（无线电物理专业论文）ieee802154分析、实现以及应用.pdf

i e e e8 0 2 15 4 分析、实现以及应用 专业：无线电物理 硕士生：潘练锋 指导教师：黄晓 摘要 i e e e8 0 2 1 5 4 是由i e e e 制定的针对低功耗、低速率、短距离应用的无线 网络通信协议，为低速无线个域网构建了物理层和m a c 层协议。e e8 0 2 1 5 4 是一种可扩展性很强的带有基础意义的技术，目前已经有z i g b e e 和6 l o w p a n 这两个标准是以它为基础而构建的。同时，m e e8 0 2 1 5 4 也被考虑作为无线 传感器网络的通信标准。 目前尚无国内企业或研究机构推出拥有自主知识产权的i e e e8 0 2 1 5 4 兼 容协议栈和芯片，这造成了事实上的技术壁垒，严重束缚国内无线个域网产 业的健康发展。为此，本文开发了拥有自主知识产权的i e e e8 0 2 1 5 4 协议栈， 并以协议栈为基础，设计开发了专注于低速无线个域网应用的解决方案，最 终形成l r w p a n 平台。 首先，论文对i e e e8 0 2 1 5 4 的内容进行分析，在深入理解协议的基础上， 抽取协议中解决通用问题的子集，作为协议栈的指导内容。 然后，开发基于c c 2 4 3 0 的物理层协议和m a c 层协议，并以这两层协议 为基础对i e e e8 0 2 1 5 4 的功能进行封装，形成一个完整的协议栈。接着移植 一个基于时间触发的任务调度器，结合调度器和协议栈设计了一套应用框架， 形成l r w p a n 平台。 最后，开发一个无线温度传感器网络监测系统，用以演示如何利用 l r w p a n 平台开发出基于匝e e8 0 2 1 5 4 的满足低功耗、自组织要求的低速无 线个域网应用。 关键词：皿e8 0 2 1 5 4 ，协议栈，低速无线个域网，任务调度器，无线传感器网络 i a n a l y s i s ，i m p l e m e n t a t i o na n da p i p l i c a t i o no f 工e e e8 0 2 1 5 4 m a j o r ： r a d i op h y s i c s n a m e ：p a nl i a n f e n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rh u a n gx i a o a b s t r a c t i e e e8 0 2 15 4i san e t 、o r kc o i 姗u 1 1 i c a t i o np r o t o c o ld e v e l o p e db vt h ei e e e f o rl o w - p o w e r ，l o 、v _ r a t e ，s h o r t r a n g ew i r e l e s sa p p l i c a t i o n nd e f i n e st h ep h y s i c 2 l l 1 a y e ra 1 1 dm a cl a y e rp r o t o c o lf o “o w s p e e dw p a n i e e e8 0 2 15 4i s n m d 锄e n t a la n de x t e n s i b l e f o re x a i n p l e ，i e e e8 0 2 15 4i st h eb a s i so fz i 2 b e e a n d6 l o w p a n a n da l s ob ec o n s i d e r e da sc o n u n 戚c a t i o n ss t a i l d a r d so f 、 ，i r e l e s s s e n s o rn e t 、o r k a tp r e s e m 廿l e r ea r en od o m e s t i ce n t e 印r i s e so rr e s e a r c hm s t i t u t i o n sh a v e d e v e l o p e dt h e i ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t si e e e8 0 2 15 4p r o t o c o ls t a c ka i l d i c ，r e s u l t 吨i nt e c c a lb 枷e r s ，s e r i o t l s l yh 锄p e 血g 恤h e a l t h yd e v e l o p m e n to f d o m e s t i c 聊a ni r l d u s t 巧t h e r e f o r e ，t l l i sp a p e rd e v e l o p e dt h ei e e e8 0 2 15 4 p r o t o c o ls t a c kw i mi i l d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e i r t yr i g h t s b a s e do nu l ep r o t o c o l 妣k ，“sp a p e ra l s od e s i 弘e da 1 1 dd e v e l 叩e dt h es o l u t i o no fl o w - s p e e dw p a n a p p l i c a t i o n ，u 1 缸a t e l yf o m l i n gal r w p a np l a t f o m f i r s t ，t h et h e s i sa i l a l y z e dt h ec o n t e n to fi e e e8 0 2 15 4 b a s e do nt h eg o o d u n d e r s t a l l d i n go ft 1 1 ep r o t o c o l ，t h em e s i se x t r a c t e das u b s e to ft 1 1 ep r o t o c o lw h i c h r e s o l v e sg e n e r a lp r o b l e m s ，a sg u i d a n c eo fp m t o c o l 吼a c kd e v e l o p m e n t s e c o r l d l y ， d e v e l o p e dt l l ep h y s i c a l l a y e ra i l dm a cl a y e rp r o t o c o lo nt h ec c 2 4 3 0 ，a n dt l l e n e n c 印s u l a t e dt l l e 缸1 c t i o no fi e e e8 0 2 15 4 ，f o n i l i n gac o m p l e t ep r o t o c o ls t a c k 触e rt h e s e ，m et h e s i st r m s p l a n t e da t i m e - t r i g g e r e dt a s ks c h e d u l e ra i l di n t e 铲a t e di t w i t l l 也ep r o t o c o ls t a c kt om a l ( ea i la p p l i c a t i o n 觑吼e w o r k ，f o m i n gal r w p a n p l a t f o 衄f i n a l i y ，i m p l e m e n t e da w i r e l e s st e m p e r a t u r es e i l s o rn e t w o r km o i l i t o r i i 玛 s y s t e mt od e m o n s t r a t eh o w t ou s el r w p a np l a t f - o n nt od e v e l o pw p a n 印p l i c a t i o n ，w 1 1 i c hr e q u i r e dl o w p o 、v e r ，l o 、v - s p e e da n ds e l fo r g 砌z e ，b a s e do n l e i e e e8 0 2 】5 4 k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 5 4 ，p r o t o c 0 1s t a l c k ，l r 任! a n ，t 瓠ks c h e d u l e r ，w s n v 原创性及使用授权声明 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 研究工作所取得的成果。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作品成果。对本文的研究作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结果由本人承担。 学位论文作者签名：法撼匆套日期：2 0 0 8 年5 月8 日 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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、院 系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。学位论文作者签名活歹李彰争 日期：2008年5月8日导师签名r 觐日期：2 0 0 8 年5 月8 日 1 1 无线个域网 第l 章引言 目前，在家庭环境下，随着外围设备的逐渐增多，用户们不仅在自己的 p c 上连接打印机、扫描器、调制解调器等外围设备，有时还要插上u s b 接口， 将数码相机中的相片传输并存储到硬盘中去。频繁地插拔某一接口、p c 机后 缠绕无序的各种接线，都使用户在体验新技术带来的新用途的同时，又不得 不忍受一些不便。而在现代企业办公室中，为实现信息共享和设备共享，一 般的解决方案是组成有线局域网，但是密密麻麻的布线又令使用者心烦不已。 在这种背景下，无线个域网( w p a n ：w h l e s sp e r s o i l a la r e a n e 批o f k ) 产生 了【l 】o 无线个域网是指用无线电代替传统的电缆，实现个人信息终端的智能化 互连，组建个人化的办公或者家用信息网络【2 】。无线个域网覆盖范围一般在 1 0 米以内【3 | ，针对特定群体提供了丰富的业务类型，从概念上讲是一个与广 域网、局域网并列的无线网络。更形象地说，“无线个域网是一个以个人( 便 携设备) 为中心并随着个人移动而移动的泡泡”【4 】。 1 9 9 8 年i e e e8 0 2 1 5 工作组成立，主要致力于无线个域网标准化问题。 根据数据速率、功耗以及对q o s 的要求的不同，i e e e8 0 2 1 5 工作组定义了三 种不同类型的w p a n 。它们分别是：传输速率高于2 0 m b s 的高速无线个域网 h r w p a n ，传输速率可达1 m b s 的中速无线个域网m r w p a n 和传输速率 比较低的低速无线个域网l r w p a n 【5 1 。e e8 0 2 1 5 工作组还成立了专门的 任务组分别对其进行标准化【6 ，7 j ： ( 1 ) 任务组t g l ：制定e e8 0 2 1 5 1 标准，以蓝牙技术为基础，是一 个中等速率、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。 ( 2 ) 任务组t g 挖：制定i e e e8 0 2 1 5 2 标准，研究正e e8 0 2 1 5 与i e e e 8 0 2 1 1 ( 无线局域网标准，w l a n ) 的共存问题。 ( 3 ) 任务组t g 3 ：制定i e e e8 0 2 1 5 3 标准，研究高传输速率无线个人 区域网络标准。该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品质。 ( 4 ) 任务组t g 4 ：制定i e e e8 0 2 1 5 4 标准，针对低速率无线个人区域 网络( l o w - r a t ew h l e s sp e r s o n a la r e an e 铆o r k ，l r w p a n ) 制定标准。该标 准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或家庭范 围内不同设备之间低速互连提供统一标准。 任务组t c 弭所制定的i e e e8 0 2 15 4 标准正是本文所要研究的对象。发展 低速w p a n 是因为在我们的日常生活中并不是都需要高速应用。低价、低传 i e e e8 0 2 1 5 4 分析、实现以及应用 输率、短距离、低功率的无线通讯市场也是一直存在着的。在家庭、工厂与 仓库自动化控制，安全监视、保健监视、环境监视，军事行动、消防队员操 作指挥、货单自动更新、库存实时跟踪以及在游戏和互动式玩具等方面都可 以开展许多低速应用。低速率应用比高速率应用更贴近人们的日常生活，有 许多低速应用比高速应用对人们的生活更为重要，甚至能够挽救生命。例如， 当你忘记关掉煤气炉或者睡前忘记锁门的时候，低速w p a n 可以检查到这种 疏忽并予以处理，从而使你获救或免于盗贼【引。 1 2l e e e8 0 2 15 4 研究现状 2 0 0 3 年，i e e e8 0 2 1 5 4 标准获得通过。2 0 0 6 年，修订版的标准i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 出台，对i e e e8 0 2 1 5 4 做了一些改进和修正，同时保持和i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 兼容。修订版明确了一些模糊的概念，减少了不必要的复杂性， 增加了安全密钥使用的灵活性，并将一些新的频率分配考虑在内。2 0 0 7 年， 纳入低速u w b 的标准i e e e8 0 2 15 4 a 2 0 0 7 出台。本文将主要以i e e e 8 0 2 15 4 2 0 0 6 为研究对象。下面简单介绍国内外对i e e e8 0 2 15 4 的研究现状。 国际上对i e e e8 0 2 1 5 4 的研究，一方面在于探讨协议在各种领域的应用 可能性，例如在家庭网络中的应用【9 】，在建筑自动化中的应用1 1 。另一方面主 要集中于网络的基本性能分析和针对具体网络情况下的网络性能分析【l l j 1 1 2 】 【1 3 】【1 4 】【1 5 】。另外，由于i e e e8 0 2 1 5 4 的网络特征与传感器网络有许多相似之 处，很多研究机构把它作为传感器网络的通信标准，基于i e e e8 0 2 1 5 4 的无 线传感器网络也是目前研究的一大热点【1 6 】 1 7 】f 1 8 】【19 】f 2 0 】。 国内则主要是研究基于i e e e8 0 2 1 5 4 的z i g b e e 的应用。研究内容包括无 线传感器网络应用川【2 2 1 ，网络路由技术【2 3 1 ，节能技术，i e e e8 0 2 1 5 4 性能仿 真分析【2 4 】【2 5 】【2 6 】等。基于m e e8 0 2 1 5 4 的无线传感器网络在国内也是研究热 点【2 7 】【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 1 1 。 1 3 选题意义 通过对国内外i e e e8 0 2 1 5 4 研究现状和应用案例的跟踪，有以下几点认 识。( 1 ) 目前只有国外厂家提供了i e e e8 0 2 1 5 4 射频兼容芯片，基于芯片的 协议栈软件，以及供用户用于实验的评估板。厂家一般将这三种产品捆绑出 售，美其名日开发平台。( 2 ) 国外厂家所提供的协议栈，一般核心协议层代 码都以集成库( l i b ) 的形式提供，使用者无法得知其中奥妙。部分厂商虽号 称开放源代码，但一则代码量大( 万行级别) ，二则厂家仅对如何使用所提 供的协议栈，即该如何调用上层应用接口，做出较为详细的说明，而对于如 何实现协议栈则讳莫如深。( 3 ) 国内大多数用户借助于国外原厂提供的开发 平台进行应用层产品开发。所研发的w p a n 产品，本质上是基于国外r f 芯 片和协议栈所进行的二次开发。目前尚无国内企业或研究机构推出拥有自主 知识产权的i e e e8 0 2 1 5 4 兼容协议栈和芯片，这无形中造成了事实上的技术 2 第1 章引言 壁垒。而技术壁垒一旦形成，势必会极大地束缚国内无线个域网产业的健康 发展。 i e e e8 0 2 1 5 4 是一种可扩展性很强的带有基础意义的技术，目前已经有 z i g b e e 和6 l o w p a n 这两个标准是以它为基础而构建的【3 2 1 。因此只有真正地 掌握它，才能占据发展迅速的无线个域网领域的制高点。 另外，正如i n t e l 公司的软件总架构师贼y a v a 伙a r 所说的，“尽管嵌入 式通信系统在不同环境下的设计、开发和部署已有数十年的历史，但对一般 软件开发人员来说，为这样的系统设计软件仍然是高深莫测的【3 3 1 。确实， 目前很少看到针对8 位处理器的通信协议栈的设计方法的讨论。 综上所述，在深入分析协议的基础上，开发一套具有自主产权的i e e e 8 0 2 1 5 4 协议栈，并以协议栈为基础研发应用框架，形成一套基于低速无线个 域网络的应用的解决方案，将是非常有意义的。而研发过程中对基于8 位处 理器的嵌入式通信软件的开发方法，也可以进行一番思考和探讨。因此，论 文选题具有以下意义： ( 1 ) 掌握学术主动权：只有深刻理解协议才能开发出高质量的协议栈， 因此通过动手开发协议栈，能够加深对协议的理解，从而掌握协议的发展方 向，在学术研究上掌握主动权，打破技术壁垒。 ( 2 ) 掌握应用主动权：使用自己开发的协议栈，应用时才能合理剪裁， 灵活配置，开发出充分发挥网络性能的高质量产品。为解决实际应用中的问 题带来更大的自由度。 ( 3 ) 掌握学习主动权：协议栈是一个完整意义上的软件产品，其代码量 达到万行级别。无论是软件架构设计，代码编写，还是代码测试，都需要现 代软件工程知识的支持，否则开发工作将会效率低下，软件质量难以保证。 1 4 论文的组织和内容安排 论文第一章( 即本章) ，介绍了论文选题的背景和研究现状，并总结了 选题的意义；第二章从多个角度对i e e e8 0 2 1 5 4 进行概要介绍；第三章、第 四章分别分析实现砸e e8 0 2 1 5 4 的物理层协议和m a c 层协议；第五章对协 议功能进行封装，并开发出整合了协议栈和任务调度器的应用框架，形成 l 脚a n 平台；第六章是一个应用例子，介绍如何使用l r w p a n 平台开发 基于e e8 0 2 1 5 4 的低速无线个域网的特定应用；第七章对论文的工作进行 总结，并对未来工作做出展望。 第2 章i e e e8 0 2 1 5 4 协议概要 本章将从多个视角来解读协议，包括协议使用者的角度，协议设计者的 角度，半导体厂商的角度以及协议栈实现者的角度等，从而获得对i e e e 8 0 2 1 5 4 的比较完整的认识。 2 1 协议使用者的角度【删 处于由e e8 0 2 1 5 4 所构建的低速无线个域网中的用户会关心如下几个 问题：什么是网络，网络里面都有些什么角色，自己的角色是什么，与其他 交互者的关系如何，怎样与其他网络成员进行数据交换。 2 1 1 网络组件 在介绍m e e8 0 2 1 5 4 网络组件之前，下文先介绍l r - w p a n 的几个基本 概念。 每一个合法存在的l r - w p a n 都拥有一个与其他网络不同的标志符，该 标志符称为个域网标志符( p a ni d ) ，是网络的身份证明，在一个特定区域 的特定工作信道上，p a ni d 必须是唯一的。p a ni d 使用一个1 6 位的整数来 表征，其中o x o o o o 0 x f f f e 是合法标志符，而o ) 【f f f f 被认为是广播标志符。 一个具体的l r w p a n 使用一定频率范围的无线电波来传输信号，也就 是工作在特定的信道上。在同一时刻，同一信号覆盖空间( p o s ：p e r s o n a l o p e r a t i o ns p a c e ) 上，信道的访问具有独占性，也就是仅能允许一个网络设备 在信道上传输信号，否则信号就会互相影响而导致接收端解调失败。因此， 信道访问机会是一种资源。 网络使用p a ni d 来标识自己的身份，而作为网络成员的网络设备使用地 址来标识自己。每个网络成员都拥有一个全球唯一的扩展地址，该扩展地址 使用6 4 位宽度的整数来表征。在一个具体的网络里面，使用这么长的地址进 行通信是对带宽的浪费，会降低通信效率。于是协议定义了1 6 位宽度的网络 地址，使得网络通信在能够正确寻址的同时减少带宽浪费。同样的，0 x f f f f 被认为是广播地址。如果设备在加入网络时没能分配到一个合法的网络地址， 那它在以后的网络通信中就只能使用扩展地址。可见，网络地址也是一种资 源。 由上文介绍可以总结出两点：第一，特定区域中，工作信道和p a ni d 确 定一个网络；第二，信道访问机会和网络地址是一种有限资源，在网络中必 须受到管理。那么，网络成员中，谁承担了选择工作信道和p a ni d 从而建立 网络的责任，谁来尽可能公平地分配信道访问机会，谁来管理网络地址? 这 就涉及到本节所关心的网络组件的问题。 i e e e8 0 2 1 5 4 分析、实现以及应用 网络组件可以从职责和能力两个角度来考查。 从职责的角度来看，正如上文所分析的，不同的网络成员在网络中承担 不同的职责。因此网络组件从职责的角度，明确了三种角色：p a n 协调器、 协调器和终端设备。p a n 协调器是网络主协调器，是网络的建设者和管理者， 在建立网络时选择工作信道和p a ni d ，在网络运行时，一方面规划信道访问 机会，一方面为加入网络的设备分配网络地址资源。协调器是网络的一般管 理者，本身加入网络之后，能够在网络运行时为其他加入网络的设备分配网 络地址资源，同时转达p a n 协调器规划信道访问的相关信息。终端设备没有 管理权限，仅是网络通信的参与者。 为了确保能力与职责相平衡，避免一刀切而造成不必要的浪费，协议还 从能力的角度，明确了两类不同的网络设备：完全功能设备( f f d ：f u l lf u n c t i o n d e v i c e ) 和精简功能设备( 砌、d ：r e d u c e df u n c t i o nd e v i c e ) 。f f d 能够担任 所有三种角色，而i u d 仅能担任终端设备的角色。同时，为保持一致性，规 定f f d 可以与f f d 或d 直接通信，而r f d 仅允许与所连接的f f d 直接通 信，i u d 之间不能直接通信。 综上所述，i e e e8 0 2 1 5 4 的网络组件，从职责的角度，分成p a n 协调器、 协调器和终端设备三种角色；从能力的角度，分成f f d 和r f d 两类设备。这 样，用户在使用网络时，可以根据设备在网络中所担任的角色来选型，从而 降低成本。 2 1 2 网络拓扑 拓扑是网络的结构，结构是功能的载体。不同的结构，会带来网络功能 实现上的差别。协议支持星型拓扑( s t a rt o p o l o g y ) 和点对点拓扑( p e e r - t o - p e e r t o p o l o g y ) 。点对点拓扑可以衍生为树型拓扑和更为复杂的网状拓扑。 6 2 1 2 1 星型拓扑 星型拓扑如图2 1 所示。 图2 - 1 星型拓扑 第2 章i e e e8 0 2 1 5 4 协议概要 在一个星型网络中，只有p a n 协调器和终端设备两种角色。设备可以是 通信的起点( i n j t i a t i o np o 缸) 或终点( t e 肌i i l a t i o np o i n t ) ，而p a n 协调器除 了起点、终点外，还可以作为路由中继( 本网中继，或网际中继) 。p a n 协 调器持续供电，而设备可以是电池供电。在星型网络中，p a n 协调器允许多 达2 5 4 个终端设备，这已经能够满足一般的家庭、工业和医疗等场合的应用。 2 1 2 2 点对点拓扑 点对点拓扑如图2 2 所示。 p 饴卜珏p 能l - 丁o p o l o g y 图2 2 点对点拓扑 点对点拓扑能够构造簇树网络或更为复杂的网状网络，支持自组织和自 愈，并能允许多跳通信。当然，这些功能需要在网络层协议中实现，这并非 i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 的内容。有关网络层的内容，可以参考z i g b e e 协议【3 5 】。 2 1 3 数据传输 数据传输是网络的本质作用，是协议使用者最为关心的内容。协议一共 定义了三种数据传输模型：设备发送数据给协调器、协调器发送数据给设备 以及对等设备之间的数据传输。在这里要注意，设备是指与协调器连接的网 络成员，可以是终端设备，也可以是一般的协调器；而协调器可以是一般协 调器，也可以是p a n 协调器，它与“设备”形成上下级关系。对等设备可以 是两个终端设备( 要求是f f d ) ，也可以是两个一般协调器。 不同拓扑的网络，其所支持的数据传输模型是不同的：星型网络不支持 对等设备之间的传输，而点对点网络则支持全部三种传输模型。 关于数据传输的技术细节，第四章会给出详细的介绍。 7 第2 章m 髓8 0 2 1 5 4 协议概要 图2 5l e e e8 0 2 1 5 4 帧结构 2 3 半导体厂商的角度 半导体厂商根据协议设计射频兼容芯片，他们最关心的内容是物理层的 设计，而这其中又最为关心工作信道的问题，包括频率范围、调制解调技术 等。 为了适应不同地区的信道管理规定，i e e e8 0 2 1 5 4 2 0 0 6 定义了四类物理 信道，他们的特点总结在表2 1 中。 表2 1i e e e8 0 2 1 5 4 物理信道总结 p y f 弹q e 赶呵 s p r 住d 重n gp a r 量m e “ r sd a 纽p 噩孙m e t e 船 b a n d ( 舭) c h 颦r 姒e m o d n h t l o n b 魏r 曩钯 s 肿b o l 强t t ( m 珏z ) s y m b o k ( k c h i p ，s )( k b s )卫1 b d s ) 8 6 8 8 6 8 63 0 0b p s k2 02 0 b i 瑚f y 8 6 8 ，9 1 5 9 0 2 句2 86 0 0b p s k加 b i 柚r y 8 6 8 汐1 5 8 6 8 - 每酏64 0 0 a s k2 5 01 2 s2 汹i tp s s s ( q p t i 曲 9 0 2 9 2 s1 6 a s k2 5 05 05 - b 矗p s s s 8 6 8 9 1 5 8 6 8 _ - 8 6 8 。64 ( o 垃p s k 1 0 02 5 1 6 町嘶9 0 n a l ( o p t i 锄鹋 9 0 2 9 2 81 0 0 0 o - q p s k 2 5 06 2 5 1 6 - a f yo f t i 蜘g 伽菌 2 4 5 02 4 0 0 一2 4 8 3 52 0 0 0 o - q p s k 2 5 06 2 5 l 锄l yo f d l o g 锄l i e e e8 0 2 1 5 4 分析、实现以及应用 大陆地区使用全球统一的i s m 免执照2 4 g h z 频段。该频段频率范围是 2 4 0 0 m h z 2 4 8 3 5 m h z ，分成1 6 个信道，信道中心间隔5 m h z ，如图2 6 所 不o ；箭n e i s 俘2 6 _ 一卜_ s m h z p y ：e i 悄n n e l s1 一2 6 l 卜一m h z 2 0 。o 图2 62 4 g h z 频段示意图 2 鹪3 - s f ( m 嗡 2 4 g h z 频段规定的数据传输空中速率为2 5 0 k b p s ，采用0 q p s k ( o f f s e t q u a d r a t u r ep h a s es b j rk e y i n g ) 调制技术。在调制前，先将数据信号的每4 位 信息比特组成一个符号数据，根据该符号数据，从1 6 个几乎正交的伪随机序 列( p n 序列) 中选取其中一个序列作为传送序列。根据所发送连续的数据信 息，将所选出的p n 序列串接起来，使用o q p s k 调制方法，将这些集合在一 起的序列调制到载波上。调制框图如图2 7 所示。表2 2 给出了符号与p n 序列的映射表。 1 2 b 汛a d a t a f r o l n p p d u 囊如d n l a t 醐 s i 黜a l 0 一q p s k m 谳t l a l o r 图2 72 4 g h z 频段信号调制框图 第2 章e e8 0 2 1 5 4 协议概要 表2 2 符号p n 序列映射表 d 嘲s y m 蹦 d a 住s 耳吐o l 嘶h 蛞 ( b i n 置哪 ( d k 锄c l c j ec 3 1 ) ( b ob l b ：均 oo o o ol1ollo o1 llo o o ollololo ol0 0 0l0 1l 1o l lo o ol l1ol1olio olll0 0o ollololo olo o olo 2olo oo olol llo1lolto oll lo o o ollol0lo olo 3l lo oo ol0 0 0lo1llol1olio ol 1io o o ollolol 毒o oloololo ol0o ololl lol lollo ollloo o oll 5lolo0 0llololo olo o olol llolloilo ol llo o 6 ollollo oo ol lolol0 0lo o olotllol lol lo ol 7l llolo olll0 0 0 0ll0lolo ol0 0 0loll lol lol 8o o ollo o ol lo olo o1ol l0o o o o oll l0lll lotl 9lo oll0 1ll0o o1io olo olollo o o 0 0 01llol ll l ool0 l 0l1 lloll l0 0 0ll0 0lo olol lo o o oo ol ll n1 lo tol1 loll llol llo o ol lo olo olol lo o o o o 1 2o ollo o o o oll lol lllolllo o ollo ol0 0lol lo 1 3lol10ll00 0o o oll lol lllol lloo ol lo olo ol 1 4ollllo o l o ll0 0 0 0 0 0 ll lo ll1 10 lll0 0 0 llo o 1 5l lllllo ol0 ololl0 0 0 0 00lllol llloll1o o o 2 4 协议栈实现者的角度 协议栈是一个完整的软件产品。m e e8 0 2 1 5 4 协议栈必须实现协议规定 的通信、组网等无线通信方面的工作，并将合适的接口暴露给上层调用者， 使得协议栈用户能够根据提供的标准接口进行应用软件的编程。可以将协议 栈理解成射频兼容芯片的网络驱动程序，其提供的接口可以使那些不熟悉r f 技术的人员迅速上手，开发出符合i e e e8 0 2 1 5 4 规范的产品。 协议栈的实现者是软件构造者，最关心的是怎样把协议转换成基于某个 芯片的协议栈。这其中的关键是理解协议中的原语，将原语实现为合适的函 数，再使用具体的软件框架将原语函数组织起来。下面介绍原语的一些概念。 在分层的通信协议中，通常使用原语来规范层与层之间的交互。上层调 用下层的服务时，只需要遵循统一的原语规范，无需了解下层具体如何实现 该原语。这样就做到数据层与层之间的透明传输，同时提高协议栈的可移植 性。原语一般分成四种类型，如图2 8 所示。 1 3 m e e8 0 2 1 5 4 分析、实现以及应用 服务提供者 服务使用鬈( 本层) 服务使用髫 ( 上 r e q l l 嘲 c 翻田i i m 图2 8 服务原语 层) i n m c 砸 r c 叩o n 鼹 ( 1 ) r e q u e s t ：请求原语。上层使用请求原语向本层请求指定的服务； ( 2 ) c o 而肌：确认原语。本层使用确认原语响应上层发出的请求原语， 用以传送一个或多个前面请求原语的执行结果； ( 3 ) h l d i c a t i o n ：指示原语。本层使用指示原语向上层报告有重要意义的 事件，该事件可能与一个远程的服务请求有关，或者可能是由一个本层的内 部事件引起； ( 4 ) r e s p o n s e ：响应原语。上层使用响应原语响应本层发出的指示原语。 某一类原语可能包含这四种原语中的一种或多种。在m e e8 0 2 1 5 4 中， 物理层定义了6 类( 1 3 个) 原语，m a c 层定义了1 7 类( 3 5 个) 原语。下文 实现物理层和m a c 层时，将会逐个介绍这些原语的功能和实现方法。 2 5 本章小结 本章对i e e e8 0 2 1 5 4 进行概括介绍，突出其主要特点而忽略技术细节。 通过介绍可以发现，i e e e8 0 2 1 5 4 的内容非常多，其中包括很多针对特殊场 合的特性。为了深入学习i e e e8 0 2 1 5 4 并将它实现，必须对协议进行合理剪 裁，注重通用特性，剔除特殊特性。 2 5 1i e e e8 0 2 1 5 4 特点总结 i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义的l r - w p a n 网络具有如下特点： ( 1 ) 在不同的载波频率下实现了2 0 k b p s 、4 0 k b p s 、1 0 0 k b p s 和2 5 0 k b p s 四种不同的传输速率； ( 2 ) 支持星型和点对点两种网络拓扑结构； ( 3 ) 寻址采用1 6 位和6 4 位两种地址格式； ( 4 ) 信道访问采用带冲突避免的载波多路监听技术( c s m c a ) ； ( 5 ) 采用确认( a c k ) 机制，保证传输可靠性。 1 4 第2 章i e e e 8 0 2 1 5 4 协议概要 ( 6 ) 支持4 9 个信道：2 4 g h z 频段有1 6 个，9 1 5 m h z 频段有3 0 个，8 6 8 m h z 频段有3 个。 2 5 2 论文所要实现的网络特征 论文不准备实现e e8 0 2 1 5 4 定义的所有特性，而是结合实际需要剪裁 一个能够解决大部分实际问题的子集。表2 3 总结了这个子集的特性。 表2 3 论文实现的网络特征 i 技术参数 实现内容，镰名荔i 蓊 选用频段2 4 g h z 频段 数据速率2 5 0 k b p s 网络拓扑星型拓扑和点对点拓扑 通信模型非信标网络 信道访问非时隙的c s m a c a 寻址方式扩展地址和网络地址 传输模式支持全部三种数据传输模式 安全机制不支持 l e e e8 0 2 1 5 4 分析、实现以及应用 3 3 1 1c s p 协处理器 为协助c p u 对射频收发器的控制管理，c c 2 4 3 0 内部集成了一个c s p ( c s m c as t r o b ep r o c e s s o r ) 协处理器。c s p 协处理器白有一套指令集，能 够执行单条的立即指令( 称为立即模式) ，也能够执行长达2 4 个字节的批处 理程序( 称为程序模式) 。程序模式主要用来协助c p u 执行c s m 。们a 算法， 这正是c s p 协处理器名称的由来，第四章介绍c s m c a 算法实现时再介绍 c s p 的指令集以及程序模式，本节主要关注立即指令。表3 2 总结了c p u 能 够发送给c s p 协处理器的1 1 条立即指令。 表3 2c s p 协处理器立即指令 擎指令名称7操作码，一嘲电jj ，j 辫魏影t 辫麓镶i ：2 臻i 獭 i s s t o po x f f s t o pp r o g r a me x e c u t i o n i s s t a r t0 x f e s 伽p r o 鲈锄e x e c u t i o n i s t x c a l no x e le n a b l ea n dc a l i b r a t e 舶q s 叫h f o rt x i s r x o n0 x e 2e n a b l ea n dc a l i b r a t ef r e q s y m h f o rr x i s t x o n0 x e 3e n a b l et xa n e rc a l i b r a t i o n i s t x o n c c a0 x e 4e n a b l ec a l i b r a t i o na n dt xi f c c ai i l d i c a t e sac l e a rc h 栅e l i s r f o f f0 x e 5 d i s a b l er x t xa n df r e q s y n m i s f l u s h r x0 x e 6 f l u s h j ( f i f ob u 妇f e ra i l dr e s e td e m o d u l a t o r i s f l u s h t x0 x e 7 f h l s ht x f i f ob u 妇e r i s a c ko x e 8 s e n da c l ( n o w l e d g ef a m ew i t h p e n d i n gf i e l dc l e a r e d i s a c k p e n do x e 9 s e n da c k n o w l e d g ef 锄e w h e np e n d i n gf i e l ds e t c p u 正是通过这些立即指令来控制射频收发器的，例如，c p u 发送指令 i s i o n 给c s p 协调器将使r a d i o 工作在接收模式，发送i s t x o n 则使r a d i o 工作在发送模式，而发送i s i 讧o f f 则会关闭射频收发器。可见，通过c s p 协 处理器，c p u 对射频收发器的控制变得非常简单方便，在提高c p u 的处理能 力的同时，降低了c p u 的指令周期耗费。 3 3 1 2 射频数据缓冲区f i f o i e e e8 0 2 1 5 4 定义的物理层数据包中，除去4 个字节的前导码序列( 3 2b i t s 0 ) ，一个字节的帧起始定界符( s f d ：s t a no f f r a m ed e l i m i t e r ，值为o x a 7 ) 以及一个表征物理层服务数据单元( p s d u ：p h ys e n ，i c ed a t au n i t ) 长度的 字节，最长还剩下1 2 7 字节。即p s d u 的最大长度为1 2 7 字节。因此，c c 2 4 3 0 为碰。准备了长度皆为1 2 8 字节的发送、接收射频数据缓冲区，分别称为 t x f i f o 和r x f i f o 。 访问f i f 0 可以通过i 强d 寄存器( 地址：0 x d 9 ) 来完成。读取r f d ，则 r x f i f o 中的数据按字节输出；写i u d ，则数据按字节被写入f i f o 。立即 指令i s f l u s h t x 和i s f l u s h r x 可以用来清空t x f i f o 和船( f i f 0 。 射频收发器将接收到的数据包存储到i 下i f o 中，c p u 通过寄存器i 强d 第3 章物理层的实现 即能获取数据包：如果c p u 要发送数据包，则需要先将数据通过i 江d 写入 t x f i f o 中，然后使用c s p 协处理器指令要求射频收发器发送数据包。这里 有两点需要注意：一是t x f i f o 中只能存放一个p s d u ，而阳( f i f o 中可以存 放多个p s d u ，只要他们的总长度不超过1 2 8 个字节。二是i u d 寄存器，作 为c p u 与t i f o 、r x f i f o 的接口，它的读、写逻辑地址是相同的，都是 0 】【d 9 ，但它的读、写物理地址是不同的。 对射频收发器接收到的数据包，c p u 只有将他们从f i f o 中搬运到数据内 存区后才能灵活使用。但使用c p u 来搬运数据需要占据c p u 时间周期，将会 降低c p u 的工作效率。为此，c c 2 4 3 0 提供一个强大的d m a ( d i r e c tm e m o r y a c c e s s ) 模块，并专门配置一个l 己a d i o 触发事件，以协助c p u 处理f i f o 数据 搬运。 3 3 1 3d m a 模块 d m a 功能由d m a 控制器处理。d m a 用于在内存之间搬运数据。c