QNMDWYX010微功率无线自组织网络通信协议 1220.docx
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QNMDWYX010微功率无线自组织网络通信协议 1220.docx
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QNMDWYX010微功率无线自组织网络通信协议1220
Q/NMDW
内蒙古电力公司发布
2012-01-01实施
2011-12-01发布
微功率无线自组织网络通信协议
InteroperabilityProtocolofMicro-PowerWirelessMeterReading
Q/NMDW-YX-010-2012
内蒙古电力公司企业标准
目录
前言1
1范围2
2规范性引用文件2
3术语和定义2
3.1Adhoc网络Adhocnetwork2
3.2包Packet2
3.3载荷数据Payloaddata2
3.4传输Transaction2
3.5协议数据单元(PDU)Protocoldataunit2
3.6帧Frame2
3.7自组织Self-organizing3
3.8集中器本地通信模块Concentratorlocalcommunicationmodule3
3.9电能表通信模块Electricenergymetercommunicationmodule3
3.10采集器通信模块Collectorcommunicationmodule3
3.11终端通信模块Terminalcommunicationmodule3
3.12发送设备Senderdevice3
3.13发起设备Originatordevice3
3.14接收设备Receivingdevice3
3.15目标设备Destinationdevice3
3.16节点Node3
4缩略语3
5总体描述4
5.1概述4
5.2微功率无线自组织网络支持的设备5
5.3网络拓扑5
5.4协议栈结构5
5.5特性综述6
5.6特别说明6
6应用层7
6.1概述7
6.2应用支持子层7
6.3设备管理平台18
7网络层20
7.1概述20
7.2网络层帧格式20
7.3网络层常量与属性27
7.4网络层功能描述28
8MAC层34
8.1概述34
8.2MAC层帧格式34
8.3MAC层常量与属性38
8.4MAC层功能描述39
9物理层规范(加)42
9.1概述42
9.2物理层帧格式45
9.3物理层常量与属性46
附 录 A(资料性附录)CRC校验算法48
前言
随着内蒙古电力公司用电信息采集系统的全面建设推广,对本地通信设备的易用性、易维护性提出了更高的要求。
为进一步降低微功率无线通信设备的技术门槛,提高微功率无线通信设备的整体技术水平,实现不同制造厂家设备的互联互通,内蒙古电力公司广泛邀请业内专家和知名供应商,组织编制了本标准。
本标准的编制参考了有关的标准、规程、规范。
本标准中规定了微功率无线自组织网络的组网功能、协议层次、空中帧结构、参数配置和必要算法等要求。
本标准为微功率无线集中器和微功率无线终端模块的设计、制造、管理、维护提供了必要的技术指导。
本标准由内蒙古电力公司营销部提出并负责解释。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。
本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。
范围
本标准规定了微功率无线自组织网络的组网功能、协议层次、空中帧结构、参数配置和必要算法等。
本标准适用于用电信息采集系统本地通信采用微功率无线的组网方式情况下的集中器本地通信模块与电能表通信模块、采集器通信模块之间的数据交换。
规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件,仅所注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
Q/GDW373—2009电力用户用电信息采集系统功能规范
Q/GDW374.2—2009电力用户用电信息采集系统集中抄表终端技术规范
Q/GDW376.1—2009电力用户用电信息采集系统通信协议第一部分:
主站与采集终端通信协议
信部无【2005】423号微功率(短距离)无线电设备的技术要求
IEEE802.15.4b:
2006系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第15.4部分:
低速率无线个域网(WPAN)物理层和媒体访问控制层规范
术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
Adhoc网络Adhocnetwork
在没有骨干网络支持和预先建立的链路的情况下,通信设备自主进行设置而建立起来的网络。
包Packet
同一时间经过物理介质,以一定格式发出的一组比特。
载荷数据Payloaddata
正在传输的数据内容。
传输Transaction
为了成功地传输一个MAC命令或一个数据帧,两个对等的介质访问控制(MAC)实体交换一系列的相关帧。
协议数据单元(PDU)Protocoldataunit
两层实体之间交换的数据单元。
帧Frame
MAC层实体送出的一组比特的格式,一个帧内的比特在同一时间发射出去。
自组织Self-organizing
网络节点在无人干涉条件下能自行检测到其它节点的存在并能够组网、使网络正常运转的能力。
集中器本地通信模块Concentratorlocalcommunicationmodule
安装在集中器上,承担微功率无线自组织网络的路由建立与管理功能,在集中器和每块电能表之间转发抄表命令和电能表返回的数据的智能化装置。
电能表通信模块Electricenergymetercommunicationmodule
安装在电能表上,为单一电能表服务,承担集中器本地通信模块与电能表之间的通讯任务。
采集器通信模块Collectorcommunicationmodule
安装在电能表表箱内,以RS-485接口与一组电能表相连接,承担集中器本地通信模块与一组电能表之间的通讯任务。
终端通信模块Terminalcommunicationmodule
电能表通信模块和采集器通信模块统称为终端通信模块。
发送设备Senderdevice
在本规范的网络层,发送设备是指实际通过射频部件向空中发送数据的设备,发送的数据可能是它自己发起的,也可能是帮别人转发的。
发起设备Originatordevice
在本规范的网络层,发起设备是指一次数据传输或路由发现过程的发起者。
接收设备Receivingdevice
在本规范的网络层,接收设备是指实际从MAC层收到数据帧的设备,这个帧有可能是给它的,也有可能只是需要它转发的。
目标设备Destinationdevice
在本规范的网络层,目标设备是指数据包将到达到的最终的目的设备,可能需要经过多跳转发才到到达。
节点Node
在本规范的网络层,节点是指位于一个无线网络中,具有一个独立的16位网络地址,并可以与其它设备通过无线交换数据的设备。
节点可以是集中器本地通信模块、电能表通信模块或者采集器通信模块。
缩略语
BEbackoffexponent退避指数
CCAclearchannelassessment空闲通道评估
CRCcyclicredundancycheck循环冗余校验
CSMA-CAcarriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance带冲突避免的载波侦听多址
DSNdatasequencenumber数据序列号
ERPeffectiveradiatedpower有效发射功率
FCSframechecksequence帧校验序列
ITUInternationalTelecommunicationUnion国际电信联盟
LSBleastsignificantbit最低位
MACmediumaccesscontrol介质访问控制
MFRMACfooterMAC帧尾
MHRMACheaderMAC帧头
MLMEMACsublayermanagemententityMAC子层管理实体
MLME-SAPMACsublayermanagemententity-serviceaccesspointMAC子层管理实体-服务接入点
MSBmostsignificantbit最高位
MPDUMACprotocoldataunitMAC协议数据单元
MSDUMACservicedataunitMAC服务数据单元
NBnumberofbackoff(periods)退避(间隔)数
OSIopensystemsinterconnection开放式系统互联
PD-SAPPHYdataserviceaccesspoint物理层数据服务接入点
PDUprotocoldataunit协议数据单元
PERpacketerrorrate误包率
PHRPHYheader物理层头
PHYphysicallayer物理层
PIBPANinformationbasePAN信息库
PLMEphysicallayermanagemententity物理层管理实体
PLME-SAPphysicallayermanagemententity-serviceaccesspoint物理层管理实体-服务接入点
PNpseudo-randomnoise伪随机噪声
PPDUPHYprotocoldataunit物理协议数据单元
PSDUPHYservicedataunit物理服务数据单元
RFradiofrequency射频
RSSIreceivedsignalstrengthindication接收信号强度指示
RXreceiveorreceiver接收或接收机
SAPserviceaccesspoint服务接入点
SDUservicedataunit服务数据单元
SFDstart-of-framedelimiter帧定界起始
SHRsynchronizationheader同步头
TRXtransceiver收发信机
总体描述
概述
微功率无线自组织网络是实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的通信网络,覆盖范围有限,发射功率受到国家无线电管理的严格限制,终端节点位置固定,通信链路相对稳定。
本标准适用于此类对象,对集中器本地通信模块与电能表通信模块、采集器通信模块的空中帧格式进行了完整的定义和描述,明确了终端通信模块的功能和数据类型,支持基于集中器统一管理的灵活快速组网。
微功率无线自组织网络支持的设备
微功率无线自组织网络包括两种通信设备,安装在集中器的全功能中心节点模块(以下简称集中器本地通信模块,也称中心节点)和安装在电能表和采集器的简化功能子站节点模块(以下简称终端通信模块,也称子站节点)。
集中器本地通信模块与终端通信模块之间可以通信。
终端通信模块之间不能直接通信,只能与集中器本地通信模块通信,但可以转发数据。
网络拓扑
微功率无线自组织网络可组成星型网络、树形网络或者MESH网状网络,网络的具体构架由集中器本地通信模块确定。
无论何种网络的拓扑结构,终端通信模块应能适应。
协议栈结构
微功率无线自组织网络协议栈结构由一组被称作层的模块组成。
每一层为上面的层执行一组特定的服务:
数据实体提供了数据传输服务,管理实体提供了所有其它的服务。
每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为上层提供一个接口,每个SAP支持多种服务原语来实现要求的功能。
微功率无线自组织网络协议栈结构如图1所示。
协议栈结构基于标准的开放式系统互联(OSI)七层模型,定义了物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、网络层(NWK)和应用层。
应用层由应用支持子层(APS)和设备管理模块组成。
微功率无线自组织网络协议栈结构图
物理层定义了以下内容:
●射频通信所需要的频率资源、输出功率限制、调制方式、调制频偏、空中码元速率;
●数据信道的编码方式,前向纠错、交织和数据白化;
MAC层定义了以下内容:
●带冲突避免的载波侦听多址接入(CSMA-CA)控制机制;
网络层定义了以下内容:
●在指定的信道组组建网络;
●为到预定目的地的帧寻找路由;
应用层包括应用支持子层(APS)和设备管理模块。
APS子层定义了以下内容:
●端到端的数据传输,确认和重传;
●应用层维护功能,包括事件上报、模块复位、手持设置等。
设备管理模块定义了以下内容:
●管理设备的配置信息;
●网络中设备的类型(例如:
集中器本地通信模块、采集器通信模块或电能表通信模块);
●定义设备应用接口。
特性综述
本部分主要对微功率无线自组织网络的特性进行综述,包括数据传输模型、帧结构、鲁棒性等。
数据传输模型
网络中存在着两种数据传输方式:
终端通信模块发送数据给集中器本地模块、集中器本地模块发送数据给终端通信模块。
各个设备使用CSMA-CA机制访问信道。
该机制的通信过程如下:
每当设备需要发送数据或者发送MAC命令时,首先等待一段随机长度的时间,然后开始检测信道状态。
如果信道空闲,该信道立即开始发送数据。
如果信道占用,设备需要重复上面等待一段随机时间和检测信道状态的过程,直到能够发送数据。
在设备接收到数据帧或命令帧而需要响应确认帧的时候,确认帧应紧跟着接收帧发送,而不使用CSMA-CA机制竞争机制。
鲁棒性
网络采用CSMA-CA机制、帧确认机制和帧校验机制来保证数据传送的鲁棒性。
CSMA-CA机制
根据网络的结构,当任何一个设备想要传输数据帧或MAC命令时,应等待一段随机时间:
若发现道信道是空闲的,在一段随机时间后就可以发送;若信道被其他设备占用,设备必须退避另一随机时间再感知信道。
确认帧的发送不需要经过这一机制。
帧确认机制
帧确认机制是一种可选机制,发送帧的设备可要求目标设备在成功接收资料后发送确认,也可以不要求发送。
设备只对数据帧和命令帧使用帧确认机制,在任何情况下都不会为确认帧响应确认。
设备发送一帧后,如果在一定的时间内没有收到确认帧,就认为传输失败,需要重新选择时机发送该帧。
对于不要求确认的数据帧,发送以后就认为发送成功,并从本地缓冲队列中删除该数据帧。
帧校验机制
在微功率网络中有两种机制解决传输误码问题。
一种机制是使用短帧格式以减少单个帧出错的概率;另一种机制是利用MAC帧中的校验机制验证收到的资料是否出错。
MAC帧的校验码长16位,使用标准的CRC-16校验生成算法产生。
特别说明
本规范中,对于所有具有多个字节的域,在空中传输时为低字节在前,高字节在后。
对于每个字节,高比特位在前,低比特位在后。
应用层
概述
本协议的应用层,包括一个APS(应用支持子层)和一个设备管理平台。
APS子层的职责包括:
●支持端到端的数据传输,确认和重传;
●支持应用层维护功能,包括事件上报、模块复位、手持设置等;
设备管理平台的职责包括:
●管理设备的配置信息,并且定义网络中设备的角色(例如:
集中器本地通信模块或终端通信模块);
●定义设备应用接口。
应用支持子层
概述
应用支持子层通过一组通用的服务,提供了网络层和应用层之间的接口,由设备管理平台和制造商定义的应用对象使用。
这些服务通过两个实体提供:
数据服务和管理服务。
APS数据实体(APSDE)通过其相关的SAP提供了数据传输服务,即APSDE-SAP。
APS管理实体(APSME)通过其相关的SAP提供了管理服务,即APSME-SAP,并维护管理对象的数据库,也叫APS信息库(AIB)。
帧格式
本条描述了APS帧(APDU)的格式。
每个APS帧包括如下基本组成部分:
●一个APS头,它包括帧控制和帧序号;
●一个APS有效载荷,长度可变,它包括特定帧类型的信息。
APS子层的帧被描述为有特定顺序的一系列域。
本条中所有的帧格式按照它们在NWK层传输的顺序描述,从左至右,最左边的位首先传输。
每个域中的位从0开始编码(最左、最低)到k-1(最右、最高),这样域的长度就是k位。
多于一个字节的域被送往NWK层,按照低字节到高字节的顺序。
通用的APDU帧格式
APS帧格式包括一个APS头和一个APS有效载荷。
APS头域以固定顺序出现。
通用的APS帧应该如图2所示的格式编排。
字节数:
1
变长的
帧控制域
帧载荷
APS头
APS载荷
通用的APS帧格式
帧控制域
帧控制域长度为8位,包括定义帧类型的信息及其它控制标志。
帧控制域应该如图3所示的格式编排。
位:
0-1
2-5
6
7
帧类型
保留
确认请求
保留
帧控制域格式
帧类型子域
帧类型子域长度为两位,设置如表1所示的非保留值之一。
帧类型子域值
帧类型值b1b0
帧类型名称
00
数据
01
命令
10
确认
11
保留
确认请求子域
确认请求子域长度为1位,指明了接收设备在接收该帧时,当前传输是否需要发送一个确认帧。
如果该子域设置为1,接收设备在确定该帧有效之后,给发起设备构造并发送一个确认帧;如果该子域设置为0,接收设备在确定该帧有效之后,不给发起设备发送一个确认帧。
帧载荷域
帧载荷域长度可变,包含指明不同帧类型的信息。
APS层数据帧结构
数据帧格式应按图4所示的格式编排。
字节数:
1
变长的
帧控制域
帧载荷
APS帧头
APS载荷
APS数据帧格式
数据帧APS帧头域
数据帧的APS帧头域包含帧控制。
在帧控制域中,帧类型子域应包含指明一个数据帧的值(见表1)。
其它子域应该根据数据帧的预定用途合适设置。
数据载荷域
对于一个输出的数据帧,数据载荷域应该包含部分或所有上层请求APS数据服务传输的字节序列。
对于一个输入的数据帧,数据载荷域应该包含所有或部分APS数据服务已经接收的,以及要被传送到上层的字节序列。
APS层命令帧结构
APS命令帧格式必须按图5所示的格式编排。
字节数:
1
1
变长的
帧控制域
APS命令标识符
APS命令载荷
APS帧头
APS载荷
APS命令帧格式
APS命令帧头域中,必须包含帧控制域。
帧控制域中应该指示为一个APS命令帧。
APS命令标识符域表示使用的APS命令,该域设置为如表2所示的非保留值之一。
APS命令载荷域为一个APS命令的内容格式。
APS层命令帧
命令标识
命令名称
参见条目
0x01
事件上报请求
6.2.2.3.1
0x02
事件上报应答
6.2.2.3.2
0x03
模块复位请求
6.2.2.3.3
0x04
模块复位应答
6.2.2.3.4
0x05
写配置请求
6.2.2.3.5
0x06
写配置应答
6.2.2.3.6
0x07
读配置请求
6.2.2.3.7
0x08
读配置应答
6.2.2.3.8
0x09
保留
0x0A
更改短地址请求
6.2.2.3.9
0x0B
更改短地址应答
6.2.2.3.10
0x0C
更改信道请求
6.2.2.3.11
0x0D
读软件版本请求
6.2.2.3.12
0x0E
读软件版本应答
6.2.2.3.13
事件上报请求命令
终端通信模块在发现有网络异常、电能表故障等需要上报到集中器本地通信模块的事件时,使用事件上报请求命令向集中器本地通信模块上报信息。
事件上报请求命令的载荷格式如图6所示。
字节数:
1
1
1
变长
帧控制
命令标识
上报信息标识
上报信息内容
APS帧头
APS载荷
事件上报请求命令的载荷格式
协议帧头部分
MAC层帧头中,帧控制域指示为MAC层数据帧;PanID为本网络PanID,目标地址为单播地址。
网络层帧头中,帧控制域指示为网络层数据帧,有源路由域;目标地址为集中器本地通信模块地址,源地址为上报事件的终端通信模块的地址。
APS层帧头中,帧控制域指示为APS层命令帧。
命令载荷部分
命令标识域应该指示为APS层的事件上报请求命令(见表2)。
上报信息标识用来标识上报信息的类型,其值必须设置为如表3所示的一个非保留值。
上报信息内容为上层请求上报的事件内容。
上报信息类型
上报信息标识
上报信息类型
0x01
电能表事件
……
……
事件上报应答命令
集中器本地通信模块收到终端通信模块上报请求命令时,对上报事件做出处理,并且使用终端通信模块上报应答命令给终端通信模块回复确认。
终端通信模块上报应答命令的载荷格式如图7所示。
字节数:
1
1
1
变长
帧控制
命令标识
上报信息标识
上报事件处理信息
APS帧头
APS载荷
事件上报应答命令的载荷格式
协议帧头部分
MAC层帧头中,帧控制域指示为MAC层数据帧;PanID为本网络PanID,目标地址为单播地址。
网络层帧头中,帧控制域指示为网络层数据帧,有源路由域;目标地址为上报的终端通信模块地址,源地址为集中器本地通信模块的地址。
APS层帧头中,帧控制域指示为APS层命令帧。
命令载荷部分
命令标识域应该指示为APS层的事件上报应答命令(见表2)。
上报信息标识与相应的事件上报请求命令中的上报信息标识相同,其值为表3中的一个非保留值。
上报事件处理信息为集中器本地通信模块对上报事件处理后的回复信息内容,不同的上报信息标识此部分的内容不同,缺省为空。
模块复位请求命令
在一些特定的情况下需要从空中远程使模块复位,此功能可以用模块复位请求命令来实现。
模块复位请求命令的载荷格式如图8所示。
字节数:
1
1
1
1
帧控制
命令标识
复位原因
复位选项
APS帧头
APS载荷
模块复位请求命令的载荷格式
协议帧头部分
MAC层帧头中,帧控制域指示为MAC层数据帧;PanID为本网络PanID,目标地址为单播地址。
网络层帧头中,帧控制域指示为网络层数据帧,有源路由域;目标地址为需要被复位的模块的地址,源地址为发出复位命令的设备的地址。
APS层帧头中,帧控制域指示为APS层命令帧。
命令载荷部分
命令标识域应该指示为APS层的模块复位请求命令(见表2)。
复位原因应该设置为如表4所示的非保留值之一。
复位选项作为复位命令参数保留,缺省值为0x00。
复位原因类型
类型值
复位原因
0x01
集中器复位
……
……
模块复位应答命令
收到模块复位请求命令时,如果是单播命令,则先发送模块复位应答命令,然后再执行复位操作;如果是广播命令,则执行复位操作不发送模块复位应答命令。
模块复位应答命令的载荷格式如图9所示。
字节数:
1
1
1
1
1
帧控制
命令标识
复位原因
复位选项
状态
APS帧头
APS载荷
模块复位应答命令的载荷格式
协议帧头部分
MAC层帧头中,帧控制域指示为MAC层数据帧;PanID为本网络PanID,目标地址为单播地址。
网络层帧头中,
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