（电路与系统专业论文）基于ZigBee的智能公交通信系统的设计与开发[电路与系统专业优秀论文].pdfVIP

摹于z i g b e e 的智能公交通信系统的设计与开发 摘要 城市交通，公交先行。通过公共交通来解决城市出行问题已达成共识，各级 政府、企业投入巨资对公交系统进行升级改造，无人售票，语音报站，电子站牌 等众多新技术在公交车上得到了应用。但公交实时调度问题一直没能得到解决， 智能公交无从谈起，其中最重要的原因就是公交车数目众多，运行分散，工作时 间长，没有一种适合智能公交的通信系统。 z i g b e e 技术是近年来发展迅速的基于传感器网络的低成本、低复杂度、低速 率、近距离的无线通信技术，目前在家电控制、森林防火、无线抄表领域得到了 广泛的应用。在对z i g b e e 协议充分了解的基础上，提出将众多的公交车辆看作无 线传感器节点，将公交调度网看成一个无线传感器网络，利用z i g b e e 技术解决移 动车辆和路边基站的通信，从而解决公交的数据采集和调度问题。 在查阅大量z i g b e e 文献资料的基础上，结合现有的通信网络设计了智能公交 的通信系统，给出了基站和车载节点的设计方案。采用f r e e s c a l e 的z i g b e e 射频 芯片m c l 3 1 9 2 和m o t o r o l a r 的8 位单片机h c s 0 8 g t 6 0 、3 2 位的嵌入式芯片m c f 5 2 1 3 分别设计了移动节点和基站，在c o d e w a r r i o r 编译环境下实现了移动节点和基站的 的组网通信。 为了证明基于z i g b e e 技术的星形网络应用于智能公交的可行性，论文深入分 析了z i g b e e 协议的抗干扰能力和与蓝牙、u w b 、i e e e 8 0 2 1 1 b 的共存关系。研究了 z i g b e e 协议的组网算法，引入马尔可夫链模型对饱和状态下星形拓扑结构网络的 接入概率，延时性能进行了仿真分析。结果表明，只要设计好数据帧的长度和单 位时间内星形网络的节点数，网络的性能能满足智能公交无线通信网络的需要。 关键词：智能公交；z i g b e e ；i e e e 8 0 2 1 5 4 ；离散时间马尔可夫链；m c l 3 1 9 2 ； m c f 5 2 1 3 l i a b s t r a c t n o w ，d u et ot h ef a s ti n c r e a s e du r b a nt r a f f i c ，m a n yl a r g ec i t e sh a v et u r n e dt h e i r a t t e n t i o nt ot h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o n t h a tt h ep u b l i c t r a n s p o r t a t i o nc a ns o l v et h e u r b a nt r a f f i cp r o b l e mh a sb e e nw i d e l ya c c e p t e db yg o v e r n m e n t sa ta l ll e v e l sa n ds o c i a l c o m m u n i t i e s i n v e s t m e n t so fl a r g ea m o u n t sh a v eb e e na w a r d e dt ot h e p u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，a n dm a n yn e wt e c h n o l o g i e s ，s u c h a ss e l f - s e r v i c et i c k e t i n g ， a u t o m a t i cs t a t i o n - b r o a d c a s t i n gs y s t e m ，e p o s ta n dt h eh a v eb e e na p p l i e d b u tt h e e x p l o i t e do ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea p tt ot h ei n t e l l i g e n c et r a n s p o r t a t i o n s y s t e mi sf a rd e l a y e d t h em a i nr e a s o ni st h a tt h e r eh a sn oa p p r o p r i a t ep r o t o c o ld u e t o t h ev a s ta m o u n to fb u s ，t h ed i s p e r s i n go ft h eb u s l i n e ，a n dt h el o n gw o r k i n gt i m e t h ez i g b e et e c h n o l o g yb a s e do nt h es e n s o rn e t w o r ki s p o r t a b l ea n dm o v i n g d e v i c e sw i t hak i n do fl o wc o s t ，l o wc o m p l e x ，l o wd a t er a t ea n ds h o r t d i s t a n c e a t p r e s e n t ，i th a s b e e na p p l i e di na w i d ef i e l ds u c ha st h ee l e c t r i c a la p p l i a n c e sc o n t r o l l i n g ， t h ed e f e n s eo ff o r e s tf i r e t h ew i r e l e s sm e t e r sa n d & w h e t h e ri tc a nb ea p p l i e dt ot h e i t sa n dc o n s t r u c taw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np l a t f o r mt h a ts u i tt h ei t si st h em a i n w o r kt h a tt h ep a p e rs t u d i e sa n dr e s o l v e s r e f e r r i n gal o to fl i t e r a t u r e s ，a l li t sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np l a t f o r ma c c o r d i n g t ot h ez i g b e ep r o t o c o li sd e s i g n e db a s e do ne x i s t e dn e t w o r k w ed e s i g n e dt h em o v i n g n o d e sa n dp l a ts t a t i o n sw i t ht h er a d i oc h i pm c l 3 1 9 2 ，m c uh c 0 8 ，m c f 5 2 1 3e t c ，a n d a c h i e v e dt h es t a rn e t w o r kb a s e do nt h ea l g o r i t h m t h ep a p e ra n a l y z e st h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yo ft h ez i g b e ep r o t o c o la n dt h e c o e x i s t e n c er e l a t i o nw i t ht h eb l u et o o t h ，w i r e l e s su s b ，i e e e8 0 2 1 l ，s t u d i e st h e z i g b e en e t w o r ka l g o r i t h mb yi n t r o d u c i n gm a r k o vc h a i nm o d e lt os o l v et h ea c c e s s p r o b a b i l i t ya n dt h ed e l a yp e r f o r m a n c et ot h es t a rt o p o l o g y t h es i m u l a t ea n a l y s i sa r e a l s oc a r r i e do n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h el e n g t ho fd a t ea n dt h en u m b e ro fn o d e s d o m i n a t et h ep e r f o r m a n c eo fn e t w o r k t h ez i g b e ec a nm e e tr e q u i r eo ft h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o no fi t si ft h o s ef a c t o r sa r eb e i n gc o n t r o l l e d k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n c e d i s c r e t e - t i m em a r k o vc h a i n ； p u b l i c t r a n s p o r ts y s t e m ；z i g b e e ； i e e e 8 0 2 i5 4 ： m c l 3 1 9 2 ；m c f 5 2 13 i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者签名 日期：纱一年7 7 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“1 j ”) 鬟耄年纱戮冕笋 何! 。学竹论立 第1 章绪论 伴随着国民经济的飞速发展，城市人口同益膨胀，机动车辆相应急剧增加， 城市交通运输的压力越来越大。不论在发达国家还是发展中国家，这一问题都同 益突出。近年来，各国都比较重视对公共交通系统的管理和开发，致力于用通信技 术、自动化技术及计算机技术等现代高新技术来系统地解决道路交通问题，并称 之为智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) “】。i t s 把先进的 信息技术、数据通信技术、控制技术及计算机处理技术等综合应用于地面交通管 理体系，从而建立起一种大范围、全方位、高效的交通运输管理系统。智能交通 系统实现了人、车、路的有机结合和协调发展，从而充分体现经济、社会和生态 效益的最大化，实现交通发展的可持续性。 城市交通，公交先行。城市公共交通是城市运输体系的一个重要组成部分， 是客运交通的主体，是城市建设和发展的基础，是城市生产和居民生活必不可少 的社会公共设施，并且公共交通在疏散客流，缓解交通压力方面有着其他城市交 通运输工具无法比拟的优点。公共交通人均占用道路面积少( 大约是小汽车的 1 1 0 、自行车的1 1 6 ) d 1 ，相对于众多的小型机动车辆具有节省能源和减少污染的优 势。着重发展公共交通缓解城市交通闯题已是社会各界的共识。i t s 的研究的重要 分支就是城市先进公共交通管理系统( a p t s ，a d v a n c ep u b l i ct r a n s m i ts y s t e m ) n 】。 在a p t s 系统中，无线通信技术是实现公交智能化的关键技术。无线通信实现 了车辆和路边设备之间、车辆和交通信息中心之间的信息交换“1 。通过无线通信技 术，可以提供多种交通信息服务，如交通信息发布、交通导航、信息查询等。通 过无线通信技术，可对公交车辆远程管理、实时调度，充分挖掘公交运力。 目前，还没有a p t s 专用的无线通信协议，只能应用i t s 中的无线通信技术。由 于世界各国城市的具体情况不同和对i t s 的认识上的差异，i t s 中应用到的无线通 信技术种类很多。根据信息传输的目地和范围，可分为广域无线通信和局域无线 通信两部分。 1 1 智能交通中的无线通信技术 1 1 1 广域无线通信技术 1 调频数据广播 欧洲的r d s t m c 5 】( t r a f f i cm e s s a g ec h a n n e l ) 和日本的v i c s l 6 1 ( v e h i c l e i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 是采用调频数据广播技术实现交通信息发 布的典型应用。调频数据广播技术利用调频( f m ) 广播较大的带宽，采用频谱搬移 皋fz i g b e e 的智能公交通信系统的设计j 开经 的方法，将要传送的数据与处于超音的不同副载波调制形成s c a ( s u b s i d i a r y c o m m u n i c a t i o n a u t h o r i z a t i o n ) 副信道，再与处于原有音频范围的主节目一起构成调 制基带信号，最后基带信号对载波进行调制，发送。接收端完成相反的过程。 为了使附加的数据业务与原有的调频广播互不干扰，副载波应选择在干扰最 小处，即在1 9 k h z 导频的谐波5 7 k h z ，7 6 k h z 处，因此产生了两种调频多工数据广 播规范。采用5 7 k h z 的r d s 和采用7 6 k h z 的d a r c 1 7 1 ( d a t ar a d i oc h a n n e l ) 。 2 c d p d 蜂窝数字分组数据( c d p d ，c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) t 8 1 是以蜂窝移动通信9 1 为组网方式，在模拟蜂窝电话系统的基础上建立起来的。c d p d 在现有的蜂窝电话 网上使用3 0 k h z 空闲信道来提供数据业务而不干扰语音的传输。其结构如图1 - 1 所 示。c d p d 是基于t c p i p 发展起来的，它可以与i n t e r n e t 相连。智能交通系统可以通 过c d p d 网络实现诸如车辆调度、路径诱导、信息发布、紧急情况报告、车辆定位 和跟踪等应用。 i v i e s ：移动终端 m d b s ：移动数据基站系统 m 1 d s ：移动数据中介系统 n m s ：网络箭理系统 i s ：中介系统 图1 1c d p d 网络结构 c d p d 支持基于t c p i p 的数据包的传输，按照一定的规则把数据报文分割成若 干定长的数据段，并在每一数据段加上收发终端地址及其他控制信息构成分组， 以分组为单位在无线蜂窝网上进行交换和传输。c d p d 采用全双工、双向实时通信 的通信方式，正向信道为无竞争的广播信道，反向信道采用多址接入冲突检测 ( c s m a c d ) 方式，速率可达到1 9 2 k b i t s 。c d p d 采用g m s k 调制技术+ 、空间分集接 收技术、f e c 和a r q 相结合的差错控制技术保证数据传输的可靠性，采用空中链 路加密、动态密匙管理来保证用户传递消息的安全性，采用终端i p 地址标识、m d b s 检查m e s 授权信息来保证用户的合法性。 3 g s m g p r s 全球移动通信系统【1 0 i ( g s m ，g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 是欧洲 主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计的数字移动通信系统，也是 我国目前覆盖面最广、功能最强、用户最多的移动通信系统。g s m 除了提供语音 业务之外，还提供电文、图像、传真和消息等的数据业务，传输的速率可以达到 9 6 k b i t s 。另外g s m 还提供了非传统业务，即短消息业务。 硕卜学位论殳 g s m 系统由网络交换子系统( n s s ) 、基站子系统( b s s ) 和移动台( m s ) 三部分组 成，如图1 2 所示。移动台( m s ) 是直接由用户使用的设备，包括安装在公交车辆上 的车载设备和便携式的手机两种。基站子系统( b s s ) 由基站控制器( b s c ) 和基站 ( b t s ) 两部分组成，负责无线信道的控制和管理，完成无线传输。网络交换子系统 ( n s s ) 由移动业务交换中心( m s c ) 、拜访位置寄存器( v l r ) 、归属位置寄存器( e i r ) 、 操作维护中心( o m c ) 和短消息业务中心( s c ) 等组成。 i 一一一一一一一一一j i r ；西一j 图1 26 s m 网络结构 全球移动通信系统( g s m ) 在我国已经得到了普及，并且在多个行业中得到了应 用。将g s m 应用于交通系统中，利用数据业务和短消息业务，同g p s 结合起来，传 递车辆的位置信息等，用于车辆定位业务。 而g p r s 是在g s m 的基础上发展起来的，它是在g s m 网络上新增两个节点一s g s n 和g g s n 而形成。g p r s 采用分组交换的方式，有四种编码方式，信道速率最高可达 1 7 1 2 k b i t s 。其基本功能是在移动终端和计算机通信网络的路由器之间提供分组 传递业务。g p r s 同时支持两种主流的分组数据网络协议：i p 和x 2 5 协议1 。 4 i m t - 2 0 0 0 i m t 一2 0 0 0 “”是第三代宽带移动数据通信系统。i m t 一2 0 0 0 系统提供面向个人服 务的宽带传输平台，兼容不同的通信网络和不同功能的通信终端，可以在任何时 间和任何地点实现用户对用户之间的双向通信。 i a t 2 0 0 0 在提供语音通信的基础上还可提供传输多媒体业务的数据通信能 力。因此i m t - 2 0 0 0 系统能适用于智能交通，利用i m t 一2 0 0 0 网络可以建立i t s 的专用 无线信道，用于发布交通信息、加强交通管理，提高驾驶安全和降低事故等。 i a t 一2 0 0 0 系统的主频段在2 g h z ，主要由核心网( c n ) 、无线接入网( r a n ) ，移动 台( m t ) 和用户识别模块( i m ) 子系统构成，数据速率可达至1 2 m b i t s ，在移动车辆环 境下能提供达到1 4 4 k b i t s ，的数据传输能力。 苹fz i g b e c 的智能公交通信系统的址汁玎f 发 1 1 2 局域无线通信技术 1 d s r c 表1 1 d s r c 标准对比 标准名称欧洲c e n t c 2 7 9目本i s o 2 0 4 频段 e t c ：5 7 6 5 5 8 0 5 g h za 撄：上行5 8 3 5 g h z ，下行5 7 9 5 g h z r t 丌：5 8 0 5 5 8 1 5 g h zb 型：上行5 8 4 5 0 h z ，下行5 8 0 5 g h z 占用频带 2 0 m h z6 0 m h z 频隙 5 m h z1 0 m h z 主被动 被动式 主动式 r s u ：全双工 通信方式半双式 o b u ：半双式 上行：副载波m p s k 调制方式 a s k 下行：a s k 上行：2 5 0 k b i t s 上下行为1 m b i t j s 通信速率 下行：5 0 0 k b i t j s 编码后为2 0 4 8 k b i t s 误码率1 0 4l0 5 同时通信车辆数l 辆8 辆 专用短程通信( d s r c ，d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ) “”是专为适应 i t s 领域而开发的短距离无线通信技术，在智能交通领域内具有广泛的应用前景。 d s r c 系统主要由路边设备、车载单元和专用短程通信协议三个部分组成，车 载设备和路边设备在r f 波段以被动或主动方式进行双向通信，专用通信协议则是 整个d s r c 系统的核心部分。目前国际上己形成了以美国a s t k t i e e e 、欧洲c e n t c 2 7 8 和日本i s 0 t c 2 0 4 为核心的三大d s r c 标准体系。 d s r c 是一种近距离的无线通信技术，信号传播的距离只有几十米。欧洲和日 本的标准组织都规定了采用5 8 g h z 的通信频段。欧洲和日本在d s r c 系统中物理层 设置的参数有所不同，如表1 1 所示。d s r c 通信技术可以广泛应用在智能交通系统 多个领域中，包括交通信息的发布和不停车收费系统( e t c ) 、停车管理等。 2 c a l m 智能交通系统中c a l m “”是有关中程、远程空中接口的通信标准，短程通信主 要定义了红外标准。i s o t c 2 0 4 w g l 6 就是关于c a l m 通信技术标准研究的工作组。 c a l m 标准中定义了基于第二代、第三代移动通信，微米波和红外等无线技术的通 用体系结构、网络协议和空中接口。 耐! 十学化论立： c a l m 支持在车辆和服务提供者之间、车辆之间的准连续通信与通信时问的延 展等。相关的文件有n p 2 1 2 1 4 。报告认为，红外线技术可用来提供轻便的便携式设 备和基础设施之间的高速通信。在目酊的规定下，超过1 5 0 m 1 0 0 m 的交易区可由 单个轻便询问器提供有效的通信服务，这种询问器可固定在现有的基础设施上( 路 灯、道路标志杆、道路标志等) 。在车辆沿公路行驶时，间距为l o o m 的红外线询问 器链式网络可提供无线连续通信。 红外通信的主要特征为，数据速率在1 m b i t s 一1 g b i t s 之间，沿链式信标的连 续链式运行。在智能交通中可以用于电子商务、图像传送、乘客娱乐系统、出行 者信息系统( 包括视频、动态路径诱导、导航系统更新、车内高速互联网连接) 等 领域。 1 2 无线通信技术在我国智能公交中的应用 上世纪九十年代以来，各级政府、公共交通部门投入了大量的人力、物力开 始现代公共交通的建设。轨道交通、无人售票、自动报站等许多现代电子技术的 应用极大的方便了居民的出行。但随着群众生活水平的提高，对公交系统提出了 更高的要求，需要知道车辆的运营、调度信息，这离不开无线通信技术的支持。 公交车辆和城市其它车辆不同，有自己的特点：公交车沿特定的路线行驶， 有特定的调度计划。公交智能调度管理系统需要收集实时的车辆位置，传送调度 等信息，通信时间长( 每天1 2 小时以上) ，通信的次数多。智能交通中应用到的无 线通信技术无法满足智能公交的通信要求。 采用调频广播达不到功能要求，采用专用网络技术复杂，建设周期长，维护 成本高。g p r s 通信网络是目前的首选，覆盖率高，技术成熟，使用方便。在我国 很多城市建成了g p s + g p r s 的智能公交线路，结构如图1 3 所示。 利用g p s 提供车辆的位置信息，利用g p r s 与调度中心进行无线通信。在许多大 城市都建成了一条或者几条这样的线路，技术上g p r s o 满足公交数据通信的需要， 但该方案存在两大问题：一是使用效果，二是费用问题。g p s 定位系统需要三颗以 上的卫星才能完成差分定位的运算，在高楼林立的都市，g p s 的效果大打折扣，很 难让人满意，碰到阴天雨天，更是难以正常使用。费用问题，如果一个巴士公司 有2 0 0 0 台车，每台车每天运营1 2 小时，每隔5 分钟每车发一条信息，那么一年下来， 公司为采集数据所花的费用将高达一百万( 2 0 0 0 术3 6 5 木1 2 丰1 2 木o 1 = 1 0 5 1 2 0 0 元) 。所 以，现在大多数采用该类模式的公交线路都是样品工程。 5 1 3 课题的背景及意义 图1 3 基于g p r s 的公交通信网络 目前，我国智能公交系统中，车辆同调度中心之间、车辆之间以及车辆同路 边设备之间的无线数据通信，主要通过移动通信公网或者i t s 系统的专网完成，而 没有a p t s 的无线数据通信专网，国家也没有制定相应的标准，各城市都采用自己 的方案，带来了造价高，运营维护难等问题，严重的阻碍了智能公交的发展。 近年来，我国城市内通信基础设施日益完善，移动通信技术发展迅速。充分 利用现有的通信基础设施，新兴的通信技术，结合我国公交系统的特点，开发使 用方便，成本低，易安装维护的通信系统不仅能降低成本提高工作效率，而且还 能很好地促进智能公交的发展，实现社会效益和经济效益双赢。 1 4 本文的主要内容 本文首先对智能交通中的无线通信技术进行了介绍、比较。现有的i t s 中应用 的无线通信技术不能很好的适应智能公交的特点，特别是不适合中国国情。需要 寻找新的无线通信技术来满足智能公交发展的需要。 第二部分介绍了一种新兴的无线通信协议一z i g b e e 。对协议所采用的 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准所定义的物理层，m a c 层进行了剖析。对影响协议性能的m a c 层 的超帧结构、接入算法进行了重点的讨论，为后面的系统软硬件设计打下基础。 第三部分在分析了智能公交的特点以后，采用z i g b e e 协议设计了智能公交的 通信网络，网络主要实现移动车辆和路旁基站的通信，实现数据采集和调度指令 的传送。 第四部分对网络的性能进行讨论，首先针对使用环境讨论了网络的抗干扰能 力以及与其它协议的共存性，然后针对公交运营的特点，对所设计网络的两个重 要属性一接入概率和接入延时进行了仿真分析，得出了结论。 最后一部分实现了移动车载节点和路边基站的软硬件设计。根据系统的功能 要求采用f r e e s c a l e 的b l c l 3 1 9 2 射频芯片和m o t o r o l a 的h c 0 8 系列的单片机设计车载 节点，采用m c f 5 2 1 3 设计基站，实现节点和基站的互连通信。 7 第2 章z ig b e e 协议基础 2 1z ig b e e 协议概述 2 0 0 1 年8 月成立的z i g b e e 联盟【1 5 1 ( 就是一个针对w p a n 网络而成立的产业联 盟1 。由英国i n v e n s y s 公司，美国m o t o r o l a 公司，日本三菱公司，荷兰菲利浦公司 等发起，该联盟致力于近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线 网络技术的开发应用。z i g b e e 技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之问的技术 提案。主要用于近距离无线连接，它采用了i e e e 8 0 2 1 5 4 作为其底层的物理层和 数据链路层标准，并定义了协议的网络层、应用支持子层和应用层规范。z i g b e e 联盟于2 0 0 5 年6 月2 7 公布了z i g b e es p e c i f i c a i t o nv e r s i o n1 0 i l ”。其在整个无线 协议中的定位如图2 1 所示。 2 2z i g b e e 协议栈 图2 1z i g b e e 协议的定位 完整的z i g b e e 协议如图2 2 所示，定义了网络层( n e t w o r kl a y e r ) 、安全层 ( s e c u r i t y l a y e r ) 、应用层( a p p l i c a t i o n l a y e r ) 以及各种应用产品的业务( p r o f i l e ) 。 国际电子电机工程协会( i e e e ) 的8 0 2 1 5 4 标准，则定义了物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 和媒体存取层( m e d i aa c c e s sl a y e r ：m a cl a y e r ) 。协议定义每一层只为其上一 层提供特定的服务。 2 2 1 应用层 应用层由应用层的结构、规范和上层应用组成，主要负责把不同的应用映射 8 硕l 一学化论文 到z i g b e e 网络上，具体而言包括：维持绑定表、在绑定的设备之问传送消息。在 网络设备之间建立安全机制。负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种 应用服务。 上层应用 i o e m 应用层规范 i 应用层结构 网络和安全层 i e e e 8 0 2 1 5 4 一上镄 。 &：女 爹z i g e t e e l 黜 ： 嘲 逻辑链路控制层 。”三一 7 r ； is o e e e 8 ：2 ! i 簇 物理层 灞粥黼旺觏鳓l 捌嘲曛骥豢溺酗黼瞅戳瀚 a ax 4 4 ：薰答 、f 撇至j 五 隧殛蛩馑鼢 圈2 3z i g 瞻e 定义的拓扑结构 9 兰三：堡! 譬竺篁璧坌圣垩篁至篁竺坠生：! ：! 丝 者是精简功能设备( r f d ) 连接，可提供信息的双向传输，具备标准指定的全部 i e e e 8 0 2 1 5 4 的功能和所有特征。更多的存储器和计算能力可使其在空闲时做网 络路由器使用，也能做为终端设备使用。 精简功能设备( r f d ) ：r f d 只能传送资料给f f d 或是从f f d 接受资料。附 带有限的功能来控制成本和复杂性，在网络中通常做终端设备。 2 3le e e 8 0 2 1 5 4 协议 z i g b e e 协议的m a c 层和物理层完全采用了i e e e s 0 2 1 5 4 协议。在i e e e s 0 2 规格内有四个工作群组，8 0 2 1 、8 0 2 1 l 、8 0 2 1 5 、8 0 2 1 7 它们的应用范围各有不同， 在8 0 2 1 5 工作组内又分为四个协议【1 7 1 1 1 8 1 1 19 1 ，它们之间的区别在于资料传输速率、 电源损耗程度及服务品质( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 的不同。 ( 1 ) t g l ：蓝牙无线个人区域网络( w p a n b l u e t o o t ht a s kg r o u p ) ，它是一个 个中等级传输速率的w p a n ，通常应用在手机与p d a 通讯上。 ( 2 ) t g 2 ：共存式个人无线区域网络( c o e x i s t e n c et a s kg r o u p ) ，它是为了提 供i e e e 8 0 2 1 5 1 与i e e e 8 0 2 1 l 相容机制的通讯协定。 ( 3 ) t g 3 ：高传输速率无线个人区域网络( w p a nh i g hr a t et a s kg r o u p ) ，主 要是应用于多媒体方面，所以需要更高的传输速率与品质。 ( 4 ) t g 4 ：低传输速率无线个人区域网络( w p a nl o wr a t et a s kg r o u p ) ，具 有低能量消耗、较低的传输速率以及便宜的特性，这些与传感器网络的特征相同。 在2 0 0 3 年2 月的d r a f t l 8 ( d 1 8 版本) 初步定义了近距离、低速率的物理层 ( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 与媒介存取层( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r ，m a c l1 2 ，形 成了i e e e 8 0 2 1 5 4 规范。 2 3 1 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 1 物理层简介 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层定义了三个频段，如图2 4 所示。从图中可以看出，三 ：冉镭嚣舢画皿画i f c 一2 4 0 5 + ，砷一1 1 l f o r i i 1 2 ，2 6 图2 4i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层信道定义 2 4 1 1 0 m 硕f 学位论文 个频段定义了2 7 个物理信道，其中8 6 8 m h z 频段定义了1 个信道，9 2 5 m h z 频段 附近定义了l o 个信道，信道间隔2 m h z ，2 4 g h z 频段定义了1 6 个信道，信道间 隔为5 m h z 。 2 4 g h z 频段采用直接序列扩频( d s s s ) 和准正交调制技术，形成的c h i p 序 列被调制到半正弦脉冲波形、偏移四相移相键控( oq p s k ) 载波上。8 6 8 9 15 m h z 物理层使用简单d s s s 方法，每个p p d u 数据传输位被1 5 位的c h i p 序歹t j ( m 序列) 所扩展，然后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。两种调制过程 如图2 5 。 6 2 5 k s y 二b o i 幽 | l o l l 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 c o l 0 0 0 l o l l l 0 ) 2 4 5 0 m h z 物理层调制流程 m o d u l m d 4 0 i o y m b o l s s6 0 0 k s y m b o l “3 8 6 8 9 1 5 m h z 物理层调制流程 图2 5 物理层信号调制过程 2 物理层包格式 p h y 层包的主要由以下三部分组成，如图2 6 所示：同步头( as y n c h r o n i z a t i o n h e a d e r ) ：包括了前导码( p r e a m b l e3 2b i t s ) 以及帧定界符( s t a r to f p a c k e td e l i m i t e r 8 b i t s ) 用于获取符号同步、扩频码同步和帧同步，也有助于粗略的频率调整。 物理层包头( ap h yh e a d e r ) ：8 b i t s ，7 b i t s 说明p s d u 长度，剩下l b i t 说明是否 r e c e i v e d 。有效负载( ap a y l o a d ) ：p s d u ，m a c 层传给p h y 层的数据，长度从 0 1 2 7 字节。 4 字节 l 字节l 字节 l前导符帧定界符 物理层包头净负荷( m a c 层帧) l l。 图2 6 物理层包格式 3 清除信道估计cie a rc h a n n ela s s e s s m e n t ( c c a ) c c a 在i e e e 8 0 2 1 5 4 中的影响相当重要，c c a 的功能主要是侦测网络中信号 的强度来判断信道是忙碌或闲置，也就是空闲信道评估。c c a 对信号的传送提供 较高的可靠性，但也会因为其监听( o v e r h e a d ) 影响性能。其规则主要有两个： 接收器所接收到的无线信号，其能量检测( e n e r g yd e t e c t i o n ) 的门限值 ( t h r e s h o l d ) 必须大于1 0 d b 。 c c a 侦测频道的时问需持续8 个符号周期( s y m b o lp e r i o d s ) 。 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了三种c c a 侦测的m o d e ： c c a m o d e l ：针对侦测能量大于门限值的，c c a 必须回报忙( b u s y m e d i u m ) 。 为网络层的信道选择提供依据，这个模式不进行解码操作，检测的结果为有效信 号功率和噪声信号功率之和。 c c am o d e 2 ：载波侦测( c a r r i e rs e n s e ) ，只侦测以i e e e8 0 2 1 5 4 定义的调 制方式所调制过的信号，也就是判断无线信号的特征。 c c am o d e 3 ：模式1 和模式2 的结合，同时检测信号强度和信道特征，给出 信道空闲判断。 链路质量检测l q i ( l i n kq u a l i t yi n d i c a t i o n ) 是c c a 模式3 操作后的一项工 作，为网络层或者应用层提供接收数据帧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道提交给上层处理。 2 3 2 媒体存取控制层( m e d i aa c c e s sc o n t r o il a y e r ) 1 m a c 层的服务规范和功能定义 m a c 层的结构和接口如图2 7 所示。 l i a c 公共部分子层一服务接入点 ( 1 i c p s s a p ) m a c 公共部分子层 物理层数据服务接入点( p d - s a p ) m a c 层管理实体一服务接入点 ( m l m e s a p ) m a c 管理实体 物理层管理实体服务接入点 ( p l m e - s a p ) 图2 7m a c 层结构和访问点 m a c 层通过m c p s s a p 提供数据服务，保证m a c 层协议数据单元的正确收 发，通过m l m e s a p 提供管理服务，维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息 的数据库。向下通过p d s a p 和p l m e s a p 实现和物理层通信。 根据标准的定义，m a c 层需完成如下六个方面的功能：协调器产生并发送信 帧i 学位论文 标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；支持p a n 网络的关联 ( a s s o c i a t i o n ) 和取消关联( d i s a s s o c i a t i o n ) 操作；支持无线信道通信安全；使用 c s m a c a 机制共享物理信道；支持时隙保障( g u a t a n t e e dt i m es l o t ，g t s ) 机制； 为两个对等的m a c 实体提供可靠的数据链路。 2 超帧定义 超帧( s u p e r f r a m e ) 在i e e e8 0 2 1 5 4 中是属于选择使用的部分。其格式由网 络中的协调器来定义，而超帧的大小边界是由网络中的信标( b e a c o n ) 帧所设定。 如图2 8 所示，一个基本超帧包括了1 6 个相同大小的s l o t ，分为竞争期c a p ( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ) 和非竞争期c f p ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) ，非竞争期 我们叫做保证时隙g t s ( g u a r a n t e e dt i m es l o t s ) ，在c f p 中配置g t s 的设备可以 不用竞争信道。 b e a t o n c o n t e n t i o n a c c c s sp e r i o d c o n t e n t i o n f r e e p e r i o d ( c f p ) b e a o d i l oi t2，456 709i o1 21 3i i ， s u p e r f r a m ed u r a t i o n b e a t o ni n t e r v a l ( b i ) 图2 8 超帧结构 协议定义了m a c b e a c o n o r d e r ( b o ) 以及m a e s u p e r f r a m e o r d e r ( s o ) 两个原语来设 置超帧。b o 主要是描述b e a c o nf r a m e 的周期。s o ：主要描述s u p e r f r a m e 中a c t i v e 部分的长度。b o 和s o ，除了对s u p e r f r a m e 作描述以外，还与其他参数有许多的 相关性。 b i = a b a s e s u p e r f r a m e d u r a t i o n + b o2s y m b o l s 0 耋b o 三1 4 s d = a b a s e s u p e r f r a m e d u r a t i o n + s o2s y m b o l s 0 耋s o 耋b o 耋1 4 。 当b o 设定为1 5 时，表示网络目前被设定为非信标使能网络，而当网络需要 采用超帧架构的时，s o 及b o 的值一定要符合要求。 另外，超帧中定义了一些重要的基本时间供设计时参考，如表2 1 所示： 3 m a c 层帧格式 。 图2 9 给出了m a c 子层数据包格式。m a c 子层数据包由m a c 子层帧头 ( m h r ；m a ch e a d e r ) ，m