（计算机应用技术专业论文）基于zigbee无线电表集抄系统设计.pdf

摘要 z i g b e e 是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的 无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它依据8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微 小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的 方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效 率非常高。在楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。 z i g b e e 技术在户用计量仪表组网、建立无线自动抄表系统的应用中，具有 很好的市场前景，但是还友很多具有挑战性的问题需要解决。其中包括z i g b e e 协议栈的实现问题、网络的组织模式的设定，各层协议的节能机制等问题。本 文着重于整个网络的实现，对优化网络的性能问题不作进一步的研究。 g p r s 无线网络技术是目前成熟的技术，由于无需布线、使用安装方便、成 本低、监控不受距离、地域、时间的限制，适合批量小数据量的传输，所以广 泛的用于远程的无线抄表领域。利用2 1 g b e e 做为局部的无线组网方式，而利用 g p r s 作为远程豹无线数据传输方式，这样就实现了局部无线到远程无线的连 接。 在这种背景下，本文选择了基于z i g b e e 网络无线电表集抄系统设计为主要 研究方向，归纳起来，主要的研究工作包括； z i g b e e 网络无线电表集抄系统设计中硬件方案的选择及主要硬件电路的 实现；应用层数据传输格式应该遵守的规约；z i g b e e 协议中数据结构的组织和 组网技术；讨论了一些网络路由算法的可用性、面临的问题和改进；给出了终 端设备的程序流程和网关设备的程序流程。总结并讨论后继的研究工作。 关键字：z i g b e e 协调器m e s h n 络路由算法 a b s t r a c t z i g b e ei san e wg l o b a ls t a n d a r df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w - c o s t ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wd a t ar a t e t h ez i g b e ep r o t o c o lb a s e do n8 0 2 1 5 4s t a n d a r dw i 儿b ee m b e d d e di n t h o u s a n d so fs e n s o r s ，w h i c hc a nc o m m u n i c a t ee a s i l yw i t h p o w e r e f f i c i e n t i th a sag o o dm a r k e ti nb u ii d i n ga u t o m a t io na n d i n d u s t r i a lc o n t r o l s z i g b e et e c h n o l o g yi su s e da d a p t i v e l yi nw i r e l e s sm e t e rr e a d i n g s y s t e m h o w e v e r ，t h ep r o b l e m so fp o w e rs u p p l y ，i m p l e m e n t i n gz i g b e e s t a c ka n dc o o r d i n a t i o no fe n e r g y s a v i n gm e c h a n i s ma ta 1 1l e v e l sa n dt h e a u t o m a t i cn e t w o r kf o r m a t i o n ，n e e dt ob es o l v e di no r d e rt oe s t a b l i s h as y s t e mb ym e a n so fz i g b e e t h i sa r t i c l e1 4 u t se m p h a s i so nh o wt od e s i g n t h ew h o l es y s t e ma n dh o wt oo r g a n i z et h es o f t w a r e g p r st e c h n o l o g yi sam a t u r et e c h n o l o g y i th a sb e e nu s e dw i d e l yi n r e m o t ew i r e l e s sd a t at r a n s f e r i ti se a s yt oi n s t a l la n dl o w c o s t a n d t h es y s t e mi sn o1 i m i to ft i m e ，a r e aa n dd i s t a n c e ，a n dn ou s eo fw i r e s w eu s et h ez i g b e ei nl o c a ln e t w o r kt ot r a n s f e rd a t aa n dg p r st ot r a n s f e r d a t ai nw i d ea r e an e t w o r k u n d e rt h e s ec i r c u m s t a n c e s ，t h ed e s i g no fz i g b e ew i r e i e s se l e c t r o n i c m e t e rr e a d i n gs y s t e mi sm ym a i nt a r g e t t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h e p a p e ra r ea sf o l l o w ： i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o rd e s c r i b e sh o wt oc h o o s eh a z d w a r ea n d d e s i g nt h em a i nc i r c u i t ，t h ec o n f i g u r a t i o nt h a tt h ed a t af o r m a ts h o u l d o b e yi na p p l i c a t i o nl a y e r ，t h eo r g a n i z a t i o no ft h ed a t as t r u c t u r ei n e a c hl a y e r m e a n w h i l et h ea u t h o rd i s c u s s e st h eu s a b i l i t yo ft h er o u t i n g a l g o r i t h u m ，p o i n t so u ts o m ep r o b l e m si nu s i n gt h er o u t i n ga l g o r it h u m ， g i v e ss o m es u g g e s t i o no nh o wt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h e a l g o r i t h u m s a f t e rt h a tt h ea u t h e rd i s c u s s e st h ep r o g r a mf l o wc h a r to f t h ee n d d e v i c ea n dt h ez i g b e e g p r sg a t e w a y a tl a s t ，t h ea u t h o r s u m m a r i z e st h er e s u l to fs o m ee x p e r i m e n t sa n dp u t sf o r t ht h ef u t u r e w o r k k e yw o r d s ：z i g b e e ，c o o r d i n a t o r ，r o u t i n ga l g o r i t h m 3 1 前言 1 。1 课题研究背景 随着自动化和测量技术的飞速发展，小区的智能化的提高，人们在工作、 生活、家居条件的智能化水平越来越高，将室内计量仪表中数据自动抄收已逐 渐成为人们追求的目标。同时，对于公用事业部门，也希望新技术的发展能够 解决他们实际工作当中遇到的抄表难、收费难、准确性和及时性得不到可靠的 保障的问题。从而实现既方便用户，又提高公用事业部门的工作效率、管理水 平。 现存的有线抄表系统存在众多的隐患，线路比较复杂不利于系统的调试和 维护，如果长期安装在室内外，容易引起线路的老化，存在短路，断线的危险。 基于上述原因，设计一种长期稳定可靠、安装维护方便，不但可以抄读表数据 而且可以监控表的运行状态的远程抄表系统，已经成为业内亟待解决的问题。 目前已有许多开发成功的无线拶表系统，掌上超表器，以及抄表车。 随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要 求的技术，称之为z i g b e e ，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、 低成本的双向无线通信技术。主要用于近距离无线连接，主要应用领域包括工 业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。这项 技术的核心是i e e e8 0 2 1 5 4 2 1 2 作组制定，高层应用、互联互通测试和市场推 广由2 0 0 2 年组建的z i g b e e 联盟负责。到目前为止，z i g b e e 联盟的成员已经达 到了1 5 0 多家，成员包括了像i b m 、e m b e r 、日本三菱、摩据罗拉公司以及荷兰 飞利浦半导体公司等世界上著名的公司，新增加中国华为技术有限公司：众多 的半导体商瞄准了z i g b e e 的市场，刚推出标准不久，符合协议标准的芯片就已 经面市，有多芯片解决方案，也有单芯片解决方案。可以预计，z i g b e e 将在自 动化领域有广泛的应用。 目前已有许多开发成功的无线抄表系统，但是z i g b e e 的优良性能、极低的 功耗、高集成度和低价位，具有非常强大的市场竞争能力。同时，作为一个全 新的标准，将其应用于自动抄表系统将会面临诸多问题。对这些问题的研究和 探讨是本项目的动力之一。 本项目基于2 0 0 5 年上海市“联盟计划”资助项目远程电表管理系统中的通 信方案及其实现，由上海师范大学经贸公司和上海英孚特电子技术有限公司 实施。我参加了项目中的设计工作和部分实现工作，实现的工作包括：z i g b e e 网络层接口开发，z i g b e e 网络动态组网，简单沿树路由算法。 1 2 现有抄表方式 目前国内外抄表的主要方式有：人工抄表、i c 卡预付费表、有线抄表系 6 统及无线抄表系统。 人工抄表已有几十年，随着一户一表的实施，这种抄表方式的弊病也越来 越多，入户难，管理部门收费结算难，抄表的强度也越来越大，手工结算，误 差大，效率低等。随着电子技术的发展， i c 卡预付费表，它采用先付费后使用的方式对管理部门较为有利，同时不 需要现场抄表，部分解决人工抄表的问题，但实际操作过程中也存在一些问题： i c 卡表直接与用户接触，易造成人为破坏不能及时监控，未能完全解决盗用及 表具损坏、故障问题。 有线抄表控制系统具备i c 卡表的优点，同时充分利用电话网络，电力线网 络、闭路电视网、r s 一4 8 5 总线网。可实现实时抄表、实时监测、实时控制，可 检测出设备破坏、非法使用等。但是也存在一些问题：涉及布管问题、穿线问 题，故需要预先设计。施工周期长、工程安装成本及维护成本高。系统的扩展 升级和与其他网络的兼容等问题。 无线抄表是指采用近距离无线通信技术和计算机网络等技术自动读取和 处理表计数据。用无线自动抄表技术，不仅能节约人力资源，更重要的是可提 高抄表的准确性、实时性，使管理部门能及时准确获得数据信息。无需架设电 缆，节省了人力物力，投资是相当节省的。无线的方式可迅速建起通信链路， 工程周期大大缩短。相比有线系统有更好的扩展性。出现故障时，只需维护无 线数据模块，能快速找出原因，恢复系统正常运行。 1 。3 基于z i g b e e 无线抄表的意义 z i g b e e 技术作为无线抄表的技术载体，有重要的意义，它能够实现无线抄 表系统的优点，还具有一些特有的优点： z i g b e e 技术能够很好地支持网络的自组织功能：无需人工干预，网络节点 能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；抄表网络具 有自组织功能。 z i g b e e 技术能够很好地支持网络的自愈功能：增加或者删除一个节点，节 点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结 构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个抄表系统仍然能正常工作。 z i g b e e 技术最显著的技术特性是低功耗和低成本。能够使整个抄表网络在 相对长的时间内保持稳定。 z i g b e e 技术还在不断的发展和完善，从硬件和协议上保证节点间的通讯高 可靠性。 1 4 系统架构 图1 1 系统架构图 如图1 t 所示。本系统描述的是，在一个局部范围内采用z i g b e e 的无线数 据传输技术，把电表数据收集到一个z i g b e e g p r s 网关中，然后借助g p r s 远程 的无线通讯技术，把获得的数据信息送到远程的服务器，同时，远程的服务器 可访问和控制任何一个在z i g b e e 网络中的设备，来实现远程控制等功能。 本抄表系统包括：终端模块，网关模块和远程服务嚣三部分。 l 、终端模块 终端模块育两种，一种是外置的，这种模块通过4 8 5 总线接口与用户的电 表直接通讯。一种是内置的模块，这种模块集成到电表的内部直接通过串曰与 电表模块通讯。要遵守的通讯规约可根据参考文献 2 4 ，模块的主要任务有 两个，第一是是完成电表数据的读和写，存储在本地，然后等待时机把获得的 数据再通过无线信道发送到网络当中，第二个任务是，接收网络中的信息，如 果本节点是一个网络中的路由节点，还要负责网络中信息的路由。 2 、网关模块 此模块是整个网络的发起者，管理整个网络的深度，整个网络的规模，存 储有z i g b e e 网络中各个节点的信息。担当z i g b e e 网络中的协调器的脚色，主要 任务就是收集z i g b e e 网络中各个节点发出的信息，存储本地，经过处理后，通 过g p r s 模块把数据发送到远程服务器上。同时，能够接收和解析从远程服务器 上传来的命令信息，来控制整个的z i g b e e 网络。 3 、服务器 远程服务起能够上网，有数据库管理系统，接收分析来自从网关模块的信 息，同时，能够通过网络发出命令信息，被网关模块接收。主要功能就是，数 据存储和接收，远程控制。 1 5 系统功能 设计的整个系统的主要功能如下： 终端节点能够正常写、读电表数据。 内置终端模块能够与电表模块通过u a r t 通讯，外置终端模块能够与电表通 过r s 4 8 5 总线通讯，要遵守的规约可参考文献 2 4 ，能够正确读写电表中的数 据。 建立的z i g b e e 网络具有自组织、自愈功能。 在建立的z i g b e e 网络中，网络中的各个节点的加入或退出整个网络，自动 形成网络的拓扑结构，无需要人工的干预，节点具有路由功能等。 向服务器发送电表的数据 网关节点收集的网络终端节点传来的数据，可以指定互联网域名或i p 地 址，把数据发送到该服务器。 电表数据的服务器管理 w e b n 务器接受到网关节点发来的数据后按照日期时间、等信息把数据保 存到数据库中，设计的w e b 页面从数据库中动态提取数据并显示出来。用户可 以从任何可以登录到i n t e r n e t 的p c ，通过u r l 查看数据。 对整个z i g b e e 网络节点的控制 通过网关节点和远程的服务器，都能够对网络中的节点进行状态的查看和 完成相应的控制操作。 1 。6 技术难点 本系统的技术难点主要包括 1 ) z i g b e e 网络的组网技术 2 ) z i g b e e 网络的路由算法 1 7 论文的主要工作和内容组织 1 、介绍项目的背景、系统的功能和技术的难点。 2 、分析相关的协议并与z i g b e e 相比较分析，详细分析z i g b e e 技术的物理 层、媒体访问控制层、网络层、应用层等各层协议。 3 、描述关键硬件的选型，主要硬件电路的实现。 4 、给出了无线电表集抄系统应用层数据传输格式应该遵守的规约。 5 、剖祈软件的设计思想，z i g b e e 协议的各层次数据结构的组织，组网技 术讨论了网络的一些路由算法，可用性，面临的问题和改进，给出了终端设 备的程序流程和网关设备的程序流程。 6 、分给出本设计已经完成的部分，并对结果进行了分析。 7 、主要结论和后续工作。 2 协议介绍 2 1 无线通讯相关协议 目前常用的无线网络标准主要有i e e e ( t h ei n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ) 所制定的8 0 2 1 l 标准( 包括8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 1 b 及 8 0 2 1 1 9 等标准) ，蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准以及h o m e r f ( 家庭网络) 标准等。 每个技术都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求：或 着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别要求；各种短距离无线通信 技术都在争取成为市场标准。 2 1 1 8 0 2 1 l 标准技术 在1 9 9 7 年，i e e e 发布了8 0 2 1 l 协议，这也是在无线局域网领域内的第一个 国际上被认可的协议。8 0 2 1 1 标准经过一段时间的发展，分别产生了几个不同 的扩展标准，目n 8 0 2 1l b a g 标准簇，它们在技术和性能上各有差异。准簇工 作在2 4 g h z 或5 g h z 非许可证频段上，而在2 4 g h z 频段上，在物理层的传输技 术上，有两个选择，即：直接序列扩频( d s s s ) 和跳频扩频( f h s s ) 。 他们主要针对工作和应用的场合不同而提出来的。 8 0 2 1 1 a 标准是已在办公室、家庭、宾馆、机场等众多场合得到广泛应用 的8 0 2 1 l b 无线联网标准的后续标准。它工作在5 g h z u n i l 频带，物理层速率可 达5 4 m b s ，传输层可达2 5 m b p s 。可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口和1 0 m b p s 的以太 网无线帧结构接口，以及t 叩t d m a 的空中接口；支持语音、数据：图像业务； 一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。i e e e 8 0 2 1 l b 是一种 1 1 i b $ 无线标准，可为笔记本电脑或桌面电脑用户提供完全的网络服务。 i e e e 8 0 2 1 l g 可以看作是i e e e 8 0 2 1 l b 的高速版，但为了实现5 4 m b i t s 的传输速 度，l l g 采用了与l l b 不同的o f d m ( 正交频分复用) 调制方式，它支持5 4 m b p s 的传输速率。 标准是根据用户的移动需求而出现的。较之有线局域网，无线局域网有以 下优点：用户可移动性、便捷与快速建网、组网的灵活性、低成本等。主要针 对高速无线，适合传输视频，e m a i l ，w e b h 艮务等。 2 1 1 2h o m e r f h o m e r f 无线标准是由h o m e r f i 作组开发的，旨在使计算机与其他电子设备 之间实现无线通信的开放性工业标准，由于h o m e r f 网络没有密码因而它的安全 性较差，且它的抗干扰能力很差：而z i g b e e 技术和蓝牙技术都属于i e e e s 0 2 1 5 协议，在一定的范围内有重叠，但其各自的技术特点决定了其应用的侧重点仍 有j 良大的不同，z i g b e e 作为一种低功耗、低数据速率、低成本的技术，更适 合于家庭自动化、安全保障系统及进行低数据率传输的低成本设备之间，而蓝 牙更适合于语音业务及需要更高数据量的业务，如移动电话、耳机等。 2 1 3 蓝牙技术 技术主要面向网络中各类数据及语音设备，通过无线方式将它们连成一个 微微网( p i c o n e t ) ，多个微微网之间也可以互连形成分布式网络( s c a t t e r n e t ) ， 从而方便、快速地实现各类设备之间的通信。它是实现语音和数据无线传输的 开放性规范，是一种低成本、短距离的无线连接技术。 其技术特点主要有： 采用跳频扩谱技术搞干扰和衰落，并采用快跳频( 跳频速率达1 短分组及 快速等方法进一步于扰和衰落，提高传输的可靠性 采用快跳频和短分组技术，减少同频干扰，保证传输的可靠性； 采用前向纠错编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响； 使用2 4 g h z 的i s m 频段，无须申请许可证； 采用f m 调制方式，降低设备的复杂性。该技术的传输速率设计为l 姗z ， 以时分方式进行全双工通信。 其基带协议是电路交换和分组交换的组合。一个跳频频率发送一个同步 分组，每个分组占用一个时隙，也可扩展到5 个时隙。 从物理层、链路层和业务层三方面提供安全措施，保密性好。 蓝牙技术具有强大数据通讯优势，主要针对的是数据交换及语音信号传 输，的在于建立无线电话与p c 卡、耳机及桌面设备等的连接。由于蓝牙技术可 将移动电话j 便携式计算机以及其它手持设备连接起来，还可以应用到几乎所 有具有开关功能的设备中。 2 。1 4z i g b e e 技术 z i g b e e 技术是主要应用于自动控制的一种近距离、低复杂度、低功耗、低 数据速率、低成本的双向无线通信技术。它主要工作在2 4 g h zi s m 频段，数据 速率为2 0 2 5 0 k b i t s ，最大传输范围在1 0 7 5 m ，典型距离为3 0 m 。 技术特点是： 安全性：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 a e s 一1 2 8 ，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 可靠性：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了 专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。m a c 层采用了完全确认的数 据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 成本低：模块的初始成本估计在6 美元左右，很快就将降到1 5 美元到2 5 、美元之间，且z i g b e e 协议是免专利费的； 省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式， z i g b e e 技术可以确保两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时 间，当然不同的应用功耗是不同的。 网络容量大：个z i g b e e 网络可以容纳最多6 5 5 3 6 设备。 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的 时延都非常短。设备搜索时延典型值为3 0 m s ，休眠激活时延典型值是 1 5 m s ，活动设备信道接入时延为1 5 m 8 。 z i g b e e 主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子 设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据( 如传感器数据) 、间歇性数据 ( 如照明控制) 和重复性低反应时间数据( 如鼠标) 。 由于蓝牙与z i g b e e 同属于8 0 2 1 5 协议且在技术特点上有许多相似点，在 它们之间作一个比较。 特性z i g b e e 蓝牙 工作频段2 4 g h z 、8 6 8 9 1 5 m h z 2 4 g h z 数据速率2 5 0 k b it s 1 m k bit s 通信范围1 0 7 5 m = 3 s 信道接入 c s m a c a轮询答复 纠错机制差错检测重传前向纠错 蓝牙的传输距离小于1 0 米，这在大一点的网络中是一个极大的障碍，因而 很难构成无线通信网络，而z i g b e e 的最大传输范围在1 0 7 5 米，非常适合网络 的建立；其次，在一个蓝牙网络中最多可容纳8 个节点，而一般网络中需要更 多个设备节点，而z i g b e e 可容纳2 5 5 个节点；最后，蓝牙模块的成本较高，此 外蓝牙的功耗与z i g b e e 相比要大很多，而z i g b e e 则成本低廉，而且其功耗极低。 虽然蓝牙的传输数据速率要大过z i g b e 8 ，但z i g b e e 的2 5 0 k b i t s 传输速率在抄 表网络中己足够使用，因而最终选择了z i g b e e 技术。 2 , 2z i g b e e 协议介绍 2 2 1 协议的架构 完整酗 z i g b e e 协议由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和 物理层组成。如图2 1 所示，网络层以上协议h 自z i g b e e 联盟制定，i e e e 8 0 2 1 5 4 负责物理层和链路层标准。见参考文献。 1 。 图2 1 协议架构 2 2 2 物理层 物理层定义了物理无线信道和m a c 子层之间的接口，提供物理层数据服务 和物理层管理服务。物理层数据服务主要完成的功能有：激活体眠无线收发 设备，对当前频道进行能量检测，链路质量指示、载波检测多址与碰撞避免 ( c s m a c a ) 进行空闲频道评估、频道选择。数据的发送及接收。 1 ) 工作频段和数据速率 i e e e 8 0 2 1 5 4 定义了两种物理层标准提供选择，不过都是基于直接序列扩 频技术，分别是2 4 g h z 物理层和8 6 8 9 1 5 m h 物理层。使用相同的物理层数据包 格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码长度和传输速率。 2 4 g h z 波段为垒球统一的无需申请的i s m 频段，有助于z i g b e e 设备的推广 和生产成本的降低。2 4 g 舷的物理层通过采用高阶调制技术能够提供2 5 0 k b s 的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期， 从而更加省电。 9 1 5 m h z 是美国的i s m 频段，8 6 8 m h z 是欧洲的i s m 频段，这两个频段的引入避 免了2 4 g h z 附近各种无线通信设备的相互干扰。8 6 8 m h z 的传输速率为2 0 k b s ，9 1 6 m h z 是4 0 k b s 。由于这两个频段上无线信号传播损耗较l ，j 、，因此可以降 低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备 覆盖给定的区域。 2 ) 调制和扩频 在8 6 8 m i ( z 和9 6 5 m k z 这两个频段上，虽然数据的速率不同，但是信号处理过 程相同，处理的过程如图2 3 所看到的。首先将物理层协议数据单元( p h y p r o t o c o ld a t au n i t ) 的二进制数据差分编码，然后将差分编码后的每一个位 转换长度为1 5 的片序列，如表2 2 所看到。最后使用b p s k 调制到信道上。 。簧碉一再万i t 羽t l i 。- t l t l 一年b p s k 鼬习 叫差分编码器十一一叫。十一一叫蚪。 图2 28 6 8 9 1 5 m k z 频段调制过程 差分编码是将数据的每一个原始比特与前一个差分编码生成的比特进行 异或运算。e n = r n $ 曲r l ，其中h 是差分编码的结果，r n 为要编码的原始比 特位，h - 1 是上一次差分编码的结果。对于每个发送的数据包，r l 是第一个 原始比特，计算e 1 时假定e 0 = 0 ；解码过程与编码过程类似：融= e n $ e n _ l ， 对于每个接收的数据包，e 1 为第一个需要解码的比特，计算e 1 的时候假设e o = o 。 表2 1 比特一片序列转换表 输入比特片序列值( c oc i c 3 1 ) 0儿1 1 0 1 0 11 0 0 1 0 0 0 10 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 i l 2 4 g 物理层调制及扩频功过程如图2 3 所示，首先将p p d u 的二进制数据中 每4 位转捷为一个数据符号，然后将每个符号转化成长度为3 2 的片序列。如表 2 2 所示。数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术( o - q p s k ) 调制。对偶数序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制。 。荨一寡f 蒸习殳+ 转换 - 广一列转换r 1 调制 广一。+ 图2 42 4 g 频段调制过程 表2 2 符号3 2 位码片转换表 数据符数据符号 数据码片 号( 十( 二进制) 进制) 00 0 0 01 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 l o l o l 0 0 1 0 0 0 1 0 l l l o l i 0 0 01 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 l o l 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 20 1 0 00 0 1 0 11 1 0 1 1 0 1 i 0 0 1n 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 31 1 0 00 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 o o l 00 1 0 1 0 0 i 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 l 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 l 1 0 0 40 1 1 01 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 l 51 1 1 01 0 0 l l l 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 6 0 1 l o1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 71 l l o1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 11 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 8 0 0 0 11 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 】1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 l 91 0 0 ll o l l l 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 l o l l 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 00 1 0 l0 l l “0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 儿l 1 11 1 0 10 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 i i 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 20 0 1 l 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 31 0 1 10 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 l 1 40 1 1 11 0 0 l i l l o o o o o o l l l o l l l l o 儿1 0 0 0 1 l o o 1 51 1 l l 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 i 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 3 ) p p d u 格式 p p d u 报文数据由用于数据流同步的同步头( s h r ) 、含有帧长度信息的物理 层报头( p h r ) 以及承载有m a c 帧数据的净荷组成。具体结构如表2 3 所示。 表2 3p p d u 格式 4 - 7 节1 字节1 字节 长度可变 前导码帧定界帧长度保留位p s d u ( p r e a m b l e ) 符s f d 同步头 物理帧头p h y 负载 物理帧的第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会 根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧定界符用来标识同步域的结 束及报文数据的开始，其固定值为0 x a 7 ，帧长度由一个字节的低7 位表示，其 值就是物理负载的长度，物理层数据域长度根据情况可变，p s d u 承载了物理层 报文数据。 2 2 3m a c 层 i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护和 结束；确认模式的帧传送与接收：信道接入控制；帧校验；预留时隙管理：广 播信息管理。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。这两个服务为网络层和物 理层提供了一个接口。灵活的m a c 帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需 要，同时也保证了协议的简洁。图2 5 描述了 i a c 子层组成及接i z ! 模型。 图2 5m a c 子层组成与接口模型 i e e e 8 0 2 1 5 4 基本上是应用c s 姒c a 方式竞争信通其中可以分为有信标 网络( b e a c o n - e n a b l e dn e t w o r k ) 与无信标网络( n o n b e a c o n e n a b l e dn e t w o r k ) ； 无信标网络的协调器( c o o r d i n a t o r ) 一直处在听的状态，在装置要回传信息时 会先彼此竞争，等通知协调器后，再传送资料给协调器。而有信标网络中，含 有超帧( s u p e r f r a m e ) 的结构，其固定将包含信标及超帧分为1 6 个时隙 ( s l o t s ) ，超帧持续时间( s u p e r f r a m ed u r a t i o n ) 与信标间距( b e a c o n i n t e r v a l ) 依照协调器使用信标级数( b e a c o no r d e r ，b o ) 及超帧级数 ( s u p e r f r a m e o r d e r ，s o ) 来控制，彼此关系是0 三s o 三b o 三1 4 ，如此可限制超 帧持续时间会小于等于信标间距；协调器发送信标，除了用作同步化外，也包 含网络相关信息等；超帧以有无使用保证时隙( g u a r a n t e e dt i m es l o t s ) 来区 别，有保证时隙的超帧可分成两部分，一是竞争存取周期( c o n t e n t i o na c c e s s p e r i o d ，c a p ) ，另一是无竞争周期( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) ，而无保 证时隙的超帧则全都是c a p 。如此可限制超帧持续时间会小于等于信标间距； 协调器发送信标，除了用作同步化外，也包含网络相关信息等：超帧以有无使 用保证时隙( g u a r a n t e e dt i m e s l o t s ) 来区别，有保证时隙的超帧可分成两部 分，一是竞争存取周期( c o n t e n t i o n a c e e s sp e r i o d ，c a p ) ，另一是无竞争周期 ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) ，而无保证时隙的超帧则全都是c a p 。 1 ) 超帧结构 超帧结构( s u p e r f r a m es t r u c t u r e ) 在i e e e8 0 2 1 5 4l r w p a n 是属于选 择使用的部份。其格式是由网络中的协调器( c o o r d i n a t o r ) 来定义，而超帧结 构的大小边界是由网路中的信标所设定，一个超帧结构包括了1 6 个相同大小 的时隙。在网络中的任何设备要做通讯时，会在竞争存取周期( c o n t e n t i o n a c c e s sp e r i o d ，c a p ) 采用s l o t t e dc s m a c am e c h a n i s m 去对频道做竞争。 超帧结构( s u p e r f r a m es t r u c t u r e ) 还包含了另一部份叫做无竞争周期 ( c o n t e n t i o nf r e ep e r i o d ，c f p ) ，在这部份我们叫做保证时隙( g u a r a n t e e d t i m e s l o t s 广g t s s ) ，采用预先请求的方式，让在c f p 中配置到g t s 的设备可 以不用竞争就可以直接传送。表2 6 为有保证时隙超帧结构。第一个g t s 有时槽 儿一1 3 构成，第二个g t s 有时槽1 4 ，1 5 构成，每个g t s 的时槽都指定分配了时槽 申请设备，因而不需要竞争信道。 表2 6 超帧结构 信标帧 竞争访问时段 非竞争时段不活跃时段信标帧 ol2345 6 1 11 21 31 4 1 5 2 ) 数据传输模式 在l r - w p a n 网络中有三种数据传输的模式：协调器发送数据到设备，设备 发送数据到协调器，对等设备之间的数据交换。对于星型拓扑网络中只存在前 两种数据传输方式，因为数据只在协调器和设备之间交换，而在点对点的网络 网络拓扑结构中，三种数据传输方式都存在。有两种通讯模式可以选择：一种 信标使能的网络，一种是信标不使能的网络。 a 数据传到协调器 在信标使能方式( b e a c o n - e n a b l en e t w o r k ) 中，器件必须先去取得信标 ( b e a c o n ) 来与协调器同步，之后使用开槽载波检测多址与碰撞避免( s l o t t e d c s 淞c a ) 方式传送资料。在非信标使能方式( n o nb e a c o n e n a b l en e t w o r k ) 中，器件简单的利用无槽载波检测多址与碰撞避免( u n l o t t e dc s i a c a ) 来传送 资料。数据传到协调器的流程如图2 6 所示。 数据 广黼一专( 司选)1 阿眄网 卜器叫数据帧。； 一一一一一- 卜q 糌一 ( 可逸) 在信标不使能的网络中 信标使能的网络中 图2 6 数据传输到协调器 b 数据从协调器传出 在信标使能方式( b e a c o n e n a b l en e t w o r k ) 中，协调器会利用信标 ( b e a c o n ) 中的字段来告知有资料要传送。而终端器件则是周期性的监听信标， 如果自己是协调器传送对象，则该器件利用开槽载波检测多址与碰撞避免 ( s l o t t e dc s m a c a ) 将m a c 命令请求控制信息传给协调器。 在非信标使能方式( n o nb e a c o n - e n a b l en e t w o r k ) 中，终端器件利用无槽 载波检测多址与碰撞避免( u n l o t t e dc s m a c a ) 传送m a c 命令请求控制信息给 协调器，若协调器有数据要传送，则利用u n s l o t t e dc s m a c a 方式将资料给 送出。 数据从协调器传出的流程如图2 7 所示。 醒叵困 一焦盛帧，； 。数据请塞蝮一 l 一确丛噬一0 1 塑堡蝗一 o 一煎丛塑 l 图2 ，7 数据从协调器传出 c 对等数据的传输 在点到点的网络中，每个设备在传输的无线范围内，能与任何设备通讯。 为了保证通讯的有效性，这些设备需要保持持续接收状态或者通过某些机制实 现彼此同步。如果采用同步方式，需要采取其他措施来达到同步的目的。超帧 在某种程度上可以用来实现点到点通讯的同步，前面提到的g t s 监昕方式，或 者在c a p 期间进行自由竞争通信都可以直接实现同步的点到点的通讯。 1 8 3 ) 姒c 层数据帧格式 每个m a c 帧都有帧头( m a ch e a d e r ，m h r ) 、负载和帧尾( m a cf o o t e r ，m f r ) 三部分组成，具体的数据格式如表2 7 所示，包括下面的几个部分。 表2 7m a c 帧结构 节：2 ：llo 2；o ，2 ，8 ；o 2o 2 8 ：w 褒1 2 糌璐 珏谚i 绮雾魂白l 媲孙根荷l 。 艇控制 挣衙能梭彀 母 地址域 ic k ! 醢曼 ； ! 一，一一一j 一、! j 帧控制域： 有1 6 b i t s 长度，定义了帧类型、地址域及其它控制标志。帧控制域如表2 8 所示。 表2 8 帧控制域格式 蜒：0 - 2 3d567 - 9l p “1 2 一1 31 4 - 1 5