（计算机系统结构专业论文）802154协议栈的研究与实现.pdfVIP

论文摘要 随着传感器与无线网络技术的迅速发展，无线传感器网络( w s n ) 已经逐 渐成为当前网络界最热门的研究领域之一。1 9 9 8 年3 月成立了i e e e8 0 2 1 5 工作组，它主要完成了w p a n 网络的p h y 和m a c 层的标准化工作。主要的 目的是在个人操作空间( p o s ) 内为相互通信的设备提供通信标准。其中的任务 组4 制定了i f e e8 0 2 1 5 4 标准，针对低速无线个人区域网络。主要目标是低速、 低功耗、低成本，为个人或者家庭范围内的不同设备之间提供低速互联提供标准。 本论文的主要工作是深入研究i e e e 8 0 2 1 5 4 规范文档，开发平台相关的 m c 9 s 0 8 g t 6 0 ，m c l 3 1 9 2 芯片文档，具体实现了基于h c s 0 8c p u 和m c l 3 1 9 2 射频芯片的8 0 2 1 5 4 协议栈。 论文首先简单的介绍了8 0 2 1 5 4 协议栈物理层，帅 c 层的系统络梅和- r 作 原理，同时还简单的介绍了开发平台的基本框架。 随后分别详细阐述了协议栈所包括的硬件服务平台，物理层和m a c 层三大 模块。硬件服务平台提供了与平台无关的基本系统服务，为上层的协议栈搭建提 供了良好的基础，也为今后的平台的移植提供了便利。物理层实现了基于 m c l 3 9 1 2 芯片的8 0 2 1 5 4 物理层所有功能，今后更换其它射频芯片只需要修改 物理层即可。m a c 层实现了8 0 2 1 5 4 m a c 层的部分功能。由于无线传感网络对 硬件和节能方面的苛刻要求，协议栈要做得越简单越小越好。因此本论文提出了 按照b e a c o n 和n ob e a c o n 的方式对协议栈进行裁减。本论文主要讨论实现其 中的n ob e a c o n 模式下的协议栈。 最后本论文还对该协议栈进行了简单的测试和分析，列出了测试环境，测试 方案和测试结果。 关键字：无线传感网，i e e e8 0 2 1 5 4 ，硬件抽象层，n ob e a c o n 模式，m c l 3 1 9 2 a b 姗a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h es e n s o r sa n dw i r e l e s sn e t w o r k ，t h ew i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ( w s n 、h a sg r a d u a l l yb e c o m eo n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c ha r e a s i nn e t w o r k s i nm a r c h1 9 9 8t h ei e e e8 0 2 1 5w o r k i n gg r o u pe s t a b l i s h e d ，w h i c h c o m p l e t e dt h es t a n d a r d i z a t i o nw o r ko fp h y a n dm a c l a y e r si n w p a n ，t op r o v i d ea p r o t o c o ls t a n d a r d sf o rt h em u t u a lc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n ti nt h ep e r s o n a lo p e r a t i n g s p a c e ( p o s ) t h et a s kf o r c e4f o r m u l a t e dt h ei e e e8 0 2 1 5 4s t a n d a r d ；i nv i e wo f l o w s p e e d ，l o w - p o w e r , l o w - c o s tl o w - s p e e di n t e r c o n n e c te q u i p m e n tw i t h i nt h es c o p e o fi n d i v i d u a l so rf a m i l i e s t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si s i n - d e p t hs t u d y i e e e s 0 2 1 5 4s t a n d a r d d o c u m e n t a t i o n , d e v e l o p m e n tp l a t f o r m so fm c g s o s o t 6 0 , m c l 3 1 9 2c h i pd o c m n e n t s ， a n dt h e ni m p l e m e n tt h e8 0 2 1 5 4p r o t o c o ls t a c kb a s e do nt h eh c s 0 8c p ua c h i e v e a n dm c l 3 1 9 2r f c h i p t h et h e s i sf i r s ti n t r o d u c e dt h es y s t e ms t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo f8 0 2 1 5 4 p r o t o c o ls t a c k , a n da l s ot h eb a s i cf r a m e w o r ko fd e v e l o p m e n tp l a t f o r m f o l l o w e db yd e t a i l e dd 鹤, c r i b c t i o no fp r o t o c o ls t a c k , w h i c hi n c l u d e st h r e em o d u l e s ： h a r d w a r es e r v i c ep l a t f o r m ，p h y s i c a ll a y e ra n dm a cl a y e r h a r d w a r es e f i v c em o d u l e p r o v i d e dp l a t f o r m i n d e p e n d e n ts e r v i c e sa n db a s i cs y s t e ms e r v i c e s f o rt h eu p p e r p r o t o c o ls t a c k , w h i c hc o n s t r u c tag o o df o u n d a t i o nf o r t h eu p l a y e rw o r k p h y s i c a ll a y e r a c h i e v et h e8 0 2 1 5 4p h y s i c a ll a y e rf u n c t i o n sb a s e do nm c l 3 9 1 2c h i p o n l yp h y s i c a l l a y e rn e e d e dt ob ea m e n di fw eu s eo t h e rr fc h i p m a cl a y e rr e a l i z e ds o m ef u n c t i o n s o f8 0 2 1 5 4m a c l a y e r i nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , t h e r ei sh a r s hr e q u i r e m e n to nt h e e n e r g y - s a v i n g ，p r o t o c o ls t a c k si st h em o r cs i m p l ea n ds m a l l e rt h eb e t t e r t h e r e f o r e ， t h i sp a p e rd e s i g n saw a yt or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h es t a c ki na c c o r d a n c ew i t h b e a c o na n dn ob e a c o nm a n n e rp r o t o c o ls t a c k t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h e a c h i e v e m e n to ft h en ob e a c o nm o d ep r o t o c o ls t a c k f i n a l l yi nt h i sp a p e r , t h ei m p l e m e n t eo fp r o t o c o ls t a c kh a sas i m p l et e s ta n d a n a l y s i s t h ep a p e rl i s t st h et e s te n v i r o n m e n t ，t e s tp r o g r a m sa n dt e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：w s n ，i e e e8 0 2 1 5 4 ，h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r n ob e a c o nm o d e ， m c l 3 1 9 2 2 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，除文中己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，均巳在文中作了明确说喷并表示谢意 作者签名：塑壶日囊：型2 ：垒：乡 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：批书导师签名： 谁旦 日期：! 1 2 ：! ! ： 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 k n 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 u r e ： d a t e ：矽7j l ， 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 弱 p r e s c r i b e di nt h ec o p y r i g h tl a wo f t 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 i l m ：血壶 2 d a t e ：z 翌! ：! 雌 第1 章绪论 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。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 1 无线传惑器网络技术的概况 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1 2 。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 tn 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 及t e x t r o n 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。1 1 ” 1 1 1 无线传感器网络的特点 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 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同闱 1 1 2 无线传感器的应用领域 虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时 日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经有为 数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在 以下领域： 环境的监测和保护：随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要 采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数 据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵 入式破坏。比如，英特尔研究实验室研究人员曾经将3 2 个小型传感器连 进互联网，以读出缅因州“大鸭岛”上的气候，用来评价一种海燕巢的 条件。无线传感器网络还可以跟踪候鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对 农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成分等。此外，它也可以应用 在精细农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。 医疗护理：利用传感器网络，医生将能随时了解被监护病人的病情，还 可以利用传感器网络长时阳j 地收集人的生理数据，这些数据在研制新药 品的过程中是非常有用的。此外，在药物管理等诸多方面。它也有新颖而 独特的应用，为未来的远程医疗提供了更加方便、快捷的技术实现手段。 军事领域：由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非 常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境 中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方 面用途。美国国防部远景计划研究局已投资几千万美元，帮助大学进行 “智能尘埃”传感器技术的研发。哈伯研究公司总裁阿尔门丁格预测： 2 智能尘埃式传感器及有关的技术销售将从2 0 0 4 年的1 0 0 0 万美元增加到 2 0 1 0 年的几十亿美元。 空间探索：借助于航天器布撒的传感器网络节点可以实现对星球表面长 时间的监测应该是一种经济可行的方案。n a s a 的j p l ( j e tp r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ) 实验室研制的s e n s o r w e b s 就是为将来的火星探测进行技 术准备的，已在佛罗晕达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完 善。 其他用途：无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的 工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也 可以用在交通领域作为车辆监控的有力工具。 1 2i e e e8 0 2 15 工作组以及8 0 2 15 4 协议简介 随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身几米范围内通信的需求，这就 出现了无线个人区域网络的和个人区域网络的概念。w a p n 网络为近距离范围 内的设备建立无线连接，把几米范围内的设备通过无线介于方式连接起来，使他 们相互连接成网络，并可以与i n t e m e t 或者局域网相连接。1 9 9 8 年3 月成立 了i e e e8 0 2 1 5 工作组，它主要完成了w p a n 网络的p h y 和m a c 层的标 准化工作。主要的目的是在个人操作空间( p o s ) 内为相互通信的设备提供通信 标准。 在i e e e8 0 2 1 5 工作组内有四个任务组( t g ，t a s kg r o u p ) ，分别制定适 用不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差距： 任务组1 ( 1 g 1 ) ；制定i e e e8 0 2 。1 5 。1 标准，即蓝牙无线个人区域网络标 准，它是以中等通信速率、近距离的w p a n 网络标准，通常用于手机、p d a 等设备的短距离通信。 任务组2 ( 1 g 2 ) ：制定i e e e8 0 2 1 5 2 标准，研究i e e e8 0 2 1 5 2 与i e e e 8 0 2 1 1 ( 无线局域网，、) l ，i n ) 的共存问题。 任务组3 ( t g 3 ) ：制定i e e e8 0 2 1 5 3 标准，研究高速无线个域网络标准。 主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与 服务质量。 任务组4 ( t g 4 ) ：制定i e e e8 0 2 1 5 4 标准，针对低速无线个人区域网络。 主要目标是低速、低功耗、低成本，为个人或者家庭范围内的不同设备之间 提供低速互联提供标准。 任务组4 ( t g 4 ) 定义的网络特征与无线传感器网络有着许多相似之处： 短距离、低功耗、低成本，因此许多研究机构把它作为适用于无线传感器网络的 3 通信标准 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 hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) ；支持确 认( a c k ) 机制，保证传输可靠性。【 目前国外对于8 0 2 15 4 协议栈实现较为成熟的有f r e e s c a l e ，c h i p c o n 等商 业公司，他们都有自己的解决方案和配套软件。f r e e s c a l e 使用的射频芯片是 m c l 3 1 9 2 m c l 3 1 9 3 系列的。c h i p c o n 使用的射频芯片是c c 2 4 2 0 c c 2 4 3 0 系 列的。他们都是以库的形式发布底层的协议栈，上层开发者需要调用8 0 2 1 5 4 原语时会在链接的时候加入底层协议栈库到最后的b i n 文件中。 这样会带来一些问题，比如说上层开发调试的过程中不能调试m a c 层的功 能，上层开发者也不能定制自己的协议栈或者将协议栈移植到其他的c p u 或者 射频芯片上去。一旦发现协议栈出现问题也无法自己修复这个问题。 所以本文自己实现了8 0 2 1 5 4 协议栈，以源代码的形式加入到上层应用的 开发工程中。这样可以方便调试和修改协议栈代码。同时希望移植时只需要简单 的修改协议栈代码就可以了。 1 3 本论文的主要工作和内容安排 本论文的主要工作是深入研究i e e e 8 0 2 1 5 4 规范文档，开发平台相关的 m c 9 s 0 8 g t ，m c l 3 1 9 2 芯片文档，具体实现了基于h c s 0 8c p u 和m c l 3 1 鸵 射频芯片的8 0 2 1 5 4 协议栈。 协议栈包括硬件服务平台，物理层和m a c 层三部分组成。硬件服务平台提 供了与平台无关的基本系统服务，为上层的协议栈搭建提供了良好的基础，也为 今后的平台的移植提供了便利。物理层实现了基于m c l 3 9 1 2 芯片的8 0 2 1 5 4 物理层所有功能，今后更换其它射频芯片只需要修改物理层即可。m a c 层实现 了8 0 2 1 5 4 m a c 层的部分功能。由于无线传感网络对硬件和节能方面的苛刻要 求，协议栈要做得越简单越小越好。因此本论文提出了按照b e a c o n 和n o b e a c o n 的方式对协议栈进行裁减。本论文主要讨论实现其中的n ob e a c o n 模式 下的协议栈。 本论文一共分为六个章节。第一章介绍了本论文的项目背景，并对无线传感 器网络的特点和应用领域进行了描述，介绍了8 0 2 1 5 4 项目工作组，同时介绍 了本论文的主要工作和内容安排。第二章介绍了本文所涉及到的主要的技术及其 4 相关背景，包括i e e e 8 0 2 1 5 4 概述，物理层，m a c 层，开发平台的介绍，以 及整个8 0 2 1 5 4 协议栈实现框架。第三章介绍了硬件服务平台的设计与实现。 第四章介绍了物理层的设计与实现，第五章介绍了m a c 层的设计与实现。第六 章介绍了对于本协议栈的一些简单的测试以及相关的分析。第七章是对本论文工 作的总结以及下一步工作的展望。 第2 章i e e e8 0 2 15 4 协议 这一章将主要介绍本论文的相关背景知识。包括8 0 2 1 5 4 协议栈的介绍， 本论文所基于的开发平台的介绍以及本论文软件框架的介绍。、 2 1i e e e8 0 2 15 4 的基本框架 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准是由国际电信联盟r r u ) 制定的这个标准是为了满 足类似传感器的小型、低成本设备无线联网的要求。标准中的m a c 子层提供 两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点( s a p ) 访问高层。通过m a c 通 用部分子层s a p ( m c p s s a p ) 访问m a c 数据服务，用m a c 层管理实体 s a p ( m l m e s a p ) 访问m a c 管理服务。m a c 层协议主要采用基于竞争的信 道接入机制，即带有冲突避免的载波监听多路访问机审f j ( c s m n c a ) 。节点在发 送数据之前会使用空闲评估( c c a ) 算法对信道进行评估，看是否有其他节点正 在发送数据。若发送正在进行，节点将会等待一个随机决定时间后再去对信道进 行监听评估，若没有其他节点占用信道，则开始进行数据发送。虽然这种协议可 以避免冲突，但仍然存在空闲监听，增加网络额外的通信量，对于节点的能量有 一定的消耗。州 2 1 1 网络拓扑结构 如图2 1 所示，在不同的应用场合下，l r w p a n 可以有两种拓扑结构： 星型拓 1 ( s t a r t o p o l o p y ) 或者点对点拓扑结构( p e e r - t o p e e rt o p o l o p 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 协调者。p a n 协调者是整个p a n 的主要控制者。p a n 协调者可能使用稳定电 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。协调者或者普通的网络设备? 点对点拓扑结构也具有p a n 协调者，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 协调者转 发。点对点拓扑可以实现更加复杂的网络结构，如簇型拓扑f c l u s t e rt r e e t 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 6 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。 p贫an 。 l c o o r d i o a t o rh p e e r - t o p e e rt o p o l o g y f u lf u n c t i o nd e v i c e or e d u c e df u n c t i o nd e v i c e 图2 1 罔络拓扑结构 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 n 协调者直接通信，也可以在完成网络构建后，用来向 p a n 协调者获取分配的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。 2 1 2 全功能设备( f f d ) 希i 简化功能设备( r f d ) i e e e8 0 2 1 5 4 网络是指在一个p o s 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 e 8 0 2 1 5 4 网 络中最基本的组成部分。在i e e e 8 0 2 1 5 4 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 n 协调者、协调者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，个人通信空问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 ，它作为网络协调者 运行，p a n 网络协调者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。 如图2 - 1 所示，在不同的应用场合下，l r - w p a n 可以有两种拓扑结构： 星型拓手1 ( s t a r t o p o l o p y ) 或者点对点拓扑结构( p e e r - t o p e e rt o p o l o p y ) 。在星型拓 扑下，所有的普通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 协调者。p a n 协调者是整个p a n 的主要控制者。p a n 协调者可能使用 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 n 协调者，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 协调者转 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 e t 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列另一个网络的设备上 2 1 3 1 e e e 8 0 2 15 4 体系结构 i e e e 8 0 2 1 5 4 设备主要由物理( p h y ) 层和数据链路层( m a c ) 子层组成。如图 2 - 2 所示。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。层与层之间定义了4 个 s a p ，分别是p d ，负责m a c 层和p h y 层之间的数据交互。m c p s ，负责应用 层和m a c 层之间的数据交互。p l m e ，负责m a c 层和p h y 层之间的控制交互。 m l m e ，负责应用层和m a c 层之间的控制交互。 l u p p e fl a y e r s m a c p h y 幽2 - 2e e e 8 0 2 1 5 4 协议栈的层次结构 8 2 2i e e e8 0 2 15 4 物理层 物理层定义了物理无线信道和m a c 子层之问的接口，通过两个服务访问 点( s a p ) 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。 物理层管理服务维护一个由物理层相关的数据组成的数据库( m l b ) 。 物理层的主要功能包括五个方面：打开和关闭收发器、信道能量检测( e n e r g y d e t e c t ) 、链路质量指示、信道选择和信道估计以及通过物理介质上发送和接收 数据包。 打开和关闭收发器。通常来说，无线射频芯片的收发器在开启和关闭状态下， 其功耗是不同的。适时的关闭收发器有助于能量的节约因此物理层必须为上层 提供开启和关闭收发器的功能。 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。 发送和接收数据包。这是物理层最重要的功能。i e e e 8 0 2 1 5 4 规定了物理 层工作的频率，数据传输速率，帧长度，帧结构等特性。 2 2 1 物理层的载波频率 p h y 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铷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) 一个信道，9 0 2 - 9 2 8 m h z 频段 ( 北美) 1 0 个信道，2 4 2 4 8 3 5 g h z 频段( 世界范围内免申请的频段) 1 6 个信道。 具体分配如下表： 9 表2 - 1 载波信道特性一览表 聊 f 州n 姗节 s p n 酣h 嘻p t n _ _ 瞻一 d a t ap a r a m e t e r t ( 1 任h b ，捌 d m z ) c h j pr a t e m o d t d a r b a b i t l 甜e- m b o lr j t t s s 皿b o k ( k c l = i p , s ) f k b ：s )( h m b o l ：s ) 喜砖9 i 58 昏筠3 。63 0 0b p 5 x2 0 b m a 畔- 9 搴2 s柏ob p s i 【4 04 0 b a = m ： “5 02 4 0 0 - 2 4 船5二o o o o 疆 2 如北51 6 - a t e o t f l z o e o b l l 同。 在8 6 8 m h z 和9 1 5 m h z 这两个频段上信号处理过程相同，只是数据速率不 2 2 2 物理层的帧结构 图2 - 3 描述了i e e e8 0 2 1 5 4 标准的物理层数据帧格式。 o c l t e t $ ：4llv a r i a b l e p r e a m b l es f df m n e k n 砬r e s e e ：e d s d u ( 7 b n 旷( 1 b i t ) s 礤tp 赧 i = h y p a y l o a d 图2 - 3 物理帧结构示意图 前导码( p r e a m b l e ) ：四个字节长，收发器在接收到期问会根据前导码的特 征完成片同步和符号同步。 帧起始间隔符( s t a r t - o f - f r a m ed e l i m 舱r ，s f d ) ：一个字节长，值固定为 0 x a 7 ，标识一个物理帧的开始。 帧长度( f r a m el e n g t h ) ：物理帧的负载的长度，由一个字节的低7 位表示， 据此物理帧的负载最长不会超过1 2 7 个字节。 物理服务数据单元( p h y s e r v i c ed a t au n i t ，p s d u ) ：一般承载m a c 帧， 因此，根据m a c 帧的不同，物理帧的长度也会不同。 2 3i e e e8 0 2 15 4 m a c 层 在i e e e8 0 2 系列标准中，o s i 参考模型的数据链路层进一步细化为 m a c 和l l c 两个子层。m a c 子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 ) 提供的m a c 数据服务和通过 1 0 m a c 子层管理实体服务访问点( m im e - s a pl 提供的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 u ) 的收发。同 样，m a c 子层的管理服务功能维护一个存储m a c 子层协议状态相关信息的数 据库。 l l c 子层在m a c 子层之上，在设备间提供面向连接和非连接的服务。 m a c 子层的主要功能包括六个方面： 信道访问机制 i e e e8 0 2 1 5 4 网络可以使用两种信道访问机制：基于竞争的和非竞争的。 基于竞争的方式允许设备以分布的方式，使用载波监听多重访问，冲突避免 ( c s m a c a ) 协议访问信道。非竞争访问完全由p a n 协调者以保证时隙( g t s ) 方式管理。 启动和维护弘n 设备通过信道扫描获得当前信道的状态，在其射频范围内定位所有的 b e a c o n 帧或者因失去同步而定位某一个特定的b e a c o n 帧。信道扫描的结果可 以用来在启动p a n 之前选定一个合适的逻辑信道和一个在同一范围内没有被 占用的p a n 标识符。在同一射频范围内可能存在两个标识符相同的p a n 。需 要一种策略检测和解决这种情况，在完成了信道扫描和p a n 标识符选择以后， f f d 可以就作为p a n 协调者运行了。 设备加入和离开p a n 关联过程描述了设备如何加入一个p a n 以及协调者如何允许设备加入 p a n 的过程。已关联的设备或p a n 协调者也可以启动去关联的过程。 数据发送、接收和确认机制 描述非直接方式发送帧、重传数据和解决重复帧问题的机制。 安全性 讨论发送和接收帧的安全机制。 关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调者进行关联和身份验 证的过程。而当一个设备从一个网络中切换到另一个网络中时，就需要去关联操 作。 时隙保障机制和时分复用机制相似，但它可以动态地为有收发请求的设备分 配时隙。使用时隙保障机制需要时间同步，而i e e e8 0 2 1 5 4 网络中的时自j 同 步是通过超帧机制实现的。 2 3 1 基本超帧结构 在i e e e8 0 2 1 5 4 网络中，可以选用以超帧为周期组织网络中的设备问的 通信每个超帧都以网络协调者发出信标帧( b e a c o n ) 开始，在这个信标帧中 包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收 到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休 眠状态直到这个超帧结束。 超帧将通信时间划分为活跃和非活跃两个部分，它的首尾边界由它所发出的 b e a c o n 帧界定。在非活跃期间，p a n 网络中的设备不会相互通信，从而可以 进入休眠状态节省能量。超帧的活跃期间划分我三个阶段：信标发送阶段、竞争 访问阶段( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i o d ，c a p ) 、和非竞争访问阶段( c o n t e n t i o n - f r e e p e r i o d ，c f p ) 。超帧的活跃部分被划分为1 6 个等长的时隙，每个时隙的长度、 竞争访问阶段包含的时隙数等参数，都由协调者设定，并通过超帧开始时发出的 信标帧广播到整个网络。如图2 _ 4 所示为一个超帧结构 在超帧的竞争访问阶段，i e e e 2 1 5 4 网络设备使用带时隙的c s m a c a 访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问阶段结束前完成。在非竞争阶段，协 调者根据上一个超帧期间p a n 网络中设备申请g t s 的情况，将非竞争阶段划 分成若干个g r s 。每个g t s 由若干个时隙组成，时隙的数目在设备申请g t s 时指定。如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时隙数目。如图4 3 所示， 第一个g r s 由时隙1 1 1 3 构成，第二个g t s 由1 4 ，1 5 两个时隙构成。 每个g t s 中的时隙都指定分配给了时隙申请设备，因而不需要竞争信道。i e e e 8 0 2