1 引言
IEEE_802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了廉價(jià)的固定式、便攜式和移動(dòng)式設(shè)備物理層PHY和媒體接入層MAC規(guī)范，在現(xiàn)實(shí)世界中，這種技術(shù)具有低功耗、低速率、低成本的特點(diǎn)，更適用于工控、醫(yī)療、傳感器等簡(jiǎn)單組網(wǎng)應(yīng)用，有許多種通信協(xié)議均基于此標(biāo)準(zhǔn)實(shí)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(hào)源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的IEEE_802.15.4測(cè)試信號(hào)，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(hào)的方法。該軟件基于EXCEL表格實(shí)現(xiàn)，免費(fèi)使用及編輯，可對(duì)產(chǎn)生信號(hào)細(xì)節(jié)進(jìn)行靈活配置，并可生成R&S矢量信號(hào)源可識(shí)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(duì)于上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等，并沒(méi)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(wú)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(shí)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(guó)，950MHz則主要應(yīng)用于日本，2450MHz是被全世界廣泛使用的頻率標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的數(shù)據(jù)速率和高達(dá)16路的無(wú)線信道。

PHY在設(shè)備間通信過(guò)程中主要負(fù)責(zé)如下任務(wù)：

激活和取消無(wú)線收發(fā)設(shè)備

當(dāng)前信道的能量檢測(cè)以及發(fā)送鏈路質(zhì)量識(shí)別

信道頻率選擇和數(shù)據(jù)收發(fā)

載波多路偵聽(tīng)的空閑信道預(yù)測(cè)CSMA/CA

PHY標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)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(shí)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(lái)，作為PHY的凈荷， PHR定義了PSDU單元的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。最高位被設(shè)置為0，其余7個(gè)字節(jié)可以表征的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最大數(shù)值為127位。最終編碼生成的二進(jìn)制PPDU數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)符號(hào)映射后直接擴(kuò)頻為碼片數(shù)據(jù)，之后通過(guò)O-QPSK映射，其具體流程如圖3。

圖3 O-QPSK PHY擴(kuò)頻和調(diào)制映射

PHY數(shù)據(jù)的O-QPSK調(diào)制處理過(guò)程，首先將數(shù)據(jù)單元的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中每四位轉(zhuǎn)換為一個(gè)符號(hào)，然后將每個(gè)符號(hào)擴(kuò)頻轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度為32的碼片序列，用符號(hào)查找對(duì)應(yīng)16個(gè)近似正交的偽隨機(jī)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(guò)half-sine濾波器成形形成調(diào)制符號(hào)。

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(guò)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(duì)應(yīng)傳遞至PHY幀結(jié)構(gòu)中的PSDU。

MAC幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是以用最低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)在多噪聲無(wú)線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸為目標(biāo)的。每個(gè)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(hào)SN和地址信息組成。MAC的凈荷部分長(zhǎng)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(yàn)序列FCS。IEEE_802.15.4協(xié)議共定義了四種類型的幀，信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀。這些幀格式會(huì)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(biāo)識(shí)，該部分長(zhǎng)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(rèn)幀和MAC命令幀則用于設(shè)備間MAC子層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認(rèn)幀不需要接收方的確認(rèn)，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(rèn)，如果需要確認(rèn)，并且已經(jīng)通過(guò)了CRC教研，接收方將立即發(fā)送確認(rèn)幀，若發(fā)送設(shè)備在一定時(shí)間內(nèi)收不到確認(rèn)幀，將自動(dòng)進(jìn)行重傳。

3 R&S針對(duì)IEEE_802.15.4幀及信號(hào)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(jiǎn)單易用。

可方便對(duì)PHY和MAC參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)，該幀結(jié)構(gòu)基于O-QPSK調(diào)制方式。可對(duì)如下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：

MAC幀頭設(shè)置及凈荷數(shù)據(jù)

幀校驗(yàn)碼自動(dòng)計(jì)算和同步頭定義

符號(hào)至碼片映射及數(shù)據(jù)生成導(dǎo)出

生成R&S矢量信號(hào)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(gè)部分的具體設(shè)置項(xiàng)目，可針對(duì)實(shí)際測(cè)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(hào)，地址信息等。

導(dǎo)入數(shù)據(jù)載荷，可通過(guò)手動(dòng)輸入或ASCII十六進(jìn)制文本文件導(dǎo)入，數(shù)據(jù)格式為16進(jìn)制，導(dǎo)入完成后，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算校驗(yàn)碼并計(jì)算出最終得到的MPDU幀數(shù)據(jù)。

MAC層數(shù)據(jù)生成后，會(huì)自動(dòng)計(jì)算幀長(zhǎng)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(huì)自動(dòng)將生成的數(shù)據(jù)擴(kuò)頻至碼片數(shù)據(jù)，可設(shè)置幀與幀間的閑置符號(hào)。

3.2 IEEE_802.15.4測(cè)試波形產(chǎn)生

配置有實(shí)時(shí)基帶發(fā)生器的R&S矢量信號(hào)源都能夠?qū)崟r(shí)產(chǎn)生調(diào)制數(shù)字信號(hào)，同時(shí)均可產(chǎn)生通用標(biāo)準(zhǔn)（如LTE）的數(shù)字調(diào)制信號(hào)。使用實(shí)時(shí)自定義數(shù)字調(diào)制產(chǎn)生測(cè)試波形的流程框圖見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)Datalist文件導(dǎo)入至信號(hào)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(wú)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(hào)源中進(jìn)行定義，可采用導(dǎo)入自定義調(diào)制映射文件的方式進(jìn)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M(jìn)apWiz。

需要載入half-sine脈沖成形濾波器至矢量信號(hào)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(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)生測(cè)試波形，采用矢量信號(hào)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(fèi)的信號(hào)生成和處理軟件WinIQSim2操作簡(jiǎn)單直觀，在ARB模式下，所有波形計(jì)算和處理都在計(jì)算機(jī)側(cè)完成，矢量信號(hào)發(fā)生器只將計(jì)算好的波形播放。直接將生成的波形可通過(guò)網(wǎng)線傳輸至R&S矢量信號(hào)源，在WinIQSim2軟件中也可以對(duì)生成信號(hào)的時(shí)域和頻域波形進(jìn)行預(yù)覽，預(yù)判生成的信號(hào)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(hào)源的ARB內(nèi)存。

通過(guò)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?hào)，之后通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生的方法和應(yīng)用軟件，經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，具備完全的可操作性，可以為運(yùn)營(yíng)商、無(wú)線數(shù)據(jù)設(shè)備廠商生成參考測(cè)試文件，也可在開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行任意形式的自定義驗(yàn)證。

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