微功率无线标准

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时 时 时 时 时 时 时 时 时 隙 隙 隙 隙 隙 隙 隙 隙 隙
信标帧
• 中心节点发起信标帧,其他子节点再生信标帧
– 仅用于广播形式的传输或对广播的单播回复 – 如果设备在某种情况下被分配到同一时隙, 需采用CSMA-CA算法与其他设备竞争信道。
信道访问协议
• 超帧时序
– 子节点同时维护中心节点发送信标帧的超帧计时, 以及自己信标帧的超帧计时。
丢弃该帧
MAC主要内容
• MAC层一般要求和定义 • MAC层协议帧格式 • MAC层服务
MAC层协议帧格式
• MAC层协议通用帧格式
– MAC帧头 – MAC帧载
MAC层协议帧格式
• MAC帧头
– 帧控制域
• 帧类型
– – – – 000:信标帧 001:数据帧 010:确认帧 011:命令帧
信道访问协议
• 信标帧
– MAC层产生,由中心节点首发信标帧,其他设备转 发;使用物理层专用组网信道。 – 信标帧格式
• MAC帧头 • MAC载荷
信道访问协议
• 信标帧
– 信标帧格式
• MAC载荷
– 信标轮次 » 信标转发时时隙循环的次序 – 信标标识 » 由中心节点随机产生的、用于广播信标时区别信标的标识
MAC层协议帧格式
• 目标地址模式子域
– 00、01:保留 – 10:目标地址长度为2字节 – 11:目标地址长度为6字节
• 帧版本子域:国网标准恒为“00”
– – – – 00:版本1 01:版本2 10:版本3 11:版本4
帧发送接收
• 接收
– 有效帧处理
• 信标帧
– 帧在MAC子层被处理,通过MLME-BEACONNOTIFY.indication原语将信息传递给网络层。
• 数据帧
– 通过MCPS-DATA.indication原语将该帧传递给网络层。
• MAC命令帧
– 帧在MAC子层被处理,将处理结果通过相应的confirm原语传递 给网络层。
信道访问协议
• 信标帧的发送和接收
– 信标帧的发送
• 中心节点的MLME收到原语MLME-NETWORKFORMATION-BECON.request构建并发送信标帧。
– – – – 信标帧寻址域的PanID为0xFFFF 目标地址设置为广播地址(0xFFFFFFFFFFFF) 源地址设置为中心节点 信标帧构建完成后发送
• PSDU
– 数据;最大长度为252 (字节)
• FCS
– 2个字节,CRC-ITU序列。 – CRC-ITU产生多项式为
• G(X)=1+X5+X12++X16
物理层服务
• PLME
– 管理实体
• PD-SAP
– 数据处理服 务接口
• RF-SAP
– 无线数据服 务接口
QA
返回
MAC主要内容
– 重构MAC命令帧
• 添加收到该帧的场强信息
构建MAC网络维护 命令
重构MAC命令帧 存在 是否存在当前 子节点的地 址?
– 中心节点为该命令帧的目 标节点时,将收集到信息 传送至邻近上层
• 终止路径信息收集
不存在
发送
解析MAC命令帧载 荷
丢弃该帧
帧发送接收
• 发送
– 每产生一个数据帧或MAC命令帧,复制macDSN值 到帧头的帧序号域中,再macDSN加1。 – 帧通过非时隙型CSMA-CA算法传送。 – MAC通过数据发送请求原语传递数据到物理层发送 ,并等待物理层发送确认信息。
• 当前帧发送过程,使用CSMA-CA 算法执行次数
– BE
• 退避指数
网络维护
• 路径信息收集
– 路径收集命令
• 由邻近上层发起 • 中心节点构建MAC层网络 维护请求命令帧
中心节点
路径收集命令
子节点
转发 否 当前子节点是 否为目标节 点?
发送相应命令帧
找出3条路径

路由信息调整,构 建网络维护响应帧
信道访问协议
• 信标帧的发送和接收
– 信标帧的接收
• 中心节点收到信标帧(在发送信标帧后)
– 信标帧的MAC源地址添加到邻居表 – 记录收到信标帧的场强信息 – 不再转发信标帧
信道访问协议
• PanID冲突
– 中心节点收到信标帧,信标帧中PanID等于自身的 PanID;但地址值不为自身地址。 – 子节点收到信标帧,信标帧中PanID等于已入网节 点的PanID;但地址值不为节点地址,也不为中心 节点地址。 – 子节点不予中心节点关联
• 安全使能子域
– 安全功能是否开启
MAC层协议帧格式
• 帧挂起子域
– 当前数据帧是否还有后续帧
• 确认请求子域
– 接收方接收到帧后是否需要应答
• 网络号压缩子域
– 帧中是否存在PanID,国网标准中恒为“1”
• 帧序列号压缩子域
– 帧中是否有帧序列号,国网标准中恒为“1”
• 扩展信息域指示子域
– 帧是否扩展信息域
帧发送接收
• 帧传输结果
– 数据发送成 功 – 数据帧丢失 – 确认帧丢失
发送端 接收端
发送数据帧 否 macAckWaitDur ation周期内, 收到确认帧?
接收数据帧
未收到
发送确认帧
是否已重发 aMaxFrameRetri es次? 是 发送失败
收到
帧是否已经接 收过? 否

发送成功
传递给上层
• 接收数据帧
– 通过原语MCPS-DATA.indication传递给网络层
• 接收MAC命令帧
– 根据不同命令种类作出相应操作,并将结果通过对应confirm原 语发送给网络层
MAC层算法
• TDMA
– 组网时,定位时隙,按时隙转发组网信标帧 – 时隙定义
• 分配给一个子节点设备发送信标帧的固定时间
帧发送接收
• 接收
– MAC层需要对接收帧过滤,有效帧才递交上层。
• 满足下列条件,否则MAC层丢弃相应的帧。
– 帧控制域的帧类型子域没有非法类型值。 – 帧控制域的帧版本子域为当前兼容的版本值。 – 根据帧控制域目标地址模式子域的值,帧头中的 目 标 地址,应 与自身对应模式的地址一致或等于广播地址。 – 寻址域中的PanID与macPANID相等或为0xFFFF。
• MAC层一般要求和定义 • MAC层协议帧格式 • MAC层服务
MAC层一般要求和定义
• • • • 信道访问协议 MAC层算法 网络维护 帧发送接收
信道访问协议
• 超帧结构
– 以信标帧的传输为边界
• 信标帧用于与已连接设备之间保持同步、网络的 节点定位和测量。 • 描述超帧结构
– 时隙长度、超帧包含的时隙数等参数,由中心节点 设定;时隙长度由硬件配置,时隙数由网络规模决 定。
信道访问协议
• PanID冲突处理
– 中心节点发现PanID冲突
• MLME向邻近高层发布原语MLME-PANLOSS.indication,重新换算出新的PanID值并向已关联子 节点发送PanID修改命令。
– 子节点发现PanID冲突
• 保持原来的工作配置,响应接收的信标帧并转发一个子 节点的信标帧 • 待中心节点的配置命令后,修改新的工作配置。
• 信道切换时间
– 应≤500us
• 发送功率
– 不大于50mW
• 带外杂散辐射
– 参见《微功率(短距离)无线电设备的技术要求》
物理层通用无线标准
• 发射器占用周期
– 传输数据时,发送器占用空中信道时间应≤500毫秒
• 空中码元速率
– 为10kbps,误差≤0.05%
• 接收灵敏度
– 应小于﹣106db
物理层协议格式
• SHR
– 前导码域
• 80字节,其顺序为:0101……01B
– 帧分隔符
• 0xF3 0x98
物理层协议格式
• PHR
– 帧长
• PSDU长度+3
– 信道索引
• 信道组号×2+信道号
– 标准识别号
• 为01;02~99保留
– 头校验
• 1字节,PHR前3字节异或运算结果
物理层协议格式
载波监听多路访问/冲突避让
• 载波监听多路访问
– 一种允许多个设备在同一信道发送信号的协议,其 中的设备监听其它设备是否忙碌,只有在线路空闲 时才发送。 – 在此种访问方式下,网络中的所有用户共享传输介 质。
载波监听多路访问/冲突避让
• 冲突避让
– 基于载波监听多路访问 – 送出数据前,监听媒体状态,等没有人使用媒体, 维持一段时间后,再等待一段随机的时间后依然没 有人使用,才送出数据。 – 送出数据前,先送一段小小的请求传送报文 (RTS : Request to Send)给目标端,等待目标端回 应 CTS: Clear to Send 报文后,才开始传送。 利 用RTS-CTS握手(handshake)程序,确保接下来传 送资料时,不会被碰撞。
• 信道扫描
– 被动信道扫描
• 节点在指定信道上搜索 自己通信范围内可以接 收到的帧 • SanType设置为被动扫 描 • 每个信道扫描时间不能 大于 aChannelScanDuration
信道访问协议
• 信道扫描
– 被动信道扫描
• 接收信标帧
– 信标帧中的信息被记录到PAN描述符结构中,通过原语 MLME-BEACON-NOTIFICATION.indication递交给网络层。
帧发送接收
• 确认
– 帧控制域中的确认请求子域
• “0”:不要求接收设备发送确认帧 • “1”:要求接收设备发送确认帧
– 把接收的数据帧或MAC命令帧中序号域的内容复制到相应确认 帧的序号域中,使事物发起方知道哪个帧的确认。 – 在macAckWaitDuration时限内,未收到相同DSN的确认帧,需 要启动重传;最多重传aMaxFrameRetries次,如果重发 aMaxFrameRetries次,仍未收到确认帧,则MAC层判断发送失 败,上报通讯失败。
物理层主要功能
• 无线收发器控制 • 当前工作信道能量检测 • 适用于载波监听多路访问和冲突避让的空闲信 道评估 • 信道频率选择 • 数据发送接收
当前工作信道能量检测
• 当前工作信道能量检测
– 无线能量检测(ED)
• 国网标准中,只描述该方式;具体参见“空闲信道评估 ”
– 载波检测(CS) – 能量载波混合检测
Baidu Nhomakorabea
信道访问协议
• 信标帧的发送和接收
– 信标帧的接收
• 子节点接收信标帧
– 获取源地址、中心节点PanID,添加进自己的邻居表 – 记录场强信号和信标帧的信标标识
• 子节点判断是否已经转发本次信标帧(通过比较信标载 荷、子节点已记录的中心节点的PanID和信标标识)
– 完全相同:已转发过,节点终止本次处理。 – 不同:再生信标帧,如层次号和信标轮次都不大于最大值,则在 指定时隙和信标轮次发出信标帧。否则,终止转发。
信道访问协议
• 信道扫描
– 能量检测信道扫描
• 获得被要求扫描信道的平均 能量。 • SanType设置为ED扫描 • 扫描期间,丢弃所有通过 PHY数据服务接收的帧。 • 在接收8个字节的时长内 (8 × 8× (1/空中比特率)), 进行12次扫描;去除最高、 最低求平均得ED值
信道访问协议
物理层主要参数
• 工作频率范围
– 471MHz~486MHz
PPDU二进制码流
• 调试方式
– GFSK – 白化编码
白化
• 调制频率偏差
– 25±5kHz
GFSK
• 信道带宽
– 小于100kHz
调制信号
物理层主要参数
• 码流发送顺序
– 低位在前,低字节在前
• 信道分配
– 共33组信道:0-用于组网维护;其他用于抄表等应用。具体 见备注
微功率无线
网络结构图
目标子节点
中心节点
在网子节点
游离子节点
微功率无线协议结构图
• 物理层
– 负责射频通讯所需的调 制编码等方法
• MAC层
– 负责CSMA-CA/TDMA机制
• 网络层
– 负责组网、路由、数据 传输、应用维护
微功率无线主要内容
物理层主要内容
• • • • • 物理层主要功能 物理层主要参数 物理层通用无线标准 物理层协议格式 物理层服务
– 子节点时隙定位算法
• 计算序列数:i=mod(MID,m) • 子节点在进行传输时,等到节点自身的时隙后,先随机 等待Tr,再在Tc时间内判断是否有时隙碰撞;如果没有 ,则进行传输;如有,子节点等待下一个时隙,重复该 过程。
MAC层算法
• CSMA-CA
– 组网后访问信道 – 数据帧和MAC命令帧之前需要使 用CSMA-CA,确认帧不需要。 – NB
• 接收抗干扰抑制
– 为24db
物理层通用无线标准
• 收发切换时间
– 应≤500us
• 发射中心频率容差
– 范围应≤±20ppm
• 接收信号强度指示器
– RSSI测量值(1 byte)表示出RF信号场强,-120dBm ~ -40dBm;误差容限±3dB。
• 空闲信道评估
– RSSI超过RSSI门限(-96dBm),则表示信道为忙。
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