基于zigbee的无线语音传输系统的设计毕业论文(编辑修改稿)

基于zigbee的无线语音传输系统的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

igbee 协议栈由一组子层构成。 每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。 每个服务实体通过一个服务接入点（ SAP）为其上层提供服务接口，并且每个 SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功 能。 Zigbee协议栈的体系结构如图 ，它虽然是基于标准的 7层开放系统互联（ OSI）模型，但仅对那些涉及 Zigbee的层予以定义。 IEEE — 20xx标准定义了最下面的两层：物理层（ PHY）和介质接入控制层（ MAC）。 Zigbee联盟提供了网络层和应用层（ APL）框架的设计。 其中，应用层的框架包括了应用支持层（ APS）、Zigbee设备对象（ ZDO）及由制造商制定的应用对象。 图 21 Zigbee 协议栈的体系结构 相比于常见的无线通信标准， Zigbee协议套件经凑而简单，具体实 现的要求很低。 Zigbee联盟希望建立一种可以连接每个电子设备的无线网，它预言 Zigbee将很快成为全球高端的无线技术， 20xx年 Zigbee节点达到 30亿个。 具有十几亿节点的网络将很快耗尽已不够用的 IPv4地址空间，因此 IPv6与 IEEE 势。 IPv6采用 128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。 在 IEEE 27 个具有 3种速率的信道； 16个速率为 250Kb/s的信道； 915MHz频道有 10个 40Kb/s的信道； 868MHz频段有 1个 20Kb/s的信 中北大学信息商务学院本科生毕业论文 7 道。 这些信道的中心频段按如下定义 [6]（ k为信道数）： FC= MHz （ k=0） FC=906 MHz+2（ k1） MHz （ k=1， 2， 10） FC=2405 MHz +5（ k11） MHz （ k=11,12， 26） IEEE 有下列特征： ； 两种地址： 16位网络地址，由协调器在网络建立是分配， 64位 IEEE地址； 中不同的传输速率（ 100、 2500 Kbps）； ； 和链路质量指示； ISM频段，在 868MHz频段上有 1个信道， 915MHz上有 10个信道，在 2450MHz上有 16个信道；。 一个 IEEE ISM频段、可用性、拥挤状况和数据速率在 27个信道中选择 1个工作信道。 从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。 来自 4位二进制数据符号。 每种数据符号被映射成 32位伪噪声码片，以便传 输。 然后，这个连续的伪噪声CHIP 序列被调制到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移正交相移键控调制方式。 IEEE MAC 层提供两种服务： MAC 层数据服务和 MAC层管理服务。 管理服务通过 MAC层管理实体服务接入点访问高层， MAC层数据服务使 MAC层协议数据单元的收发可以通过物理层数据服务。 IEEE MAC层的特征有信标管理、信标接入机制、保证时隙管理、帧确认、确认帧传输以及节点接入与分离。 ZigBee的网络层主要用于 ZigBee网络的组网接入、数据管理以及网络安全 等。 而应用层主要为 ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便于对 ZigBee技术的开发应用。 ZigBee网络体系 Zigbee网络中存在两种功能类型设备，三种节点类型，三种拓扑结构及两种工作模式。 两种功能类型设备 ZigBee网络含全功能设备 FFD（ Full function device）和精简功能设备 RFD（ Reduced function device）两种功能类型的设备。 全功能设备（ FFD）支持标准定义 中北大学信息商务学院本科生毕业论文 8 的所有功能和特性；而精简功能设备（ RFD）功能简洁，存储器容量 要求最少。 三种节点类型 ZigBee网络含三种类型的节点，即协调器 ZC（ ZigBee Coordinator）、路由器 ZR（ ZigBee Router）和终端设备 ZE（ ZigBee EndDevice），其中协调器和路由器均为全功能设备（ FFD），而终端设备选用精简功能设备（ RFD）。 协调器：一个 ZigBee网络 PAN（ PersonalArea Network）有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关等，需要最多的存储空间和计算能力。 路由器：主要 实现扩展网络及路由消息的功能，扩展网络，即作为网络中的父节点，允许更多的设备接入网络，路由节点只有在树状网络和网状网络中存在。 终端设备：只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息，但不能转发信息，不具备路由功能。 三种网络拓扑结构 ZigBee网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑结构，如图 5所示，从左到右依次是星状网络，树状网络和网状网络。 星状网络由一个 PAN协调器和多个终端设备组成，只存在 PAN协调器与终端的通讯，终端设备间的通讯都需通过 PAN协调器的转发。 树状网络由一个协调器和一个或 多个星状结构连接而成，设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成消息传输。 网状网络是树状网络基础上实现的，与树状网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连，由路由器中的路由表实现消息的网状路由。 该拓扑的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销。 中北大学信息商务学院本科生毕业论文 9 图 22 ZigBee 网络中的三种网络拓扑结构 两种工作模式 网络的工作模式可以分为信标（ Beaeon）和非信标（ Nonbeaeon）两种模式 ,信标模式实现了网络中所有 设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许 ZE进行周期性休眠， ZC和所有 ZR设备必须长期处于工作状态。 信标模式下， ZC负责以一定的间隔时间（一般在 15ms4mins之间）向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有 16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。 非信标模式下， ZigBee标准采用父节点为 ZE子节点缓存数据， ZE主动向其父节点提取数据的机制，实现 ZE的周期性（周期可设置）休眠。 网络中所有父节点需为自己的 ZE子节点 缓存数据帧，所有 ZE子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要 15ms。 IEEE IEEE 标准定义了最下面的两层：物理层（ PHY）和介质接入控制子层（ MAC）： 物理层（ PHY）主要的功能： 信道的选择 信道能量的检测 中北大学信息商务学院本科生毕业论文 10 无线信道的收发数据 空闲信道的评估 接受包链路质量的检测 其中，信道能量的检测主要测量目标信道中接收信号的功率强度，实际上所测得的是有效信号功率和噪声信号功率 之和。 链路质量要对信号进行解码，生成的是信噪比指示，提供接收数据帧是的无线信号强度和治疗信息。 空闲信道评估判断的是当前是否处于空闲状态，以此来决定是否发送当前数据帧。 载波信道和频率的描述 Zigbee的 PHY层： 表 21 标准定义的 PHY 层 [7] 信道编号 中心频率 /MHZ 信道间隔/MZ 频率上限 /MZ 频率下限/MZ 传输速率Kb/S 调制方式 k=0 有且仅有1 个信道 20 BPSK k=1„„ 10 903+2(k1) 2 40 BPSK k=11„„ 26 2401+5(k11) 5 250 PSK 注： 868MHz 是欧洲附加的 ISM频段， 915MHz 是美国附加的 ISM频段，而 为全球通用的 ISM频段。 物理层 (PHY)数据包的格式 物理层的帧（ PPDU）的格式如下表所示， Zigbee物理层数据包由同步包头、物理层包头和物理层净荷三部分组成。 同步包头由前向同步码（前导码）和数据包（帧）定界符组成，用于获取符号同步、扩频码同步和 帧同步，也有助于错略的频率调整。 物理层包头指示净荷部分的长度，净荷部分含有 MAC层数据包，最大长度是 127字节。 如果数据包的长度类型为 5字节或大于 8字节，那么物理层服务数据单元（ PSDU）携带 MAC层的帧信息（即 MAC层协议数据单元）。 表 22 物理层数据包格式 [1] 4 字节 1 字节 1 字节 变量 前同步码 帧定界符 帧长度（ 7 位） 预留位（ 1 位） PSDU 中北大学信息商务学院本科生毕业论文 11 同步包头 物理层包头 物理层净荷 介质接入控制子层 MAC IEEE 802 系列标准把数据链路层分成逻辑链路控制子层 LLC和介质接入 控制子层 MAC两个子层。 LLC自层在 标准中定义，为 802标准系列所共用；而 MAC子层协议则依赖于各自的物理层。 LLC子层的主要功能是进行数据包的分段和重组，以及确保数据包安顺序传输。 而 MAC层功能更加强大： a、 处理 MPDU； b、 网络协调器信标产生及与协调器信标同步； c、 ED 、 ACTIVE和 ORPHAN 机制参与频道存取，数据应答重传机制； d、 利用 CSMA— CA机制参与频道存取，数据应答重传机制； e、 处理与维护保证时槽机制； f、 关联和退出关联功能； MPDU 数据单元的处理 MAC层负责分 解接受到的 MPDU包，并对来自 NWK层数据包进行 MPDU封装。 MAC层含数据帧、命令帧、信标帧、应答帧，帧格式及不同类型帧的格式特点如下： 表 23 MAC 帧格式 [1] 字节： 2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 长度可变 2 帧控制域（ FCF） 帧序列码 接收端设备网络号 接收端设备地址 发送端设备网络号 发送端设备地址 帧载荷 FCS 地址域 侦头 MAC 负荷 帧尾 通用的 MAC帧（ MPDU）格式如表 23所示，包括帧头（ MHR）、 MAC帧载荷域及帧尾三部分组成。 帧头由帧控制域 、序列号、地址域组成。 MAC帧载荷域即为 MAC层的有效数据单元。 帧尾为帧头和 MAC帧负荷域的 16位 CRC校验序列 FCS）。 表 24 帧控制域（ FCF）的格式 [1] Bits：0~2 3 4 5 6 7~9 10~11 12~13 14~15 中北大学信息商务学院本科生毕业论文 12 帧类型 安全使能 帧待决 请求确认 PAN 保留 目的地址 保留 源地址 注： 帧类型：信标帧、数据帧、 ACK帧、命令帧； 帧待决：定义发送端是否还有数据给接受端； 请求确认：定义是否要求接收端应答（反馈 ACK）； PAN：定义是否省略发送端 设备网络号（ PAN ID）； 目的地址和源地址有三种模式：不含地址、 16位网络地址、 64位 IEEE地址； 帧序号为该帧在源设备中的帧标识符，每个设备都有自己的帧序列号发生器，序列号采用循环计数方式，范围值为 00xFF； 地址域包括接受端设备网络和设备地址，发送端设备网络号和设备地址。 MAC层帧头的接收端设备和发送端设备属于单跳关系。 四种 MAC帧格式说明： MAC帧含数据帧、信标帧、 ACK帧、命令帧四种帧类型。 数据帧的帧数据单元对应于 NWK层帧 NPDU（ NWK Protocal data unit），信标帧、 ACK帧、命令帧均由 MAC层处理或构造。 信号帧：具有父节点功能的节点通过发送信标帧，告知自己的相关信息，如是否允许新节点加入。 ACK帧：只含帧头中的帧控制域和序列号域，及帧尾的 FCS校验码域，由接收方反馈给发送方，告知某条帧正确接收。 命令帧： MAC层的命令帧，其负荷域由命令 ID和具体的命令参数组成。 IEEE MAC层以及物理层的通信数据格式，如表 25，其中，物理层的数据格式是在 MAC层的数据格式前加上物理头以及同步头两部分。 表 25 定义通信数据格式 [1] MAC 层数据的传输 重传机制分别实现了信道的共享及数据帧的可靠传输。 1）、 CSMACA传输机制 基于 ， MAC子层发送数据帧和命令帧须使用 CSMACA机制访问信道，以减少由于帧发送冲突而带来的不必要的能量损耗。 CSMACA以包括载波物理层（ PHY） MAC 层 同步头（ SHR） 物理头 MAC 协议数据单元（ MPDU） 前同步码： 4b SFD： 1b 帧长： 1b 物理层服务数据单元（ PSDU） 物理层协议数据单元（。