（电路与系统专业论文）etc系统中obu侧dsrc协议的设计与实现.pdf

山东人学硕i j 学位论文 摘要 电子不停车收费系统( e t c ) 是智能运输系统( i t s ) 的重要服务领域之一。 随着i t s 研究开发的进展，电子不停车收费系统在世界各国迅速兴起，形成了一 个规模庞大的市场和产业机会。国内一些交通量大又要求迅速提高服务水平的地 区已经或即将引进国外的不停车收费设备，并且在电子不停车收费系统的优越性 的积极引进行为下，自行迅速扩展的势头渐趋明显。 e t c 系统包括两部分：路侧读写单元( r s u ) 和车载单元( o b u ) 。o b u 通过空 口与r s u 实现d s r c ( 专用短程通信) ，完成交易过程。 d s r c 协议是专门应用于智能交通领域的一种短距离无线通信协议，协议分为 三层，物理层、数据链路层、应用层，基于5 8 g h z 频段。它是车辆与路边设备进 行单向或双向交互式通信的标准，将车辆和道路有机地连接起来。从而，交通控 制中心可以通过与行驶车辆的数据通信实现对车辆的智能管理，同时车辆还能够 接入交通信息网，使用信息网中的资源。 本文主要研究和探讨了d s r c 协议的设计思想，内容结构及其实现机制。在此 基础上，阐述在e t c 系统中的0 b u 上实现d s r c 通信协议，并通过外场测试其通信过 程，验证协议的一致性。 本文研究的创新性主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 为了实现设计的低功耗，本系统采用t i 公司的m s p 4 3 0 单片机作为控制芯 片，0 b u 采用被动唤醒的工作模式。 ( 2 ) 按照我国的d s r c 协议标准要求，灵活实现d s r c 协议以提高通信效率，缩 短通信所耗时间。 ( 3 ) 外场测试数据，实验结果可靠，可以真正的验证协议的一致性。 总之，d s r c 协议标准的制定和实现，将为今后我国d s r c 设备的功能提升和 扩展应用打下夯实的基础。 关键词e t c 系统；o b u ；d s r c 协议 山东人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o ns y s t e m ( e t c ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp r o j e c t si n t h ei 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 ) a st h ed e v e l o p m e n to fl t sr e s e a r c h ，e t c s y s t e mi st oe x p a n dq u i c k l yi nt h ei n t e m a t i o n a lc o m m u n i t y , b e c o m i n gam a r k e ta n d i n d u s t r yo p p o r t u n i t yw i t hh u g es c a l e i nt h ed o m e s t i c ，t h er e g i o n ，w h e r et h e t r a n s p o r t a t i o nh a sg r e a tc a p a c i t ya n dr e q u e s t saq u i c ke x a l t a t i o nl e v e lo fs e r v i c e h a s a l r e a d yo rw i l ls o o ni m p o r te t ce q u i p m e n t a n dt h a n k st ot h es u p e r i o r i t yo ft h ee t c s y s t e m ，w h i c hc a u s e st h eb e h a v i o ro fi m p o r t i n ga c t i v e l y , t h er a p i de x p a n s i o n o fu s i n g e t cs y s t e mi se x p a n d e db yo n e s e l fa n dm o r ea n dm o r eo b v i o u s t h ee t cs y s t e mi n c l u d e st w op a r t s ：o n ei sr o a d s i d eu n i t ( r s u ) ，a n dt h eo t h e ri s o n b o a r de q u i p m e n t ( o b u ) t h eo b uc a r r i e so u tt h ed e d i c a t e ds h o r tr a n g e c o m m u n i c a t i o nw i t ht h er s u t h r o u g ht h ea i ri n t e r f a c e c o m p l e t i n gb a r g a i np r o c e s s t h ed s r cp r o t o c o l i sak i n do fs h o r tr a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s ， w h i c hi sa p p l i e de x c l u s i v e l yi nt 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 nf i e l d i td e f i n e st h r e e l a y e r s p h y s i c a ll a y e r , d a t al i n k e rl a y e r , a n da p p l i c a t i o ni a y e r , w h i c hi sb a s e do nt h e f r e q u e n c yo f5 8 g h z i ti sas t a n d a r do fi n t e r a c t i v ec o m m u n i c a t i o ni nt h es i n g l eo r d o u b l ed i r e c t i o n sb e t w e e nv e h i c l ea n dr o a d s i d ee q u i p m e n t s a n dw i t ht h eh e l po ft h i s p r o t o c o l ，t h e r o a d s i d ea n dv e h i c l eu n i ta r ec o n n e c t e dt o g e t h e r t h e r e b yt h e t r a n s p o r t a t i o nc o n t r o lc e n t e rc a nm a n a g et h ev e h i c l ew i t ht h ec o m m u n i c a t i o nd a t ao f t h ed r i v i n gv e h i c l e a tt h es a m et i m e t h ev e h i c l ec a nc o n n e c ti n t ot h et r a n s p o r t a t i o n i n f o i t i i a t i o nn e t w o r ka n du s et h ei n f o r m a t i o nr e s o u r c e si nt h en e t w o r k t h i st h e s i si so nt h ef o c u so ft h ed e s i g n i n gi d e a ，c o n t e n t ，a n dr e a l i z a t i o nm e c h a n i s mo fd s r c ， a n do nt h e s eb a s i s e s ，t h ea u t h e re l a b o r a t e st h ei m p l e m e n t a t i o no fd s r cc o m m u n i c a t i o n s p r o t o c o la to b ui ne t cs y s t e m a n dt h r o u g hf i e l dt e s t i n go fi t sc o m m u n i c a t i o n p r o c e s s ，w e c a nv e i l f yt h ec o n s i s t e n c yo ft h ep r o t o c 0 1 t h et h e s i sh a sb e e nw r i t t e no nb a s i so ft h ef o l l o w i n gi n n o v a t i o n a la c h i e v e m e n t ( 1 ) d e s i g n e df o rl o w p o w e ri m p l e m e n t a t i o n ，t h es y s t e mu s e st i sm s p 4 3 0s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra st h ec o n t r o lc h i p ，o b uu s i n gp a s s i v em o d e o fw a k e - u pc a l l ( 2 ) d s r cp r o t o c o l i na c c o r d a n t ew i t ht h es t a n d a r d so fo u rc o u n t r yd e m a n d s ，t h e a u t h o ra c h i e v e saf l e x i b l ed s r cc o m m u n i c a t i o n sp r o t o c o lt oe n h a n c ee f f i c i e n c y , r e d u c et h ea m o u n to f t i m es p e n to nc o m m u n i c a t i o n ( 3 ) w i t ht h ef i e l dt e s t i n gd a t aa n dr e l i a b l er e s u l t s ，w ec a l lr e a l l yv e r i f yt h e c o n s i s t e n c yo ft h ep r o t o c 0 1 a b o v ea 1 1 n ei m p l e m e n t a t i o no ft h es t a n d a r d so ft h ed s r cp r o t o c o l ，i sas o l i d f o u n d a t i o no fu p g r a d i n ga n de x p a n d i n gt h ea p p l i c a t i o no ff u n c t i o no fo u rc o u n t r y d s r ce q u i p m e n t k e y w o r d se t cs y s t e m ，d s r cp r o t o c o l ，o b u i l 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已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，均己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：勉边日 期：避苎宜竺日 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：狐垫导师签名：整堡笙日期：垫蜷塑朔 山东人学硕i ：学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 e t c 是国际上正在努力开发并推广的一种用于公路、大桥和隧道的电子自 动收费系统。e t c 技术在国外已有较长的发展历史，美国、欧洲等许多国家和 地区的电子收费系统已经局部联网并逐步形成规模效益。我国以i c 卡、磁卡为 介质，采用人工收费方式为主的公路联网收费方式无疑也受到这一潮流的影响。 在中国，1 9 9 5 年，国家技术监督局正式批准交通部承担i s o t c 2 0 4 国内归 口工作，秘书处设在交通部公路科学研究所。1 9 9 6 年，交通部成立了中国交通 工程设施( 公路) 标委会。1 9 9 8 年，国家计委立项委托交通部公路科学研究所开展 “交通工程标准化体系研究”，并要求尽快制定本领域急需的二十多项国家标准， 其中就包括“公路不停车收费应用技术条件 的编制工作。 根据国内p b e t c 的建设经验，e t c 系统的建设首先要作好e t c 相关技术与设 备标准的选择，在规范、统一的标准平台上进行后台系统的建设。鉴于目前国内 e t c 系统应用现状及国际d s r c 标准发展趋势，1 9 9 8 年5 月，中国i s o f r c 2 0 4 技术 委员会向交通部无线电管理委员会提出将5 8 g h z 频段分配给智能运输系统技术 领域的短程通信( 包括e t c 收费系统) ，经国家无线电管理局同意进行试验，具 体技术指标为： 表1 15 8 g h z 频段技术指标表 频率用户 智能运输系统技术领域的短程通信 频段 5 7 9 5 5 815g h z 调制方式a s k ，b p s k 输出功率 3 0 0 m w 传播距离不小于1 0 m 在e t c 的标准化工作中，主要的原则如下： ( 1 ) 积极采用国际标准和国外先进标准，紧g 曼e t c 国际标准的情况和发展 趋势，把国际标准和国外先进标准同我国现行标准进行对比，选出符合国情的 e t c 相关技术标准并进行采用；把国内外的科技成果用标准的形式固定下来，按 标准组织生产，在生产中推广应用。 ( 2 ) 充分考虑我国经济发展的水平和承受能力，在近期内主要考虑被动式 山东人学硕i j 学位论义 e t c 系统。 ( 3 ) 根据智能运输系统对d s r c 提出的要求，考虑被动式e t c 系统向主动 式的平稳过渡，为智能运输系统提供高速短程通信链路。 ( 4 ) 考虑开放性和兼容性，制定的标准必须有众多的厂商支持，而且各厂 商之间的卡和读写设备相互兼容。 ( 5 ) 为适应高速公路联网收费的要求，e t c 设备的接口应符合高速公路联 网收费的有关规定和标准，并且支持车载单元( o b u ) 使用双片式i c 卡。 总之，我国的目标是：要把我国的e t c 标准体系通过研究和调整建成与国际 标准水平相当、适合我国国情、技术先进的e t c 标准体系。 1 2 国内外研究历史与现状 1 2 1 国外f t g 实行情况 国际上，美国，欧洲、日本很早就针对不停车收费系统中的研发技术、工程 实施、标准规范进行了深入研究，并向国际标准化组织提交了有关不停车收费标 准的草案，欧洲和只本提出的标准较为成熟，获得了较广泛的厂商支持。但各发 达国家在e t c 技术推进和联网收费方面都经历了较为漫长的过程。 在美国，电子不停车收费方式已经成为美国回收公路投资和养护费用的高效 率手段，最著名的联网运行电子不停车收费系统是e z p a s s 系统。1 9 9 7 年7 月， “e z p a s s 工程的最终运行方案开始付诸实施和运行。从e z p a s s 系统开通起， e t c 的交易量持续增长，截止1 9 9 8 年1 2 月，仅经过1 年半的时间，共计2 3 条 专用e t c 车道的电子不停车收费网络就承担了整个月平均交易量的4 3 ，高峰 时段甚至达到5 5 6 0 。网络化运行的电子不停车收费系统效益和吸引力充分 体现出来。e z p a s s 系统采用了专用车道，混合车道两种模式，都有收费员值班。 e z p a s s 专用车道规定时速不超过5 英里的限制，并有相应的标志牌提示，以便 于给收费人员和道路使用者确保一个安全的收费环境。另外美国基本上是采用开 放式收费制式构成的网络。 葡萄牙的v i a v a r d e 电子收费系统可以算作欧洲具有代表意义的联网电子收 费系统之一，由葡萄牙最大的公路运营商b r i s a 公司管理。收费系统采用封闭 式和开放式相结合的模式。事实已证明，v i a v a r d e 电子收费系统是既有利于道路 山东人学硕l ：学位论文 使用者又有利于道路运营商的有效收费手段。根据运营报表统计数据，人工收费 车道( m i c ) 的平均通行能力为2 0 0 辆小时，电子收费车道的平均通行能力为 15 0 0 辆小时，1 条e t c 车道的通行能力是m i c 车道通行能力的7 倍。该e t c 车道的显著特点是没有自动栏杆，车辆能以不低干8 0 k m h 的速度通行。如果 没有v i a v a r d e 系统，运营公司将不得不多修建2 0 0 0 多条人工收费车道以解决收 费拥堵问题。 在日本，推进i t s 被政府和企业提高到很高程度，其中就包括电子不停车收 费。由于技术上的难度和协调问题，时至1 9 9 9 年才开始真正实施全国性的e t c 网络建设，首先建成的是东京附近的首都圈e t c 工程。在总结了有关经验后， 从2 0 0 0 年开始大坂，名古屋等多条高速公路e t c 建设，共计约1 0 0 多个收费站， 4 0 0 多条e t c 车道。按计划应该干2 0 0 1 年初投入运行，但由于联网调试上的难 度，到目前为止仍在进行之中。日本采取的是接触式c p u 卡加两片式电子标签 和双e t c 天线的方案，车道设双向打开的高速栏杆，无人职守，具有很高的安 全性和车道通行能力，有完善的密钥扩散机制和电子标签发行流通体系，但车道 系统投资和电子标签成本部很高，与我国的公众消费水平有较大差距，道路运营 公司难以接受。 1 2 2 国内e t c 实行情况 1 9 9 6 年1 0 月，交通部公路科学研究所与日本丰田汽车公司就不停车收费系 统进行了中日技术交流和现场演示会，与会各省交通厅及公路管理部门的领导和 专家对此项技术表示了极大兴趣。1 9 9 6 年底，首都高速公路发展公司与美国 a m t e c h 公司在首都机场高速路进行了不停车收费试验。到1 9 9 8 年，广东省佛山 市通达高技术实业公司引进美国t i 公司的不停车收费设备，在佛山、顺德、南 海等地建立了2 0 余条不停车收费车道并投入使用，但是该系统工作在9 1 5 m h z 的频段，而该频段在中国已经分配给移动通信使用，并且与中国将采用的5 8 g h z 标准不符。 为规范和促进不停车收费在国内的应用，交通部于1 9 9 8 年组织交通部公路 科学研究所等有关单位开展网络环境下不停车收费系统的研究，对有关接口规范 和技术指标给出了指导性意见，并在1 9 9 9 年组织北京、广东、江苏、四川的交 3 山东人学坝i j 学位论文 通厅开展示范工程建设。同时，也计划在更多的省、市开展推广工作，以充分发 挥网络不停车收费系统的优势。 但是总的来说，国内公路e t c 工作仍处于试验和探索阶段，个别路段正在 进行试点，大范围和大规模的推广e t c ，特别是联网运行，条件仍不具备。其 主要原因是：交通量的需求不迫切；道路使用者的需求不迫切；现有的收费设施， 尤其是收费广场和收费车道不能满足或适应e t c 的需要；系统造价比较高，关 键设备需要引进等。 综述，尽管国外e t c 系统运行很成功，具有一定特色，但有些技术特点和 运营方法能否适合中国，需要结合我国道路使用者的行为特点深入评估分析。以 车道部分为例，有专用车道、混合车道两种模式，有收费员值班管理和无人值班 管理两种模式、有设高速栏杆和不设栏杆两种模式，有低速通行模式和高速通行 模式。从违章逃费行为的处理看，有现场处理和图像抓拍事后处理两种模式。如 果e t c 运营模式不能很好地提供免停车快速通行服务，不能减少收费值班员， 将无法体现出明显的吸引力，推广应用的前景将无疑受到影响。 1 3 本文研究思路与主要工作 本文作者在论文期间所做的主要工作是研究我国d s r c 标准；实现d s r c 通 信协议，及在m s p 4 3 0 上实现设备驱动、通信应用、消息管理等功能。主要工作 内容如下： ( 1 ) 学习嵌入式开发相关知识，熟悉交通部颁发的接口规范及技术指标。 ( 2 ) e t c 系统d s r c 协议的实现。 ( 3 ) 完成系统管理模块的设计实现。 ( 4 ) 实验测试o b u 与r s u 之间的通信。 4 山东人学硕j 二学位论文 第2 章d s r c 协议理论研究 2 1d s r c 协议概述 d s r c 通信协议依据丌放系统互联体系结构( o s l ) 七层协议模型提出了三层 的简单协议结构，即物理层l l 、数据链路层l 2 ( 包括媒介访问子层m a c 和逻辑链 路控制子层l l c ) 和应用层l 7 ( 功能上更接近于o s i 七层协议中的表示层) 。图中的 l 7 层以上的设备应用层，是建立在d s r c 通信基础上的e t c 应用，d s r c 各层之 间的交互是通过服务原语进行的，如图2 1 所示， 咖 2 2 服务模型 嗍一 图2 1e t c 协议层次以及数据整体流程图 相邻层对象间的交互是基于服务的。一个服务代表一个服务提供者( s e r v i c e p r o v i d e r ) 所提供的能力，它能被一个或多个服务用户( s e r v i c eu s e r ) 所使用( 见图 2 2 ) 。一个( n ) 服务提供者是一个对象，它代表第n 层中与完成所提供的( n ) 服务所需要的所有有关的服务对象。( n ) 服务用户是第( n + 1 ) 层的服务对象， 它们使用( n ) 服务达到协同操作的目的。用户和提供者彼此感觉对方为一个黑匣 子，隐蔽了它们可能的结构，因此简化了一个服务的抽象定义。 5 山东人学硕_ t 学位论文 q 一雠9 萄 0 净1 ) 层 层 图2 2 服务模型 2 2 1 服务原语 一个服务是由一组被称为服务原语( s e r v i c ep r i m i t i v e ) 的用户和提供者的操作 以及它们的合法的调用顺序定义的。每个原语代表一次交互，这个交互在用户和 提供者之间发生，也可能含有一些无返回值的按值调用的参数( 见图2 3 ) 。原语 按服务动作( s e r v i c ea c t i o n ) 划分成组，例如连接建立、数据传输、连接释放和失 败通知。一个服务动作的原语可以是请求、指示、响应和证实类型的。请求和响 应是用户调用的原语，而指示和证实是提供者调用的原语。一个服务动作从一个 请求原语开始，通过一个指示原语进行报告，用户可以用响应原语对指示原语作 出应答，提供者如果要对一个服务动作的请求作出应答的话，发出一个证实原语。 根据定义，一个服务动作由至多一个请求、指示、响应和证实原语所描述。 服务原语的名字是由服务动作名和原语类型组成的，例如g e t r e q u e s t 表示一个 叫做g e t 的服务动作的请求原语。为了区分相邻层的原语，原语可以加上( n ) 、 ( n + 1 ) 、( n 1 ) 前缀，其中n 代表当前所关心的层，n + 1 是其相邻上层，n - 1 是其相邻下层。 6 图2 3 服务原语 科h ) 层 层 山东人学坝i j 学位论文 2 2 2 时序图 本文在后续讲解协议的过程中为了准确的表示交互的顺序以及它们之间在 时间上具有怎样的关系，因此采用时序图作为说明。时序图由两个作为时间轴和 用户与提供者之间接口的垂直的箭头组成( 如图2 4 ) ，箭头间的区域代表服务提 供者与它的活动；左边和右边的区域是调用原语的服务用户或被调用原语的服务 用户，都在它们本地提供者的接口上。水平的箭头代表一次原语调用，用户调用 的原语指向提供者接口，提供者调用的原语从该接口出发。接口之间的短划线定 义原语调用间的关系，并以图表示提供者完成它们需要多少时间。如果在原语调 用之间不存在特定的关系，给出一个否定号( ) 。 动作 请求 动作 证宴 2 3d s r c 数据单元 图2 4 时序图示例 动作 指示 动作 响应 从e t c 协议层次图中可以看出，协议的每一层都存在该层用于交互的数据 单元，数据单元分两种，协议数据单元( p d u ) 和服务数据单元( s d u ) 。其中， 协议数据单元是用于同层之间的数据交互，服务数据单元是用于上下层之间的通 f 兰 l i = 1o 2 4d s r c 协议 2 4 1 物理层 物理层规定了机械、电器、通信功能和过程的参数以激活、保持和释放通信 系统之间的物理连接。其中载波频率是一个很关键的参数，它是造成世界d s r c 系统差别的主要原因。 下图给出世界不同地区d s r c 通信信道的划分情况， 7 山东人学硕 j 学位论文 嘲刚姒剧 s 7 7 0 量瑚s 弼气现55 翻 t 蛐& 8 5 嗡 6 血鲰a l z位雠l毗锄他 团b 奉上髓_ 口删蹴喝日杆野珏目翌麓器 图2 5d s r c 通信信道在全球范围内的划分 本文设计所参考的协议是基于我国g b t 2 0 8 5 1 1 的d s r c 协议，因此所介 绍的协议内容皆为我国的e t c 标准内容。 协议中规定，物理层有上下两层链路的要求，物理层链路包括a 和b 两类 要求，a 类主要应满足基本的e t c 应用，b 类在满足e t c 应用的基础上，还应 满足较高速率数据传输应用。本文设计所用参数为a 类。 载波频率、e i r p 和杂散发射的要求应符合有关主管部门规定。 2 4 2 1 下行链路 表2 1 下行链路技术要求 8 序号参敷a 英b 英 佰遘15 8 3 0g h o5 8 3 0g h z 1 簟渡期事 信遣2s 8 4 0g h o5 8 4 0g h 2 占用带克5m h j5m h s 3 穰事客甩士 0 x 1 0 一 士5 1 0 一。 lr p+ 3 3d 丑m+ 3 3d b m 3 0m h p l0 0 0m h z - 3 6d b m 1 0 0k h 2一3 6d i e m j l 0 0k h z 24 0 0m h 24 8 s sm h o 一d t k n l 硎；- - 4 0d l l m lm h z 5 杂戢爱射 34 0 0m h t 35 3 0m h z - 4 0d b m 1m h z一4 0d 日t n m h z 57 2 5m h z 58 5 0m h ，一3 3c i b m 1 0 0k h z- - 3 3d 1 l m 1 0 0k h 其他lg h u - - 2 0g h s一d b 矗lm h - - 3 0d b m lm h l 6 邻遣渣囊功率比 一3 0d b一3 0 血 永平面 3 8 3 8 7 天线半功奉凌寅度 垂直可 5 p 1 0 血r s u t 1 0d b 1 0弭制方式腿 f s k 月簧误芏。一2 0 0k h - 一 l l 制系囊一嗣误差一翻系教。0 s o 9 + 烈m u 山东人学硕i j 学位论文 序号参致a 类b 类 1 2 频率儡穆士s 1 2k j i z 1 3 稿码方式 f m om a n c h e s t e r 位速率 2 5 6k b i t s1m b i i s 1 5 位时钟辆发士1 0 0 1 0 。士2 0 x 1 0 。 1 6 o b u 嗳曩方式1 5 1 7 个周期1 4k h z 方礁。1 5 1 7 个用期1 4k h z 方渡。 1 7 o b u 唆甚时间 5m s 5 叫 1 8 o b u 嗅曩灵敏度一d b m一0d b m 1 9 o b u 接收灵镀度一5 0d b m一7 0d b m 2 0 o b u 接收带直 5 8 2 5g h j 5 8 t 5c h z 5 ，8 2 5g h ；s 8 4 5o h z 2 1b e r 1 0 1 0 一以内1 x 1 0 1 以内 毖赭导码 1 6 位。0 。1 6 位。o 2 3后导码 最多8 位量多8 位 对应囊技2 5 倍信逼带复以外 or s u 强制要求发送该凌形；o b u 可遣捧被该渡形唤甚或者麓正膏通信h 信号唤醒 2 4 2 2 上行链路 表2 2 上行链路技术要求 序号 参致a 英b 类 信道l 5 7 9 0o h o5 7 9 0g h z lt 菠期事 信道2s 8 0 0g h ls 8 g h r 2 占用带直 5m h z5m h z 3 颡事窖限士2 x1 0 士2 0 1 0 一 4己t r - p+ 1 0d 陆+ l od b m 3 0m h z 10 0 0m h z- - 3 6d b m ，1 0 0k - - 3 6d b n v l 0 0k h z 24 0 0m h l 2 越婚5m h z一4 0d b m 1m h z一t oa b r n m h z 5杂敛发射34 0 0m h t 35 3 0 m h ；一4 j dd b m 1m h z- - 4 0d b m 1m h l 57 2 5m h z 58 5 0m h ，- - 3 3d b m 1 0 0k h i一3 3d b m 1 0 0k h 其他1g h z z o o h z一3 0d b m 1m h 2 - - 3 0d b n l lm h z 6 部遭泄疆功率比 3 0d b3 0d b 7 天钱半功率技瓣完度 判断是否与最近一次接收符号相等，相等则表示结束。 山东人学硕j ：学位论文 不等则表示发生跳变，状态转为0 。缓存当前数据判断接收是否等于一 个字长。达到则获取下一个缓存字地址，否则回到i n i t 状态读取下一个 符号。 如果不等，则状态不变，缓存当前接收的数据。判断如果当前接收到的 数据等于1 6 位，需要获取下一个缓存地址。 4 2 4 内存使用 数据接收过程中需要两个内存块，分别是： ( 1 ) 接收符号缓存协议要求1 2 8 个字节帧长，加上前导码以及后导码总 计需要1 3 2 字节。另外还需要转义数据0 的缓存，为( 1 2 8 8 5 ) 约为2 6 个字 节，因此需要缓存的总数据长度为1 5 8 字节，换算为f m 0 符号应为3 1 6 字节。 ( 2 ) 数据缓存根据协议要求需要1 2 8 个字节。 总计需要4 4 4 个字节缓存。 4 2 5 数据发送 o b u 完成数据处理后，将需要返回的响应通过空口以5 1 2 k 的速率发送到 r s u 。由于使用的是简单的o o k 调制方式，因此软件只需严格按照5 1 2 k 的数 据速率将数据发送出去即可。 数据发送的工作主要由物理层m a c 子层l l c 子层共同完成。物理层负责完 成将0 1 信号转换为高低电平输出即可，数据链路层的工作将在下一节进行描述。 4 3 数据链路层 d s r c 的数据链路层定义了r s u 和o b u 之间通信过程的参数，控制着o b u 与r s u 之间的信息交互过程。数据链路层分为两层：m a c 子层和l l c 子层。 4 3 1 帧结构 数据链路层信息交互以帧形式进行，帧包含m a c 地址、m a c 控制域、l p d u ( 可选) 和帧校验几部分。根据l p d u 的类型又分为含命令l p d u 的帧和含响 应l p d u 的帧，分别见图4 7 和图4 8 山东人学硕i ：学位论文 图4 7 含命令l p d u 的帧结构 第二层帧信息 m a c 地址 m a c 控制域i l c c 控制域ll l c 状态域l l s d u 帧校验 图4 8 含响应l p d u 的帧结构 不包含l p d u 域的帧结构如图4 9 图4 9 不包含l p d u 域的帧结构 4 3 2 帧封装方式 信息帧采用同步传输方式，帧封装格式见图4 1 0 4 3 3m c 层 图4 1 0 第二层信息帧封装格式 m a c 子层的操作分为发送( 上行) 和接收( 下行) 两种，所完成的内容也是 不同的。 ( 1 )当操作为接收检查帧起始标志和帧结束标志；去掉透明插入的o ； 检验m a c 地址有效性；检验m a c 控制域有效性；检验f c s 。都合法且有l p d u ，调 用m a c i n d i c a t i o n 上报。 ( 2 ) 当操作为发送设置m a c 控制域的l 、d 位。然后将数据传给底层。 4 3 3 1 帧起始标志和帧结束标志 在物理层前导码匹配成功之后，物理层使用将数据上交到m a c 层处理，这 个时候，m a c 层需要做的是：判断一个帧的起始位置，即帧起始标志。其起始 标志和结束标志的判断规则如下： 山东人学硕j ：学位论文 帧的起始标志和结束标志均为二进制序列o l11 1l l0 。 前一帧的结束标志不能作为后一帧的起始标志。 如果接收端收到多个连续的帧起始标志，则以最后一个作为帧的起始。 帧头匹配是在解码过程中顺带进行的，主要的算法就是解码达到8 位后，持 续与帧头比较，且不匹配就始终不增加解码计数，直到解码结束或者失败。 4 3 3 2 透明传输 图4 1 1 帧头匹配流程 帧起始标志和帧结束标志问的信息，不含帧起始标志和帧结束标志，都应进 行插0 处理，过程如下： 发送端连续发送五个“l 后插入一个“0 ”。 接收端连续收到五个“1 ”时检查第六个比特。如果第六个比特为“0 ， 则删除该“0 ；如果为“1 ”，则检查第七个比特。如果第七个比特为“0 ，表示 其实或者结束标志；如果为“1 ，则接受端视该信息帧为无效帧，并舍弃。其实 现算法流程图如图： 山东人学顾i ：学位论文 图4 1 2 去除转义冗余状态图 状态说明： i n i t 状态：开始状态，表示接收到数据0 1 状态：接收到数据1 后，进入1 状态，开始计数 去0 状态：当在1 状态连续计数到5 之后进入该状态。 结束状态：当在去0 状态时收到的下一个数据仍为1 ，则表示结束。 这里省去了帧尾的判断，直接在判断接收到6 个连续的数据1 之后结束。结 束时需要对帧尾进行补全，以便后续进行帧校验操作。 4 3 3 3f s o 解码与解帧 在收到结束数据之后，软件进入f m o 解码过程。 由于对第一个数据的起始电平无法断定，因此在f m o 解码过程中可能会因 为相位翻转的原因导致解码失败。 如图： 10 ；1；2；3；4； 5 ： 一 图4 1 3 待解码波形 当解码从l 的位置开始的时候，根据f m o 编码，在第三个符号的时候就会 山东人学硕上学位论文 发生相位翻转，但图中信号没有翻转，不符合f m 0 编码规则。而实际上从0 位 置开始是可以正确解码的，该信号数据是0 1 0 。 因此，在f m 0 解码过程中如果出现失败，将选择缓存数据的第二个符号开 始，重新解帧。这样就可以解决相位翻转问题。 由于前导码有1 6 个0 数据，因此即使从第二个符号开始也不会丢数据。 在e t c 层二的帧构成中，前导码之后有帧头0 x 7 e ，这样如果第一次解码位 置出错，那么很快会找到错误位置。 图4 1 4 解码状态机 l n i t 状态：接收到第一个符号，当下一个符号为有跳变时跳到0 状态； 没有跳变进入l 状态。 l 状态：输出一个f m 0 编码1 。如果下一个符号仍然没有跳变表示已经 结束；发生跳变此次符号解码正确，返回初始状态 0 状态：输出一个f m 0 编码0 。如果下一个符号没有跳变则表示f m 0 编码错误。发生跳变此次符号解码正确，返回初始状态 结束状态：在l 状态检测第三个符号发现没有跳变的时候进入结束状态 在0 状态检测第三个符号发现没有跳变的时候进入结束状态。 解码过程： 首先，从缓存取两个符号，如果相同表示为l ，不同为0 。再取第三个符号， 与第二个比较，相等表示结束。不等表示有跳变进入下一个循环。 下图是带有帧头匹配过程的解码流程图： 山东人学硕j ：学位论文 。位解码数据 n 人 y o 芦开i丫 ，r c o u n t e r + + 帧尾 c o u n t e r = 0c o u n t e r = 0 上j 数据保存 数据保存 上j r i n c + +i n c + + 乇卜yy 各 ：= = ： 丫in j r 下。个缓存 下一个缓存 1r r 1 r j 卞一卜黼屏 l 7 i i i 烈俏 | 1 4 3 3 4m a c 地址 图4 1 5 去0 以及帧尾判断过程 媒体访问地址分为广播m a c 地址和专用m a c 地址。广播m a c 地址用于 r s u 对所与o b u 的访问；专用m a c 地址用于对某特定o b u 的访问。 广播m a c 地址取值应为3 2 位全“1 比特：o x f f f f f f f f ；专用m a c 地址 取值为3 2 位非全“1 比特。 4 3 3 5n a c 控制域 m a c 媒体接入参数在b s t ( 应用层维护) 中定义。它主要用于： 指示一个l l c 单元是否有效( 便于允许无数据帧的存在) 指示传输方向：上行或下行( 例如：为了检测干扰的数据分组或固定设备 间的干扰) 分配公共和专用窗口( 下行链路的媒质分配码) 请求专用窗口( 上行链路的媒质请求码) 指定l l c 单元的类型 山东人学硕j ：学位论文 没有指定的比特留做r 后使用，例如利用窗口管理功能扩充和优化链路( 控 制参数的动态适配) 。m a c 控制域包含m a c 信息和l p d u 的命令响应标识符。m a c 控 制域是一个8l t 特字节序列。下行链路m a c 控制域和上行链路m a c 控制域在m a c 中起 不同的作用，必须区别两者。r s u 是媒体的控制者，o b u 是媒体的受控者。 表4 1 下行链路m a c 控制域 比特位标识符含义 取值 7d u 方向标识符0 ：下行链路 6l l p d u 是否存在1 ：存在0 ：不存在 5 c r命令响应 0 ：命令 4q 广播信息，只有m a c 地址为全10 ：不寻求建立专用链路 才有效 l ：寻求建立专用链路 3 - 0 保留 表4 2 上行链路m a c 控制域 比特位标识符含义取值 7 d u方向标识符1 ：上行链路 6 l l p d u 是否存在1 ：存在0 ：不存在 5 c r命令响应0 ：命令 4 - 0 保留 因为本文0 b u 采用的是被动唤醒模式，因此上行链路m a c 控制域的c r 位始 终是“l 。 4 3 3 6m c 子层服务和原语分析 m a c 子层面向l l c 子层提供以下服务原语： m a c d a t a r e q u e s t m a c - d p d a i n d i c a t i o n 山东人学顾l ：学位论文 b m a cm m a c 图4 1 6 时序图 图中b - m a c 表示r s u 侧的m a c 子层，m - m a c 表示o b u 侧的m a c 子层。其原语 的描述见附录b 。 4 3 3 7 数据发送接收流程 数据接受完毕后，如果帧为有效帧，下一步即是对帧的解析，如果存在l p d u 域，则通过原语m a c i n d i c a t i o n 将数据上报给l l c 层进行逻辑处理，l l c 层处 理完毕后又将l p d u 下发到m a c r e q u e s t 。 3 l 山东人学硕十学位论文 3 2 i帧校验 i i m a c 圳i c a t i 图4 1 7 数据接收流程图 m a c r e q u e s t j l 添力h m a c 控制域、m a c 地址 上 添加帧校验 j 添加帧校验 上 添加帧头帧尾 上 添加前后导码 上 发送数据 图4 1 8 数据发送流程图 山东人学硕 ：学位论文 4 3 4l l c 层 l l c 产生用于传输的命令p d u 和响应p d u ，并解释接受的命令p d u 和响应p d u 。 l l c 规定的功能包括： 控制信息的初始化。 组织数据流。 解释接收到的命令p d u 并生成适当的响应p d u 。 l l c 子层的差错控制与差错恢复。 l l c 子层规定对等实体间信息和控制传输的协议进程，其逻辑链路控制操作 包括两种类型。 ( 1 ) 类型1 操作规定一个具有最小协议复杂度的不确认无连接方式的服 务。该数据传输服务提供一组方