片的开发平台。 1 3 1 硬件环境 1 m c 9 s 0 8 g t 6 0m i c r oc o n t r o l l e ru n i t _ 【4 - 数据总线：8 b i t 一 地址总线：1 6 b i t - 时钟频率：8 m h z - 内存空间：6 4 k ( 6 0 kf l a s hm e m o r y ，4 kr a m ) - s p i 接口：提供一个s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 接口，用于 连接射频芯片m c l 3 1 9 2 2 m c l 3 1 9 22 4 g h z ( 射频芯片) 嘲 支持1 6 个信道，兼容i e e e8 0 2 1 5 4 标准 - 发射功率可编程设置，范围为2 7 d b m 至4 d b m _ 最大支持2 5 0 k b p s 数据率 5 - 提供三种省电模式：o f f 模式、h i b e r n a t e 模式和d o z e 模式 1 3 2 软件环境 1 c o d e w a r r i o r t m d e v e l o p m e n t s t u d i of o rf r e e s c a l e t m h c ( s ) 0 8 m i c r o c o n t r o l l e r s ，v 5 0 i s 2 s e n s o rn e t w o r k a n a l y z e r ( s n i f f e r ) 由于没有采用任何已有的o s 作为底层支持，因此，整个课题的软件都采用 标准c 语言以及a r m 的汇编语言编写，其中，c 语言编写的系统架构以及 8 0 2 1 5 4 协议栈部分有较好的可移植性。另外，考虑到代码空间、系统资源管理 和调试等各方面因素，程序中也没有使用标准c 的库函数，内存管理等部分代 码都自行完成设计和实现。 1 4 论文的思路与主要工作 本课题主要的工作是1 e e e8 0 2 1 5 4 协议栈的设计与实现，包括学习、分析 和研究i e e e8 0 2 1 5 4 标准协议，熟悉和了解开发硬件平台的特性，设计一种可 移植性较高的协议栈架构并在以上提到的硬件平台上实现其物理层和m a c 子层 协议，并定义好与上下层( 即硬件驱动和物理层协议，物理层和m a c 子层协议) 之间的接口，以便于与整个系统其他部分的整合。 首先在前期准备阶段，主要工作是设计好协议栈的整体框架，使得协议栈有 一定的平台无关性，以便于协议栈的移植。本论文的重点之一就是讨论可以改善 和提供协议栈可移植性的技术，并介绍协议栈架构的设计。 在完成了协议栈架构设计之后，就进入本论文的另一个重点部分，即协议栈 的物理层和m a c 子层协议的设计和实现。虽然目前8 0 2 1 5 4 协议在国内外都已 经有一定的开发与应用，但是由于协议标准文档描述较为简练，使得在对该协议 的行为实现时，在一些细节的实现上有一定的选择性，并且目前也没有其他的源 代码等可以参考，所以在实现的时候对协议的具体行为表现做出了一定的选择， 例如m a c 子层内部的处理流程，并通过后期的基本测试，从一定程度上保证了 本课题所研究和讨论的实现有一定的可用性和正确性。 6 第2 章i e e e8 0 2 1 5 4 标准 i e e e8 0 2 1 5 4 针对低速、低功耗、低成本的无线个人区域网络，为个人或 者家庭范围内的不同设备之间的互连提供物理层和m a c 层标准。在介绍该标准 的具体实现细节之前，本章将首先详细介绍其组建网络的特性和这两层具体协 议。 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 网络 i e e e8 0 2 1 5 4 标准规定的网络具有以下特点： 在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 三种不同的传输 速率； 支持星型和点对点两种网络拓扑结构； 具有1 6 位和6 4 位两种地址格式，其中6 4 位地址是全球唯一的扩展地 址： 支持冲突避免的载波多路侦听技术( 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 h c o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m n c a ) ； 支持确认( a c k ) 机制，保证传输可靠性。 2 1 1 组成部分 按照i e e e8 0 2 1 5 4 标准组建的网络( 即l r w p a n ) 是指在一个p o s ( p e m o n a lo p e r a t i n gs p a c e ) 范围内使用相同的无线信道并通过i e e e8 0 2 1 5 4 标准相互通信的设备的集合。设备( d e v i c e ) 是i e e e8 0 2 1 5 4 网络中最基本的 组成部分。在该网络中支持两种设备，一种是全功能设备( f f d ) ，另一种是简 化功能设备( r f d ) 。全功能设备可以在三种模式下工作，即p a nc o o r d i n a t o r 、 c o o r d i n a t o r 或者普通的网络设备，它可以在运行期间动态地在这三种模式之间 进行切换。全功能设备不仅可以同简化功能设备或其他全功能设备通信，而且可 以控制网络的拓扑结构。简化功能设备只能同全功能设备通信而不能控制网络拓 扑结构。它通常用于特别简单的应用场合，如电灯开关或是被动的红外线传感器， 一般不需要传输大量的数据。因此，实现简化功能设备协议只需要很少的内存资 源。在同一个物理信道上，个人通信空间范围内的两个或多个设备就可以组成一 个l r w p a n 。一个网络至少需要一个f f d ，它作为p a nc o o r d i n a t o r 运行，p a n 7 c o o r d i n a t o r 除了直接参与应用外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理 以及分组转发等任务。 2 1 2 网络拓扑结构 如图2 1 所示，在不同的应用场合下，k r - w p a n 可以有两种拓扑结构：星 型拓扑( s t a r t o p o l o g y ) 或者点对点拓扑结构( p e e r - t o p e e r t o p o l o g y ) 。在星型 拓扑下，所有的网络设备都与一个中央控制器进行通信，该中央控制器称为p a n c o o r d i n a t o r 。p a nc o o r d i n a t o r 是整个p a n 的主要控制者，可能使用稳定电源 供电，而网络设备则是电池供电。星型拓扑主要用于家庭自动化，p c 外围设备， 玩具以及游戏，健康护理等。 点对点拓扑结构也具有p a nc o o r d i n a t o r ，但与星型结构不同的是，只要两 个网络设备处于彼此的通信范围内，它们就可以互相通信而不需经p a n c o o r d i n a t o r 转发。点对点拓扑可以实现更加复杂的网络结构，如簇型拓扑 ( c l u s t e rt r e et o p o l o g y ) 。这种拓扑结构适用于工业控制和监测，无线传感器网 络，智能农业等应用场合。点对点网络可以自我组织和自我调整，也支持将来自 一个网络中的设备发送的消息多跳路由到另一个网络的设备上。 星状拓扑点对点拓扑 肿 or f b 图2 1 网络拓扑结构 在这两种拓扑的网络中，所有的设备都有一个唯一的6 4 位i e e e 地址。这 个地址可以用来同p a nc o o r d i n a t o r 直接通信，也可以在完成网络构建后，用来 向p a nc o o r d i n a t o r 获取分配的1 6 位短地址。每个独立的网络都会选择一个唯 一的p a n 标识符，这个标识符允许在网络内部使用短地址进行通信，也可以使 处于两个网络中的设备进行通信。 8 2 1 3 网络拓扑的形成过程 虽然网络的拓扑结构的形成过程属于网络层的功能，但i e e e8 0 2 1 5 4 标准 为形成各种网络拓扑结构提供了充分的支持。这一部分主要讨论了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准对形成网络拓扑结构提供的支持，并详细地描述了星型网络和点 对点网络的形成过程。 2 1 3 1 星型网络的形成 星型网络以p a nc o o r d i n a t o r 为中心，所有的设备只能与p a nc o o r d i n a t o r 进行通信，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立p a nc o o r d i n a t o r 。 任何一个全功能设备( f f d ) 都有机会成为p a nc o o r d i n a t o r ，一个网络如何确 定自己的p a nc o o r d i n a t o r 由上层协议决定。一种简单的策略就是：一个全功能 设备在第一次被激活后，首先广播查询p a nc o o r d i n a t o r 的请求，如果接收到的 回应说明网络中已经存在p a nc o o r d i n a t o r ，那么这一全功能设备就开始一系列 的关联过程，设备就成了网络中的一个普通设备。如果没有收到回应或者关联没 有通过，那么这个全功能设备就可以作为p a nc o o r d i n a t o r 建立新的网络。当然， 这里面存在一系列的深层次问题，如p a nc o o r d i n a t o r 过期、能量耗尽、损坏等， 还有其它偶然因素而造成的多c o o r d i n a t o r 竞争问题。 p a nc o o r d i n a t o r 要为网络选择一个唯一的网络标识符。所有该星型网络的 设备都使用这一标识符来确定自己在网络中的主从关系。不同的星型网络设备之 间的设备通过专门的网关完成相互间的通信。选择一个标识符后，p a n c o o r d i n a t o r 就可以允许其它设备加入到自己的网络中，并且为他们转发分组。 星型网络中的两个设备如果需要相互通信，都是先把各自的分组发送到p a n c o o r d i n a t o r ，然后再由它转发给对方。 2 1 3 2 点对点网络的形成 点对点的网络中，任意两个设备只要能够彼此接收对方的无线信号，就可以 进行直接通信，而不需要其它设备的转发。但点对点网络中依然需要一个p a n c o o r d i n a t o r ，但这个p a nc o o r d i n a t o r 不再像星型网络中的p a nc o o r d i n a t o r 需要转发数据，而是完成设备的关联和访问控制等基本的网络管理功能。p a n c o o r d i n o r 的产生同样由上层协议规定，比如把某个信道上第一个开始通信的 设备作为该信道的p a nc o o r d i n a t o r ，簇树网络是点对点网络的一个例子，下面 以簇树网络为例描述点对点网络的形成过程。图2 2 是一个多级簇树网络的例 子。 9 在簇树网络中，绝大多数设备是f f d 设备，而r f d 设备总是作为簇树的叶 设备连接到网络中的。任意一个f f d 都可备一样，也可以比其他设备拥有更多 的计算资源和能量资源。p a nc o o r d i n a t o r 首先把自己设置成簇头( c l u s t e r h e a d e r ) ，并将簇标识符( c l u s t e ri d e n t i f i e r ，c i d ) 设置为0 ，同时为该簇选择 一个未用的p a n 网络标识符，形成网络中的第一个簇。接着p a nc o o r d i n a t o r 开始广播b e a c o n 帧。邻近的设备收到b e a c o n 帧后，就可以加入到该簇中。设 备可否成为簇成员，由p a nc o o r d i n a t o r 决定。如果请求被通过，则将该设备作 为该簇的子设备加入到p a nc o o r d i n a t o r 的邻居列表中。而新加入的设备会将簇 头作为父设备加入到自己的邻居列表中。 0 d e v i c e 图2 2 簇型拓扑结构示意图 这只是一个由单簇构成的最简单的簇树。p a nc o o r d i n a t o r 可以指定另一个 设备作为邻接的新簇头，以形成更多的簇。新簇头同样可以选择其他设备作为子 簇头，进一步扩展网络覆盖范围。但是过多的簇头会增加消息的传输延迟和通信 开销。为了减少延迟和通信开销，簇头可以选择最远的通信设备作为相邻的簇头， 这样可最大限度的减少消息的传递跳数，达到减小传输延迟和开销的目的 2 1 4 体系结构 l r w p a n 体系结构由若干层构成，每一层实现规范的一部分功能并向上层 提供服务。l r w p a n 设备主要由物理( p h y ) 层和媒体访问控制( m a c ) 子层 组成。物理层包括射频收发器和对收发器的底层管理控制模块。m a c 子层向上 层提供物理信道的访问服务以及保证帧可靠传输。图2 3 用图形方式描述了层次 结构，各层的主要功能在下面的章节中将详细阐述。 1 0 图2 - 3i e e e8 0 2 1 5 4 体系结构 图4 中的上层包括提供网络配置，消息路由等服务的网络层和实现特定功能 的应用层。在m a c 子层和上层之间是一个i e e e8 0 2 2 类型的逻辑链路控制 ( l l c ) 子层，该层通过服务汇聚子层( s s c s ) 接口使用i e e e8 0 2 1 5 4 网络， 为应用层提供链路层服务。l r - w p a n 可以实现在嵌入式设备上，也可以实现在 需要外部设备如个人计算机支持的设备上，如无线键盘，无线鼠标等。 2 1 5 基于原语的接口 i e e e8 0 2 1 5 4 协议采用标准的分层次构架，由低层向上层提供服务，并相 互独立。n 层用户和n 层服务提供者通过一系列的离散的事件来触发服务的调 用，每个事件通常包括一个或者多个服务原语的传递。如图2 4 所示原语调用结 构所示。 服务提供者 ( n 层) | 璺| 2 4 原语调刖结构 i e e e8 0 2 1 5 4 提供的原语通常可以分为如下四类： r e q u e s t ：由n 层用户发送给n 层服务提供者，并请求服务。 i n d i c a t i o n ：由n 层服务提供者发送给n 层用户，表明某个用户关心的 事件，该事件可能是n 层服务提供者自己内部的一个事件，也可能为n 层用户某次远程服务调用的结果。 r e s p o n s e ：由n 层用户发送给n 层服务提供者，对特定i n d i c a t i o n 原 语的回应。 c o n f i r m ：由n 层服务提供者发送给n 层用户，传达某次或某几次 r e q u e s t 原语的调用结果。 2 2 物理层 物理层定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口，通过两个服务访问点 ( s a p ) 以原语调用的方式向上层提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理 层数据服务在物理信道上通过射频服务访问点( r f - s a p ) 实现物理层协议数据 单元( p s d u ) 的发送和接收，而物理层管理服务是由物理层管理实体( p l m e ) 提供的，该实体维护一个由物理层相关数据组成的数据库( p i b ) 物理层的主要功能包括五个方面：打开和关闭收发器、信道能量检澳g ( e n e r g y d e t e c t ) 、链路质量指示、信道选择和空闲信道评估以及通过物理介质上发送和 接收数据包。 信道能量检测为网络曾提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号 的功率强度，因为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，它要对信号进行解码，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起提交上层处理。 空闲信道评估判断信道是否空闲。i e e e8 0 2 1 5 4 定义了三种空闲信道评估 模式：第一种模式简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为 信道空闲：第二种模式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结合，同时检测信号强 度和信号特征，给出信道空闲判断。 2 2 1 物理层的载波调制 物理层定义了三个载波频率用于收发数据。在这三个频段上发送数据使用的 速率、信号处理过程以及调制方式等方面存在一些差异。三个频段总共提供2 7 个信道( c h a n n e l ) ：8 6 8 8 6 8 6 m h z 频段( 欧洲)