第一章 物联网基础理论实验

物联网基础理论实验
物理层数据包结构
SHR、PHR和PSDU共同构成了物理层的数据包（PPDU）。
表1 PPDU数据包结构表 4字节 前同步码 1字节 帧定界符 1字节 帧长度 （7 比特） 预留位 （1比特） 变量 PSDU
物理层净荷
同步包头
物理层包头
(1)前同步码：在802.15.4标准协议中，由32个二进制数组成。 (2)帧定界符：表示前同步码的结束和数据包的开始，为给定十六进制值0xE7。 (3)帧长度：表示PSDU包含的字节数（净荷数），值在0~aMaxPHYPacketSize 之间。不同帧长度值所对应的净荷类型不同，0~4为预留、5为预留、6~7为 MDPU（确认）、8~aMaxPHYPacketSize为MDPU。 (4)物理层服务数据单元PSDU：长度是可以变化的，如果数据包的长度为5个 字节或大于8个字节，那么，物理层服务数据单元携带MAC层的帧信息。
在MAC层中设备地址有两种格式：16位短地址和64位扩展地址。短 地址是设备与PAN网络协调器关联时，由协调器分配的网内局部地址； 扩展地址是全球惟一地址，在设备入网之前就分配好。在实验中，主节 点的短地址为0x0000，第一个从节点的短地址为0x0001。增加从节点时， 每一个短地址都自动被分配比上一个增加 0x0001。0xFFFF代表广播传输。 当从节点接收到其他节点发送过来的数据时，首先将目的PAN标识 符取出进行分析，如果是自己的地址或是广播信息，则将该帧中的数据 接收；若不是，则将该帧转发或丢弃。
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实验要求
1. 了解物联网实验基础知识。
2. 理解IEEE 802.15.4中物理层数据包格式和组包过程、数据包地址译 码流程、ACK帧结构和作用、以及CSMA-CA的基本概念和流程。 实验思考题 1. 简要叙述IEEE 802.15.4的物理层组包过程。
2. 介绍CSMA-CA技术的主要应用场景和优缺点？
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下图中，SIFS是标准定义的时间段，比DIFS时间间隔短。A、B 两个站点共享信道。A站点检测到信道空闲时间大于DIFS时发送数据 报，B站点此时立刻停止退避时间计数，直到又检测到信道空闲时间 大于DIFS时，继续开始计数。当B站点的退避时间计数器为0时，Bwk.baidu.com 点开始发送数据报。
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实验设备与软件环境 硬件：PC机Pentium III 800MHz，内存256MB以上。 软件：Windows 98以上操作系统，Semit物联网实验平台配套软件。 实验内容与步骤 1.运行《物联网基础理论实验》演示软件。 2.点击“物联网实验基础知识”按钮，了解物联网的相关知识。 3.点击“IEEE802.15.4 基本原理实验”按钮。 4.点击“物理层组包”，点击“开始组包”，开始演示物理层组包过程。 5.点击“数据和地址译码”，选择目的短地址并输入数据，点击“开始传 输”，开始演示数据接收和地址译码过程。点击“结束”，结束演示。 6. 点击“ACK 帧”，点击“开始组包”，开始演示 ACK 帧的组包过程。 分别点击“一次接收成功”、“重传后成功接收” 、“发送失败”，分 别演示相应情况下数据接收返回ACK帧的过程。 7.点击 “CSMA-CA”，添加从节点，设置帧数和帧长度，选择显示速度， 点击“开始”，所选节点开始利用CSMA-CA协议竞争时隙传输数据。
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第一章 物联网基础理论实验
本实验通过软件演示的方式，首先向用户介绍物联 网实验基础知识，包含物联网发展现状和趋势、技术应 用、开发实例等；再演示 IEEE 802.15.4 基础理论实验， 主要包含物理层组包、数据包接收和地址译码、应答 ACK帧、CSMA-CA等内容。
物联网基础理论实验
物联网基础理论实验
CSMA-CA的基础是载波侦听。载波侦听（CS）由物理载波监测 （Physical CS）和虚载波监测（VirtualCS）两部分组成。载波监测最 后的状态指示是对两种监测综合后产生的，只有当两种方式都指示为 信道“空闲”时，载波监测才指示信道空闲，这时才能发送数据。 CSMA-CA 协议在介质空闲后，利用随机退避时间控制各工作站 发送帧的进行，从而使各工作站之间的碰撞达到最小。 退避时间的设置：退避时间按下面的方法选择后，作为递减退避 计数器的初始值。 退避时间=INT[CW*Random( )]*Slot Time 式中： CW （竞争窗）表示在 MIB 中 CWmin~CWmax 中的一个整 数，Random()表示0~1 之间的伪随机数； Slot Time表示 MIB中的时隙 数。
GPS 物联网基础理论实验 无线定位系统实验
数据包接收和地址译码
表2 IEEE 802.15.4 MAC层帧结构表 2字节 1字节 0/2字节 0/2/8字 节 0/2字节 0/2/8字 节 可变 2字节
帧控制
序列 号
目的PAN 标识符
目的地 址
源PAN标 识符
源地址
帧载荷
FCS
地址域 MHR（MAC帧层头） MAC payload MFR
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应答ACK帧
图1 应答ACK帧结构图
MAC层的确认帧（ MPDU）由一个 MHR和一个 MFR构成。其中， MHR包括 MAC帧控制字段和数据序列码字段； MFR由16bitFCS构成。
MPDU作为物理层确认帧载荷（PSDU）发送到物理层。在PSDU 前面加上 SHR 和 PHR 。其中， SHR 包括前同步码序列和 SFD 字段； PHR包含PSDU长度的信息。SHR、PHR以及PSDU共同构成了物理层 的确认包（PPDU）。
图3 二进制指数退避算法示意图
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关于竞争窗CW参数的选择问题，其初始值设为Cwmin。如果发 送MPDU(MAC Protocol Data Unit)不成功失败，则逐步增加CW的值， 直到CWmax呈指数增加，以适应高负载的情况。具体过程如下：
（1）检测到媒体空闲时，退避计数器递减计时。 （2）检测到媒体忙时，退避计数器停止计时，直到检测到媒体空闲 时间大于DIFS后重新递减计时。 （3 ）退避计时器减少到 0时，媒体仍然为空，则该终端就占用媒体。 （4）退避时间值最小的终端在竞争中获胜，取得对媒体的访问权； 失败的终端会保持在退避状态，直到下一个DIFS。 （5）保持在退避状态的终端，比第一次进入的新终端具有更短的退 避时间，易于接入媒体。
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THE END
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CSMA-CA
CSMA-CA采用两次握手机制，又称ACK机制，是一种最简单的 握手机制。当接收方正确接收帧后，会立即发送确认帧（ACK）， 发送方收到该确认帧，就知道该帧已成功发送。如果媒体空闲时间 大于或等于DIFS（DCF的帧间隔），就传输数据，否则延时传输。
图2 CSMA-CA中的ACK机制
IEEE 802.15.4通信协议概述
IEEE 802.15.4通信协议是短距离无线通信的 IEEE标准，是通信 协议中物理层与MAC层的一个具体实现，其规定了在个域网（PAN） 中设备之间无线通信的协议和接口。该标准采用载波侦听多点接入冲突避免（CSMA-CA）的媒体接入方式，形成星形和点对点的拓扑 结构。