1 引言
IEEE_802.15.4標準定義了廉價的固定式、便攜式和移動式設(shè)備物理層PHY和媒體接入層MAC規(guī)范,在現(xiàn)實世界中,這種技術(shù)具有低功耗、低速率、低成本的特點,更適用于工控、醫(yī)療、傳感器等簡單組網(wǎng)應(yīng)用,有許多種通信協(xié)議均基于此標準實現(xiàn),如ZigBee、RF4CE、6LoWPAN、Wireless HART、SmartLink、THREAD等。
著重介紹使用羅德與施瓦茨(R&S)公司矢量信號源產(chǎn)生標準的IEEE_802.15.4測試信號,包括IEEE_802.15.4的PHY和MAC結(jié)構(gòu)以及使用R&S IEEE_802.15.4 Frame Builder軟件產(chǎn)生信號的方法。該軟件基于EXCEL表格實現(xiàn),免費使用及編輯,可對產(chǎn)生信號細節(jié)進行靈活配置,并可生成R&S矢量信號源可識別的數(shù)據(jù)和控制文件。
2 IEEE_802.15.4協(xié)議概述
IEEE_802.15.4協(xié)議主要定義了PHY和MAC,對于上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等,并沒有具體定義。
2.1 IEEE_802.15.4 PHY
PHY數(shù)據(jù)服務(wù)定義了物理無線信道上發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的格式和類型,該數(shù)據(jù)被稱作物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PPDUS,同時定義了多種不同的工作頻率范圍,在不同的工作頻率范圍下,也定義了多種調(diào)制類型和數(shù)據(jù)速率,如圖1。
圖1 PHY工作頻段和數(shù)據(jù)傳輸速率
868MHz頻段主要被用于歐洲作為短距通信組網(wǎng)應(yīng)用,780MHz頻段多用于中國,950MHz則主要應(yīng)用于日本,2450MHz是被全世界廣泛使用的頻率標準,具有較高的數(shù)據(jù)速率和高達16路的無線信道。
PHY在設(shè)備間通信過程中主要負責(zé)如下任務(wù):
激活和取消無線收發(fā)設(shè)備
當前信道的能量檢測以及發(fā)送鏈路質(zhì)量識別
信道頻率選擇和數(shù)據(jù)收發(fā)
載波多路偵聽的空閑信道預(yù)測CSMA/CA
PHY標準數(shù)據(jù)幀格式PPDU由同步頭SHR、物理層頭PHR和PHY凈荷構(gòu)成,字節(jié)長度在協(xié)議中已定義,如圖2所示。
圖2 PHY-PPDU幀格式
SHR由前導(dǎo)碼和緊隨其后的幀起始分隔符SFD構(gòu)成,前導(dǎo)碼序列為4 Bytes數(shù)據(jù)0x00,同時SFD固定設(shè)置為0xA7。PHY層服務(wù)數(shù)據(jù)單元PSDU是由MAC幀繼承而來,作為PHY的凈荷, PHR定義了PSDU單元的數(shù)據(jù)長度。最高位被設(shè)置為0,其余7個字節(jié)可以表征的數(shù)據(jù)長度最大數(shù)值為127位。最終編碼生成的二進制PPDU數(shù)據(jù)會通過符號映射后直接擴頻為碼片數(shù)據(jù),之后通過O-QPSK映射,其具體流程如圖3。
圖3 O-QPSK PHY擴頻和調(diào)制映射
PHY數(shù)據(jù)的O-QPSK調(diào)制處理過程,首先將數(shù)據(jù)單元的二進制數(shù)據(jù)中每四位轉(zhuǎn)換為一個符號,然后將每個符號擴頻轉(zhuǎn)換為長度為32的碼片序列,用符號查找對應(yīng)16個近似正交的偽隨機映射表,映射完成之后的碼片數(shù)據(jù),依次交替的分為IQ數(shù)據(jù)流,通過half-sine濾波器成形形成調(diào)制符號。
2.2 IEEE_802.15.4 MAC
MAC形成了在PHY和更高應(yīng)用層之間的接口,如ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層。該層的MAC數(shù)據(jù)服務(wù)可以通過幀的形式接收和發(fā)送,該幀的名稱為MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDUS,也就是對應(yīng)傳遞至PHY幀結(jié)構(gòu)中的PSDU。
MAC幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計是以用最低復(fù)雜度實現(xiàn)在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸為目標的。每個MAC幀都包含幀頭MHR、MAC凈荷MAC Payload和幀尾MFR三部分。MHR部分由幀控制信息FCF、幀序列號SN和地址信息組成。MAC的凈荷部分長度可變,凈荷的具體內(nèi)容由幀類型決定。幀尾部分是幀頭和凈荷數(shù)據(jù)的16位CRC校驗序列FCS。IEEE_802.15.4協(xié)議共定義了四種類型的幀,信標幀、數(shù)據(jù)幀、確認幀和MAC命令幀。這些幀格式會有區(qū)別,通用的MAC幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 MAC MPDU幀結(jié)構(gòu)
FCF區(qū)域中包含了幀類型、地址信息、以及其他控制標識,該部分長度為2 Bytes。
只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù),確認幀和MAC命令幀則用于設(shè)備間MAC子層功能實體間控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認幀不需要接收方的確認,數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀的幀頭FCF指示收到的幀是否需要確認,如果需要確認,并且已經(jīng)通過了CRC教研,接收方將立即發(fā)送確認幀,若發(fā)送設(shè)備在一定時間內(nèi)收不到確認幀,將自動進行重傳。
3 R&S針對IEEE_802.15.4幀及信號波形產(chǎn)生方法
R&S提供了IEEE_802.15.4數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生軟件,該軟件基于EXCEL表格,簡單易用。
可方便對PHY和MAC參數(shù)進行設(shè)置,同時,該幀結(jié)構(gòu)基于O-QPSK調(diào)制方式??蓪θ缦聟?shù)進行設(shè)置:
MAC幀頭設(shè)置及凈荷數(shù)據(jù)
幀校驗碼自動計算和同步頭定義
符號至碼片映射及數(shù)據(jù)生成導(dǎo)出
生成R&S矢量信號源支持的數(shù)據(jù)和控制文件
圖形化顯示幀結(jié)構(gòu)等
3.1 IEEE_802.15.4 Frame Builder軟件生成基帶數(shù)據(jù)
軟件基于VBA代碼,需要在EXCEL中使能該功能。
圖5 R&S IEEE_802.15.4 Frame Builder軟件界面
軟件界面中顯示了IEEE_802.15.4基本幀結(jié)構(gòu),指引使用者了解每部分具體設(shè)置作用及定義,即幀結(jié)構(gòu)中各個部分的具體設(shè)置項目,可針對實際測試需求生成各部分幀定義。
FCF區(qū)域控制信息及幀類型設(shè)置。
MAC幀頭中其他數(shù)據(jù)位設(shè)置,包括幀序列號,地址信息等。
導(dǎo)入數(shù)據(jù)載荷,可通過手動輸入或ASCII十六進制文本文件導(dǎo)入,數(shù)據(jù)格式為16進制,導(dǎo)入完成后,軟件會自動計算校驗碼并計算出最終得到的MPDU幀數(shù)據(jù)。
MAC層數(shù)據(jù)生成后,會自動計算幀長度,前導(dǎo)碼和SFD幀分隔符也為固定值,生成最終的PHY層幀數(shù)據(jù)。
軟件會自動將生成的數(shù)據(jù)擴頻至碼片數(shù)據(jù),可設(shè)置幀與幀間的閑置符號。
3.2 IEEE_802.15.4測試波形產(chǎn)生
配置有實時基帶發(fā)生器的R&S矢量信號源都能夠?qū)崟r產(chǎn)生調(diào)制數(shù)字信號,同時均可產(chǎn)生通用標準(如LTE)的數(shù)字調(diào)制信號。使用實時自定義數(shù)字調(diào)制產(chǎn)生測試波形的流程框圖見下圖6。
圖6 自定義數(shù)字調(diào)制波形產(chǎn)生
將軟件生成的標準Datalist文件導(dǎo)入至信號發(fā)生器的基帶發(fā)生器中。802.15.4協(xié)議未規(guī)定任何的碼片編碼,所以無需定義任意形式的編碼方式。
802.15.4協(xié)議以O(shè)-QPSK調(diào)制映射方式未在矢量信號源中進行定義,可采用導(dǎo)入自定義調(diào)制映射文件的方式進行設(shè)置,軟件中映射文件“15.4-OQPSK.vam”可直接使用,如需自定義產(chǎn)生各種調(diào)制映射文件,可使用R&S公司的MATLAB應(yīng)用工具MapWiz。
需要載入half-sine脈沖成形濾波器至矢量信號發(fā)生器中,F(xiàn)rame Builder軟件中自帶的濾波器文件“15.4-halfsine.vaf”也可直接被使用,如需自定義產(chǎn)生各種成形濾波器文件,可使用R&S公司的MATLAB應(yīng)用工具FizWiz。
亦可使用計算機軟件產(chǎn)生測試波形,采用矢量信號發(fā)生器內(nèi)部的ARB發(fā)生器的方法,R&S公司提供了免費的信號生成和處理軟件WinIQSim2操作簡單直觀,在ARB模式下,所有波形計算和處理都在計算機側(cè)完成,矢量信號發(fā)生器只將計算好的波形播放。直接將生成的波形可通過網(wǎng)線傳輸至R&S矢量信號源,在WinIQSim2軟件中也可以對生成信號的時域和頻域波形進行預(yù)覽,預(yù)判生成的信號是否正確使用。ARB模式生成和播放波形的具體流程如下圖7所示:
圖7 ARB模式波形產(chǎn)生
將軟件中生成的波形文件導(dǎo)入矢量信號源的ARB內(nèi)存。
通過ARB發(fā)生器讀取波形文件中的IQ數(shù)據(jù)和采樣率,將其轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘?,之后通過采樣和上變頻調(diào)制后發(fā)出。
4 小結(jié)
R&S公司關(guān)于IEEE_802.15.4協(xié)議標準數(shù)字信號產(chǎn)生的方法和應(yīng)用軟件,經(jīng)過實際驗證,具備完全的可操作性,可以為運營商、無線數(shù)據(jù)設(shè)備廠商生成參考測試文件,也可在開發(fā)階段進行任意形式的自定義驗證。
羅德與施瓦茨公司自成立至今的七十多年間,一直致力于為無線電通信提供高性能的測試和測量儀器。請訪問羅德與施瓦茨公司中文網(wǎng)站:www.rohde-schwarz.com.cn或就近聯(lián)系羅德與施瓦茨公司各地的代表處,我們將為您提供符合您需要的測試方案和儀器。
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