（信号与信息处理专业论文）基于arm的嵌入式无线接入网硬件设计与实现.pdf

上海人学硕学位论义基于a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现第1 页 摘要 随着无线通信应用的发展，无线多媒体通信成为无线通信业务的新需求。无 线局域网作为一种高速的数据通信网络，更是得到了迅猛的发展，无线局域网的 应用将会成为未来无线网络的技术主流。无线视频通信作为无线局域网应用的一 个重要组成部份，已经引起国内外学者的广泛兴趣，成为无线网络应用领域的新 热点。与此同时，在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后p c 时代，嵌入 式系统己经深入到生活和工作的方方面面，嵌入式应用拉近人与计算机的距离， 形成一个人机和谐的工作与生活环境，并将发挥更大的作用。 本论文正是结合无线局域网和嵌入式系统的优势和特点，通过对无线局域网 i e e e 8 0 2 1 l b 协议规范和嵌入式系统u c l i n u x 深入分析和理解，将嵌入式系统与 无线局域网相结合，提出了一种嵌入式无线接入网的实现方案。由于当前无线局 域网络的应用范围主要是用在p c 机上，而在嵌入式领域的无线局域网络应用很 少，所以该方案的提出，极大的扩展了无线局域网的应用范围。 本论文研究设计了以a r m 嵌入式处理器为核心的硬件平台，并构建了基于 该硬件平台的嵌入式操作系统u c l i n u x 软件平台，通过对该操作系统的移植，达 到了通过u s b 主控器和8 0 2 1 l b 的无线网卡互连来实现视频无线传输的目的。 实现了u c l i n u x 在硬件平台上的启动，并能支持以太网络和基于8 0 2 1 1 b 的无线 局域网络功能。其中硬件平台主要是中央处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 外围电路的设计，用 来为嵌入式操作系统u c l i n u x 的运行和无线视频传输的实现提供必要的硬件支 持：软件平台主要是嵌入式系统的构建，包括操作系统的编译、裁剪、移植以及 驱动程序和应用程序的编写。另外，本文还研究并开发了嵌入式u c l i n u x 的应用， 设计了f t p 服务器以及j f f s 2 文件系统，通过对这些应用的开发，丰富了本设 计的功能，扩展了应用范围。 关键词：无线局域网，嵌入式系统，中央处理器，u c l i n u x 卜海大学硕忙学位论文基于a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现第1 1 页 a b s t r a c t f u t u r ew i r e l e s sa p p l i c a t i o n s ，s u c ha sv i d e oc e l l u l a rt e l e p h o n y ，w i r e l e s si n t e m e t a c c e s sa n dw i r e l e s sl a n s ，h a v e o p e n an e wf i e l df o rw i r e l e s sm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n - i m a g e c o m m u n i c a t i o n ，w h i c hp u s ha g r o w i n g d e m a n df o rf a s t e c o n o m i c ，l o w e n e r g y m o b i l em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n t h e ym a k ei m a g ec o d i n g a n dw i r e l e s st r a n s m i tt e c h n o l o g i e st ob eh o tr e s e a r c hp o i n t s a tt h es a m et i m e ，w i t h t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，e m b e d d e ds y s t e mh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tp a r to f c o m p u t e r s c i e n c ea n d r e s e a r c h i n g f o c u s i nt h i s t h e s i s ，t h ea d v a n t a g eo fw l a na n de m b e d d e do s a r es t u d i e d ，o nt h e f o u n d a t i o no fc o m p r e h e n d i n gt h ew l a ni e e e8 0 2 1 l bs t a n d a r da n de m b e d d e d o p e r a t i o ns y s t e mu c l i n u x ，w o r ko u tap r a c t i c a ls c h e m ef o rw i r e l e s si n t e r n e ta c c e s s w i t h tt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i ss c h e m e ，t h er a n g eo fa p p l i c a t i o no fw i r e l e s sl a n s a r ee x p a n d e d i nt h i st h e s i s ，ah a r d w a r ep l a t f o r ma r ed e s i g n e da n dc o n f i g n r a t eu c l i n u xa sa n e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m t h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mb a s e do na r mh a sb e e n d e v e l o p e d t h e e m b e d d e dh a r d w a r e s y s t e m w a s d e s i g n e dt a k i n gs a m s u n g a r m 7 t d m ic p ua st h ec o r e w ei m p l e m e n ts i m p l ef u n c t i o no fu c l i n u xb a s e do n h a r d w a r ep l a t f o r m v a r i o u sk i n d so fa p p l i c a t i o ni nu c l i n u xs y s t e mc a nb ed e v e l o p e d w eh a v ea l r e a d ys o l v e dt h ep r o b l e mo fd e v e l o p i n ga r ma n dr e s e a r c h e dt h ep r o j e c to f d e v e l o p i n ga r m ，t h ei m p o r t a n tt h i n g i st h a tw e s u c c e s s f u l l ys o l v e dt h ed i f f i c u l t i e so f p o r t i n gu c l i n u xi n t oa r m h a r d w a r ep l a t f o r ma n di m p l e m e n tw i r e l e s si n t e r n e ta c c e s s b a s e do ne m b e d d e do su c l i n u x t h a ts h o ww eh a v em a s t e rt h ec o r e t e c h n i q u e o f e m b e d d e d s y s t e m k e yw o r d ：w l a n ，e m b e d d e do s ，c p u ，u c l i n u x 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：刍垒 日期：塑兰：! ：当 l ：海大学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现 笫1 页 第一章绪论 随着无线多媒体技术的曰益应用和发展，无线局域网作为一种高速的数据通 信网络，得到了迅猛的发展，无线局域网的应用将会成为未来无线网络的技术主 流。同时无线视频通信作为无线局域网应用的一个重要组成部份，引起国内外学 者的广泛兴趣，成为当前信息科学与技术的前沿课题。 1 1 无线局域网的概念、现状及其前景 所谓无线局域网f w 乙n ) 是指应用无线通信技术将计算机设备互联起来，构 成可以互相通信和实现资源共享的网络体系。无线局域网最本质的特点也是最大 的优点就是不再使用通信电缆，从而使网络的构建和移动更加灵活。 八十年代后期，由于美国联邦通信委员会f f c c ) 对使用无线电技术的计算机 通信开放了无需申请许可证就可以使用的2 4 gi s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n d m e d i c a l ) 频段，使得无线网络的研究成为通信领域的一个研究热点。1 9 9 0 年7 月， i e e e8 0 2 委员会接受了n c r 公司的“c s m a c d 无线媒介标准扩充”提案，成 立了i e e e8 0 2 1 1 无线局域网工作委员会，专门负责相关标准的制定。1 9 9 7 年 i e e e 8 0 2 1 1 协议标准出台，这是无线局域网发展史上的一个旱程碑。不过，最 初的产品因受速率的限制偈：高2 m b p s ) ，所以在市场上鲜有使用。 为了解决早期8 0 2 1 1 无线局域网标准在速率上的限制，i e e e8 0 2 1 1 工作委 员会于1 9 9 9 年发布了另一个支持更高速率的8 0 2 1 l b 无线局域网标准，它能提 供最高可达1 1 m b p s 的传输速率。因为l l m b p s 速率已基本能满足用户要求。所 以遵循8 0 2 1 1 b 标准的无线局域网在美国得到了大规模使用。此外，在世界其它 地方，w l a n 也逐渐开始流行并得到了广泛使用。在国内，目前w l a n 的应用 较少。 尽管8 0 2 1 1 b 目前得到了广泛使用，但其1 1 m b p s 的速率很快将无法满足用 户的需要。因此，8 0 2 1 1 工作组于2 0 0 0 年发布了新一代高速w l a n 标准 8 0 2 1 1 a ，与以前的标准不同，其物理层使用5 g 频段和更先进的无线技术，可 以提供高达5 4 m b p s 的传输速率，但数据链路层依然沿袭了原来的标准。目前， 遵循8 0 2 1 l a 标准的w l a n 产品己经开始面世，而且有些厂商的产品由于采用 上海人学硕 + 学位论文基于a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现第2 页 了一些私有的技术以致其速率甚至达到了1 0 0 m b p s 。此外，i e e e8 0 2 1 1 委员会 还另外成立了一些新的工作组，专门研究有关q o s ( 8 0 2 1 l e ) 、安全增强( 8 0 2 1 l i ) 、 漫游和切换( 8 0 2 1 1 i ) 、功率控制和自动频率选择( 8 0 2 1 l h ) 等增强特性，以期进一 步完善和增强8 0 2 1 1 无线局域网标准，从而使其得到更为广泛的运用 除i e e e 的w l a n 标准之外，欧洲电信标准委员会( e t s i ) 也制定了自己的 w l a n 标准，包括h i p e r l a n 1 和h i p e r l a n 2 。h i p e r l a n l 采用在g s m 网络 中广泛使用的高斯滤波最小移频键控( g m s k ) ，速率能达到2 0 m b p s 以上。另一 个，也是最重要的w l a n 标准是h i p e r l a n 2 ，它与8 0 2 1 l a 一样采用正交频分 复用( o f d m ) 并工作在5 g 频段，速率为5 4 m b p s ，但比较而言，h i p e r l a n 2 要 比8 0 2 1 l a 先进。h i p e r l a n 2 的数据链路层是面向连接的，因此能很好的实现 q o s 。此外，h i p e r l a n 2 还能支持动态频率选择、功率控制以及切换和漫游，而 这些特性在8 0 2 1 1 中还处于草案状态。尽管如此，目前支持h i p e r l a n 2 的厂商 并不多，而且主要是欧洲厂商f 1 1 】。 使用5 g 频段的无线局域网在不久的将来将会形成一个统一的标准，因为 i e e e 8 0 2 委员会已经成立了一个5 g s g 工作组专门对此进行研究。 由于目前占市场主流的8 0 2 1 l b 其速率逊色于有线网络且设备价格稍显昂 贵，因此当前无线局域网主要还是用于有线网络的补充。但随着更高速率w l a n 的出现以及设备价格的逐渐下降，这种局面有望扭转。要知道，无线是通信技术 发展的大势所趋。 1 2 无线视频传输技术概述 视频一词源白英文v i d e o ，我们看到的电影和电视都属于视频的范畴。与静 止图象相对应，视频为活动图象( 或运动图象) ，我们所看到的视频信息实际上是 由许多单的画面所组成的。每幅画面称为一帧。由于人眼的视觉惰性，每秒 2 4 帧的静止画面就形成了连续活动影像感觉的视频画面 1 2 1 。 视频传输技术根据传输媒质的不同可以分成两类：有线视频传输技术和无线 视频传输技术。前者是指基于光纤、同轴电缆、双铰铜线或h f c ( h y b r i df i b e r c o a x 光纤同轴电缆) 等的视频传输。这种传输质量好、容量大。但成本较高，且铺线 麻烦。后者是指卫星或者微波等的视频传输。这种视频传输有较大的灵活性，可 上海大学硕上学位论文基于a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现第3 页 以在短时间内构造一个宽带网络。归纳起来，无线视频传输主要包括三大技术： 视频信息处理技术，调制技术和射频技术。首先，对庞大的视频信号数据进行有 效的压缩预处理，能够极大减少对信道带宽的要求，提高通信信道的传输速率， 使高速无线视频传输系统的实现成为可能。目前i t u t 规范的动态 j p e g ( m o t i o n - j o i n t p h o t o g r a n h i c e x p e r t g r o u p ，“动态联合图像专家组”) 、h 2 6 3 、 m p e g ( m o v i n g p i c t u r e s e x p e r t g r o u p ，“活动图像专家组”) 等标准在这一方面提供 了很好的范例。对信号的压缩不仅能够解决带宽限制问题，而且能够大大降低对 无线通信设备的c p u 和电源供电等要求。其次，选择高效可行的调制手段，对 提高数据传输速率和频带利用率起着至关重要的作用。就现有的各种调制方式而 言，d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m 直序扩频) 和o f d m ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分多路) 成为无线视频通信的最优选择。最 后，开发和应用新频段迫在眉睫，目前，射频发展很不明显。第三代移动通信系 统规定使用2 g h z 频段。有些研究单位建议无线多媒体通信系统使用2 5 g h z 频 段和5 g h z 频段，现在很多机构又在研发1 7 g h z 、1 9 g h z 、3 0 g h z 、4 0 g h z 、6 0 g h z 频段的应用。 传统的电话网络，互联网等有线通信发展到今天，给人们的生活带来了很多 便利。然而在许多场合当移动用户需要适时存取信息，或当安装物理媒质不大可 能的时候，无线视频通信起着不可替代的作用。尤其是在图象监控系统、移动多 媒体业务、无线视频会议、高空监视、军事侦察、卫星遥感等领域f 2 】，视频通 信的强大信息量使得开发无线视频通信应用成为人们的必然之势。但是，由于历 史与技术上的原因，现有的无线通信主要局限于数据与语音传输f 如手机通信) ， 无线的视频传输还很不成熟，未得到广泛普及。 1 3 本论文的主要工作 本课题的设计主要是针对当前无线局域网络的应用范围主要是用在p c 机 上，而在嵌入式领域的无线局域网络应用很少，从而考虑将嵌入式系统和无线局 域网相结合来实现嵌入式的无线接入网络。通过对无线局域网i e e e 8 0 2 1 i b 协议 规范和嵌入式系统的深入理解和分析，利用基于a r m 内核的嵌入式处理器、嵌 入式操作系统n c l i n u x 和8 0 2 l b 的无线网卡来实现视频的无线接入。 上海大学硕上学位论文基于a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现第4 页 本论文的主要工作主要体现在嵌入式硬件平台的设计、嵌入式软件平台的设 计两部分。硬件平台的设计以嵌入式处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 为核心，扩展了s m b y t e 闵存( f l a s h ) 模块、3 2 mb y t e 的同步动态数据存储器( s d r a m ) 模块、以太网口 ( e t h e r n e tp o r t ) 模块以及u s b 模块等。软件平台的设计方面，由于嵌入式 l i n u x 的开放性，故其开发也有其特殊性，归纳起来主要是嵌入式l i n u x 的编译、 裁剪、移植技术及驱动程序添加。要很好的完成移植及应用程序开发，首先应搞 清嵌入式l i n u x 的系统原理，故本论文在这方面作了深入阐述。最后，移植u c l i n u x 到硬件平台，并在此基础上完成了无线视频传输的嵌入式软件的设计。 本论文的主要内容安排分为以下几个部分： 第一部分是无线局域网相关技术概述。描述了无线局域网标准8 0 2 1 1 b m a c 层m a c 协议：分布式协调功能d c f 和点协调功能p c f 的协议规范和功能。 第二部分是嵌入式硬件平台的设计。对嵌入式硬件平台的原理框架作了简单 的描述，并且分别对硬件平台的各个模块设计作了详尽的描述。 第三部分是嵌入式软件平台的构建。分析了u c l i n u x 操作系统的内核原理， 并对该系统的文件构造和启动流程作了深入的描述。 第三部分u c l i n u x 的移植和软件实现。对嵌入式操作系统u c l i n u x 的编译， 裁剪，移植，以及驱动和应用程序的编写作了细致的分析。 第四部分是对研究工作做出总结，分析不足以及可能的改进方法。 海人学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式无线接入嘲硬件设计与实现 第5 页 第二章无线局域网的相关技术 无线局域网i e e e 8 0 2 1 l b 标准不指定具体的实现技术，只是规范了m a c 层 和p h y 层的功能，在其中定义了站点之间以及站点和a p 之间的空中接口，而 8 0 2 1 l w l a n 与8 0 2 3 e t h e r n e t 在逻辑链路控制( l l c ) 层及以上是相似的。在 m a c 层中，使用了称为c s m a c a ( c a r r i e r - s e n s em u l t i p l e a c c e s s ，c o l l i s i o n a v o i d a n c e ) 的控制策略来对站点接入信道进行协调。i e e 8 0 2 1 l b 定义了两种 m a c 协议：分布式协调功能d c f 和点协调功能p c f 。d c f 是基本的m a c 协议， 在单区丽j ( a dh o c ) 和多区网中超帧( s u p e r f r a m e ) 的竞争期c p ( c o n t e n t i o np e r i o d ) 使用，支持异步服务( a s y n c h r o n o u s ) ；p c f 是在超帧的无竞争期c f p ( c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d ) t 争使用，支持时限服务( t i m eb o u n d e d ) ，是一种可选m a c 协议i 1 6 】。 2 1 分布式控制方式( d c f ) d c f 是i e e e8 0 2 1 1 最基本的媒体访问方法。d c f 主要采用c s m a c a ( c a r r i e s e n s em u l t i p l ea c c e s s c o l l i s i o na v o i d a n c e ) 的媒体接入方法。在无线局域网中，移 动主机利用该方法来实现异步服务。 按c s m a c a 规则进行通信的主机，其工作方式如下：首先侦听媒体是否空 闲，判断当前是否有其他主机还在发送数据，c s m a c a 分布算法要求媒体上相 邻两帧之间必须有一个最小的时间间隔；若媒体空闲，它就可以发送；若侦听到 媒体忙，则主机必须延迟，到当前传输结束之后，再任选一个随机退避时间，检 测在这段时f 刚隔内媒体是否仍忙，若空闲，则发送数据；否则继续退避。当一个 主机在一次发送成功后还想发送下一帧，也必须进行退避。之所以进行退避，是 因为媒体在刚结束传输后，有可能多个主机均要发送数据，若不退避，则发生碰 撞的可能性极大。碰撞概率的大小取决于退避算法的好坏。图2 1 显示了 c s m a c a 的基本过程。 在无线局域网中，发送方不可能检测到媒体中是否发生碰撞。因此，发送和 接收双方需一种确认机制来判断传输是否是正确：即发送方在发送一帧后，等待 接收方返回的a c k 帧，若没有收到a c k 帧，则认为接收方没有证确接收，那 退避一段时间重新发送该帧。 上海大学硕上学位论文基于a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现笫6 页 1 7 l 1 鼬s y m e d 陲蚓 f 薹赫如m w州n e 肭 1 p 1 5 卫 l 她! 辫 d e 纯r a o o s s 。s e l e c t 8 l o ta n dd e c 4 r e m e n t 6 一a 粤2 苎l 槊 图2 - ic s m a c a 基本接入方法 图2 2 显示了帧发送和退避的时间顺序。i f s ( i n t e r - f r a m es p a c e ) 称为帧间隔。 图中的s i f s ( s h o r t i f s ) 指短帧间隔，这是i e e e8 0 2 1 1 规定的最短帧间隔，用于 a c k 帧、清除发送c t s ( c l e a rt os e n t ) 帧、重装数据r t s ( r e q u i r et os e n d ) 帧之间 和主机对p c f 的轮询做出应答的时候。因为其他想要发送的主机必须等待一个 较长的媒体空闲期，不可能强行中断还在进行的传输，所以采用s i f s 间隔的主 机就获得了最高的媒体控制权。 d i f $ s t a 目o n a s t a 茸o nb s 船哲0 啦c s l 嚣b o nd s t a t i o ne 0 w l n s 0 柑 f r h 氆 i d e f e rb a c k o f f f r o m ei翻 i 脚c w 酾d o 弹 _。 if r m 雌 ib m - if 螬m e e w i n c f 制v _ e v ve 耐n w i 秘晰 - if r a m e c w - g w20 ，0 n t o n ，f 1w l ! a 镐” i - - 1 2 9 a 幽 囤2 e m j n 瑚转a e k o f f 图2 2 帧的发送和退避过程 而d i f s ( d c f i f s ) 指d c f 帧间隔，d i f s 用于d c f 方式下传输数据和管理的 m p d u ( m a c p r o t o c o ld a t au n i t ) 。在网络分配向量n a v ( n e t w o r k a l l o c a t i o nv e c t o r 、 和物理载波检测指示媒体空闲后，想发送r t sf r e g u e s tt os e n d ) 帧或数据帧的主 机监听媒体以保证媒体空闲时间至少达到d i f s 。若媒体忙，数据的发送过程将 迟延，直到检测到一个长达d i f s 的媒体空闲期后，启动一个随机访问退避过程。 随机退避过程是无线媒体和有线媒体在载波侦测方面最根本的不同之处。在 有线以太网中载波侦测采用的是c s m a c d ( c a r r i e r s e n s e m u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) ，实行该方法时，网上任一主机都能检测到所属网段 任一点发生的碰撞；而无线网络中主机则不可能检测到接收方是否发生碰撞，因 此，只有当检测到媒体在长达i f s 加上一定的退避时间的时间段内都是空闲时， ：海大学硕士学位论文基于a r m 的嵌入式无线接入嗍硬件设计与实玑第7 页 才能“主观的”认为其它主机此时不会进行发送，白己可以占用媒体。随机退避 时间按如下的公式计算。 b a c k o f f t i m e = i n t ( c w r a n d ) x s l o t t i m e 其中 i n t ：是取整函数。 c w ：是指数竞争窗口参数，取值范围从c w m i n 到c w m a x 之间，即8 ( c w m i n ) ， 1 6 ，3 2 ，6 4 ，1 2 8 ，2 5 6 ( c w m a x ) 。在初始化时，c w 值为c w m i n ，当要发生重传 时，c w 逐次增大，直到最大值c w m a x 为止。 r a n d ：产生( o ，1 ) 之间的一个随机小数。 s l o tt i m e ：时间片的大小，其值的大小取决于物理层。发射机打开时，物理 层检测媒体响应时间之和。 在进入c w 期间，若在该s l o t 时问段内，媒体保持空闲，t i m e r 减1 ，若媒 体忙，则t i m e r 不变，记录下当前值。在下一次检测到d i f s 之后，再次进入c w 期，再从t i m e r 的记录值开始减1 ，直到t i m e r 为0 ，开始发送帧过程。另外要 强调的是，当一个主机刚刚传输一帧，不能立即占用媒体传输下一帧，它必须执 行退避算法。由此可以看出退避算法的好处在于：上次竞不到媒体的主机将以越 来越短的退避时间进入下次竞争，避免永远竞争不到媒体的情况。所以说退避算 法提供了对媒体公平访问的机制，对高负荷网络起到了稳定的作用。 d c f 的工作过程包括两种机制一基本接入方式和r t s c t s 机制接入方式。 基本接入方式相对简单些。只有d a t a 嗾和a c k 帧的发送。如果媒体空闲时间 大于或等于d i f s ，就传输数据，否则延时，图2 3 表示基本接入方式的时序图。 上海人学硕l ：学位论义基于a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现第8 页 ，d i f s 。- _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 e l d a t a l 卜叫 r a t i o n s 怍s 向b l d i f s ， c o n t e n t i o nw i n d o w f ，j 1r 1 d e f e ra c c e s sb e c k o f f a f t e rd e f e r 图2 3 基本接入方式 在r t s c t s 机制中引入了请求确认机制确保传输的正确性，该请求确认机 制用到r t s ( r e q u e s t t os e n t ) r 赜、c t s ( c l e a rt os e n t ) 帧和a c k ( a c k n o w l e d g m e n t ) 帧。r t s 和c t s 帧包含有“期间域”。“期间域”用来表明从r t s 帧尾或c t s 帧 尾到a c k 帧尾的m p d u 所占用媒体的时间。非被访问的主机侦听到这些帧并置 一变量n a v ( n e t w o r k a l l o c a t i o nv e c t o r ) ，n a v 根据r t s c t s 帧中的“期间域” 来假定在当前时间之后的“期间域”中的时间媒体都是忙的( 即虚载波检测) ，它 用来和物理载波检测机制一起判断媒体的状态。当其中之一为忙时，就认为媒体 忙。若n a v 结束( 即其计数器的值为0 ) ，则虚载波检测认为“媒体闲”。图2 4 表明r t s ，c t s ，a c k ，d a t a 和n a v 的时序关系。 皑马 ：卜万几磊一 _ 叫 b s i f $ | 一 淅8 8 旷怔日 ic t s l - 0 i f s ，c 0 。舢。w 。盎7 n a v 盯s f f1 n a v c t s j d e f e r a c c e s s 基a c g , o f f a r e t o e 耗。 图2 4r t s c t s 机制接入方式 上海大学硕十+ 学位论文基于a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现第9 页 在d c f 机制下，发送过程遵守以下过程： f 1 1 当利用r t s c t s 方式传输一个单地址m p d u 时 f a l 如果媒体空闲时间大于或等于d i f s 时，就发送r t s ；否则，延时至 检测到下一个d i f s 间隔后，进入退避状态。 f b ) 如果发送方在发出r t s 之后的t 1 时间内收到c t s ，则在s i f s 之后 传输数据，否则进入重传避。 ( c 1 如果在t 3 时内没有收到确认，则进入重传退避。 ( 2 ) 当不用r t s c t s 方式传输一个单地址m p d u 时 f a l 如果媒体空闲时间大于或等于d i f s ，就传输数据；否则延迟，直到 检测到一个d i f s ，进入重传退避。 ( b ) 如果在t 3 时间内没有收到确认帧，进入重传退避。 ( 3 ) 当传输一个广播多址m p d u 时，如果媒体空闲时间大于或等于d i f s ， 就传输数据；否则延迟，直到检测到一个d i f s ，进入重传退避。 在d c f 机制下，接收过程遵守以下过程： ( 1 ) 如果检测到r t s 帧，但该主机不是目的主机，且r t s 帧中的“期间域” 时间大于本机的n a v ，则更新n a v ，启动t 1 定时器：如果本机是目的主 机，则当媒体空闲时间达到s i f s 后返回一个c t s 帧。 ( 2 ) 如果t 1 定时器己经工作，物理载波检测结果为媒体空闲，则清空n a v 。 ( 3 ) 如果检测到c t s 帧，且c t s 帧中的“期间域”时间大于本机的n a v ， 则更新n a v 的“期间域”信息。 ( 4 ) 如果当前主机是单址帧的目的主机，则在s i f s 之后，发送a c k 。 2 2 中心控制方式( p c f ) 点协调功能p c f 的特点是：p c f 在b s s 中，由a p 来决定某一时刻由哪个 主机进行发送。所有登录到a p 的主机都可以接收在p c f 方式下发送的所有帧。 i e e e8 0 2 1 1 把对p c 发出的轮询帧作出应答的主机称为c fa w a r e ( 无竞争清 醒、主机。p c 也只对c fa w a r e 主机进行轮询。一旦c fa w a r e 主机被p c 轮询， 它就可以给任何主机发帧，而不仅仅只对p c 响应。c fa w a r e 主机可以主动地 请求p c 的轮询。 上海大学硕士学位论文 基于a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现第1 0 页 i e e e 8 0 2 1 1 允许p c f 和d c f 共存。而实现两种不同机制共存的方法则是通 过引入超级帧( s u p e rf r a m e ) 来实现的。超级帧是一个逻辑概念而非实际的帧。它 代表一段时间内媒体上的业务量。在超级帧中包含两部分：无竞争期 c f p ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ) 0 竞争期c p ( c o n t e n t i o np e r i o d ) 。p c f 在c f p 时期内 控制b s s 内帧的传输，d c f 在c p 时期控制b s s 内帧的传输，两者交替控制媒 体，从而达到d c f 和p c f 共存的目的。图2 5 为“超级帧”结构。 p c f 帧间隔p i f s ( p c f 是指a p 可以利用该帧间隔，在无竞争时期 开始时获得对媒体的控制权i 。f s 如) 在期间发生接收或发送错误时，就在cf媒pcfp a p 体空闲时间达到f i f s 后控制媒体。在无竞争期，a p 检测到媒体空闲时间长达 p i f s 后会在c f p 突发时期发送下一个帧。 p c f 的工作过程 1 2 喊a y 掰惜嫱b mv “m 吐“ c f p e w # “* v ： 细e 论f ：e 喇c , f p c , o n l e r r u o r 4 t e ep e 瞄c f p 酬 c o n 她n b o np e r ；0 d e flb u 叫 d c f 鸯蝌 躺m 搴 p e f b 2 5 e 乳择f r a m e 燮一一 图2 5 超级帧示意图 “超级帧”中的c f p 是以信标b e a c o n 开始。b e a c o n 结束后为p c f 机制p c f 开始。c f p 的长度由a p 决定，最大值为c f pm a xd u r a t i o n 。所有b s s 中的主 机( 除a p 外) 在c f p 的开始时刻置n a v 。在n a v 期间( 即c f p 期间) 阻止非被轮 询的主机占有媒体。有效地防止碰撞。在c f p 结束后，a p 传输c fe n d 或 c fe n da c k 帧，b s s 中的主机接收这些帧，复位n a v 。 在c f p 期间同样需要确认机制，发送的帧格式包括：d a t a + c fa c k 、 d a t a + c f p o l l 、d a t a + c f 二a c k + c fp o l l 、c f _ _ p o l l 、c f a c k 、c f 二a c k + c f p o l l 。 这样在传输的帧中包含有对上一帧的确认信息。c f p 开始时，a p 检测媒体，若 媒体空闲时间达到p i f s ，则发送一个含有d t i m ( d e l i v e r yt r a f f i c i n d i c a t i o n m e s s a g e ) 和无竞争参数的信标帧，等待一个s i f s 后，传输下列帧之一：d a t a 、 c fp o l l 、d a t a + c fp o l l 、c fe n d 帧。若c f p 没有缓存业务，且不需要轮询，则 上海大学硕： 学位论文 基于a r m 的嵌入式无线接入网碗件设计与实现 a p 在第一个信标之后发c f e n d 帧、结束c f p 。图2 6 为一般的p c f 帧传输过 程。 。 c o n t e n t i o n - f r e er e p e t i t i o nl n e r v a i 。 ：c o n e n 洒舳f 辩ep e r o df 7 s l f s甚轳$s i 嚣p l f ss l r sl 斯邯亳网1 瞄怯i 倒。e 一* ， j 妒垲j 拶一鋈p l ：箨端1 m s m m 。 辫毒笔藏 n a v 图2 - 6 一般的p c f 帧传输过程。 当被轮询的主机有帧要发时，它就在s i f s 之后发送帧f 这种情况称为c f b u r s t ) ，这时该主机忽略掉本机n a v 的信息，但不作清零处理。若它发出的帧的 目的地址不是a p 时，即一般的主机到主机，则数据帧的接收和确认遵循d c f 规则。因为其它主机已经置n a v ，所以不需要r t s c t s 机制。 2 3m a c 帧结构 i e e e 8 0 2 ，1 1 定义了m a c 帧格式的主体框架，如图2 7 所示。工作发送的 所有类型的帧，都采用这种帧结构。形成正确的帧之后，m a c 层将帧传给物理 层会聚过程子层( p l c p ) 。帧从控制字段第一位开始，以帧校验( f c s ) 的最后一位 结束，由帧头、可变长帧体和3 2 位校验位组成。8 0 2 1 1 协议的m a c 帧共分三 类：管理帧，控制帧和数据帧。它们都遵循同个主体框架。如下图： 2 0 ( 1 触s2 0 c e 瞻骞o c t e t s5o 掣昭6 脒雕s2o e 馘s$ t 埘自臻。吐e 辑4d 畦e ：s i 篇篇； 豁u r a 蛔na 甜麟辑删d f e s 5a d o r e s s s e q u e o c e a d 幽e s f m r r 薹 阮8 。0 油i转0 # v 图2 7m a c 帧的格式 出图可见，每个帧都包含如下基本成员： 1 ) 一个m a c 帧头。包括帧控制、持续时i 日q 标识符、地址和序列控制字段。 2 ) 一个可变的长度帧体。含有帧类型特有的信息。 3 ) 一个帧校验序列。包含一个i e e e 3 2 b i t 的c r c 。 卜海大学硕士学位论文基十a r m 的嵌入式无线接入网硬件设计与实现 其中，帧控制字段：表明帧类型并载有载工作站之间发送的控制信息。如下图 图2 - 8 控制字段的结构 持续时间标识符：表明一个m a c 帧的成功传输所分配的通道时间。在节能，论 询控制帧中，这个字段载有发送端工作站的连接标识符( a i d ) ，其值o 一2 0 0 7 之间。 地址字段：这个字段的意义根据环境而改变。地址类型包括源地址、目的地址、 发送站点地址、接收站点地址。地址都有采用4 8 位，以便和8 0 2 协议家族的地 址空间相容。 序列控制：包括一个4 位的分段标号子字段，用于分段和重装。一个1 2 位的序 列号用来为给定的发送者和接收者往来的帧记数。 帧体：包括一个l l c 协议的数据单元或m a c 控制信息。 帧校验序列：采用c r c ( 循环冗余码校验) 法，生成多项式为： g f x l = x3 2 + x 2 6 + 盖2 3 + x2 2 + z 1 6 + x 1 2 + x 1 1 + x 1 0 十x8 + x7 + z5 + x 4 + x2 + x + 它将以整个m a c 帧( 包括帧头) 进行校验。 2 4 小结 本章对无线局域网i e e e 8 0 2 1 l b 标准的相关技术作了描述，着重描述了解决 无线局域网中传输碰撞问题的两种m a c 协议，并对c s m s c a 机制的控制策略 进行了深入地分析，对该标准m a c 帧结构也作了简要的概述。该章内容是本研 究课题的实现提供了理论基础和指导作用。 垦磐人学堡主兰些论文 基于a r m 的嵌入式无线接入p 嘈硬件设计与实j ! l l 第1 3 页 第三章嵌入式硬件平台设计 为了实现该项目的研究，首先要设计基于本系统的硬件平台。嵌入式硬件平 台的设计主要是中央处理器$ 3 c 4 5 1 0 b 外围电路的设计，包括只读存储器模块、 可读写存储器模块、主u s b 模块、以太网络模块和一些其他的外围接口。该硬 件平台主要是用来为嵌入式操作系统u c l i n u x 的运行和无线视频传输的实现提供 必要的硬件支持。其中只读存储器和可读写存储器模块用于嵌入式系统的存放和 运行；主u s b 模块用于实现和8 0 2 1 1 b 无线网卡的互联；以太网络模块实现 u c l i n u x 内核的下载等。 3 1 嵌入式系统的微处理器一$ 3 c 4 5 10 b 体系结构 在项目中这里选择了s a m s u n g 公司的$ 3 c 4 5 1 0 b 芯片。该芯片是1 6 3 2 位 r i s c 结构的处理器。它的性价比很高，是嵌入式系统中处理器的最佳选择之一。 该芯片中已经集成了以太网控制器，通过芯片的外设控制还可以增加网络设备， 因此特别适合做h u b 和低端路由器等网络产品的开发7 9 1 。 4 5 1 0 b 芯片处理器的内核是1 6 3 2 位a r m 7 t d m i r i s c 处理器，由英国a r m 公司设计。a r m 7 t d m i 内核是一种低功耗，通用微处理器内核，是业界公认的 低成本，高性能最佳内核之一，特别适合于对价格比较敏感产品的设计。该芯片 除了微处理器内核外，在芯片中还集成了许多外围设备，这样可以使设计者快速 的开发产