基于BLE的IPv6协议栈设计与实现
发布时间：2020-09-07 16:37
随着无线通信技术的发展和处理器能力的提升,越来越多的无线智能设备融入到了我们的生活当中并且为我们带来了诸多便利,近年来物联网领域也得到大量的关注和研究。低功耗蓝牙协议(Bluetooth Low Energy,BLE)以其极低的功耗和极佳的设备兼容性在物联网应用中大放异彩,然而当前这些设备并不能直接通过IP协议接入到互联网中,限制了低功耗蓝牙的应用前景。为了解决这一问题,本文提出了一种Contiki系统下基于BLE的IPv6协议栈,使得BLE节点可以在保持底层协议的基础上,通过网络层的IPv6协议进行数据交互。在明确了课题背景和研究目的后,本文分析了当前BLE节点对于接入互联网的迫切需求,并对目前的BLE协议栈层次结构和功能做了细致研究。然后梳理介绍了IPv6标准中的邻居发现协议和地址自动配置机制,并对在IEEE802.15.4协议上实现的IPv6适配层6Lo WPAN的实现原理和方法进行了探究,为本文协议栈的设计和实现奠定了基础。理论研究之后,本文推导了BLE协议连接过程中的连接间隔和从设备延迟两个重要参数对于系统传输速率和功耗的影响,以应用在实物平台测试中。在对BLE使用的自适应跳频算法的分析基础上,本文提出了一种改进的跳频算法,在面对信道中的突发同频干扰时,能够减少数据包的无效重传,节省计算资源并降低系统功耗。另外,为了避免较长的IPv6报文在BLE链路层传输过程中可能出现的拥塞情况,本文提出了一种基于信用度的流量控制方法,可以有效地控制IPv6报文在网络中的流量。最后,本文基于上述算法研究和改进,分层次的在Contiki通信协议架构上实现了支持IPv6通信的BLE协议栈,并移植到了TI CC2650平台上进行了连通性测试和性能评估,结果表明本文设计的协议栈具在对抗突发同频干扰性能上有所提升。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.44;TN915.04
【部分图文】：
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文同工作[6]。由于物联网中设备数量非常可观，当我们希望通过中的设备时，就会有相当数量的节点接入互联网，因而产生大求。已经投入使用 30 余年的 IPv4 技术由于地址空间局限性，快速增长已经濒临 IP 地址枯竭的问题[7]。而作为其接替者的 有几乎无尽的地址资源、支持地址无状态自动配置、并且拥有和很高的安全性，可以很好地满足海量的物联网节点对于地址动性等方面的需求[8]。使 BLE 网络接入到互联网中，需要在异构网络中加入中间节点接入互联网的 BLE 网络拓扑结构如图 1-1 所示：IPv6
议标准研发之外，目前国内外针对 BLE 协议的学术研。静态路由方面，文献[17]提出了一种基于 BLE 4.0 于根节点为汇聚节点的 BLE 网络。文献[18]提出了另一静态路由解决方案 RT-BLE，旨在有效的将 BLE 网状网范围内。动态路由方面，文献[19]基于 BLE 的 GATT 路由 MHTS，包括完整的邻居发现和寻路过程设计。启发于低功耗有损网络 IPv6 路由协议（IPv6 Routing r and Lossy Networks, RPL），通过广播信道传输路由控外，还有一些关于 BLE 室内定位的研究，文献[21]和 RSSI 和指纹算法的 BLE 室内定位方法。面上的低功耗蓝牙的应用主要为智能手环、手表、智及双模蓝牙的无线耳机和蓝牙音箱等，这些设备使用的.1 和 4.2。为了确定本文设计的协议栈符合的版本规范耗蓝牙相关产品进行了调研，随机选取了 60 款产品，表、蓝牙耳机和智能家居设备各 20 款。统计结果如图
图 4-7 TI CC2650 SensorTag 与 LaunchPad常基于 Contiki 操作系统的开发是在 Instant Contiki 虚拟机环境集成了 GCC 编译器和 Cooja 仿真器等开发和调试工具。然而，使和调试不够直观，并且编译生成的 HEX 文件不能直接下载，需ndows 下使用 Flash Programmer 2 工具进行烧录，往往对代码的微大量时间验证效果。因此，本文首先将开发环境移植到 Windows代码跳转、在线下载和调试的集成开发环境——IAR for ARM 进行发环境移植，本文做了很多工作，包括 Windows 下编译器、链接配置，工程代码树的构建，启动代码的修改，以及解决了一些开致的变量重定义、未定义，外部符号未定义，指针强制类型转换示等编译和连接错误。因为这部分不是本文研究的重点，故不再过上述移植工作后，主、从机工程生成的 HEX 文件已经能够在2650 SensorTag 和 LaunchPad 平台中，并且我们可在 IAR 下对工步硬件调试，极大地方便了后续的开发和测试工作。
本文编号：2813582
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.44;TN915.04
【部分图文】：
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文同工作[6]。由于物联网中设备数量非常可观，当我们希望通过中的设备时，就会有相当数量的节点接入互联网，因而产生大求。已经投入使用 30 余年的 IPv4 技术由于地址空间局限性，快速增长已经濒临 IP 地址枯竭的问题[7]。而作为其接替者的 有几乎无尽的地址资源、支持地址无状态自动配置、并且拥有和很高的安全性，可以很好地满足海量的物联网节点对于地址动性等方面的需求[8]。使 BLE 网络接入到互联网中，需要在异构网络中加入中间节点接入互联网的 BLE 网络拓扑结构如图 1-1 所示：IPv6
议标准研发之外，目前国内外针对 BLE 协议的学术研。静态路由方面，文献[17]提出了一种基于 BLE 4.0 于根节点为汇聚节点的 BLE 网络。文献[18]提出了另一静态路由解决方案 RT-BLE，旨在有效的将 BLE 网状网范围内。动态路由方面，文献[19]基于 BLE 的 GATT 路由 MHTS，包括完整的邻居发现和寻路过程设计。启发于低功耗有损网络 IPv6 路由协议（IPv6 Routing r and Lossy Networks, RPL），通过广播信道传输路由控外，还有一些关于 BLE 室内定位的研究，文献[21]和 RSSI 和指纹算法的 BLE 室内定位方法。面上的低功耗蓝牙的应用主要为智能手环、手表、智及双模蓝牙的无线耳机和蓝牙音箱等，这些设备使用的.1 和 4.2。为了确定本文设计的协议栈符合的版本规范耗蓝牙相关产品进行了调研，随机选取了 60 款产品，表、蓝牙耳机和智能家居设备各 20 款。统计结果如图
图 4-7 TI CC2650 SensorTag 与 LaunchPad常基于 Contiki 操作系统的开发是在 Instant Contiki 虚拟机环境集成了 GCC 编译器和 Cooja 仿真器等开发和调试工具。然而，使和调试不够直观，并且编译生成的 HEX 文件不能直接下载，需ndows 下使用 Flash Programmer 2 工具进行烧录，往往对代码的微大量时间验证效果。因此，本文首先将开发环境移植到 Windows代码跳转、在线下载和调试的集成开发环境——IAR for ARM 进行发环境移植，本文做了很多工作，包括 Windows 下编译器、链接配置，工程代码树的构建，启动代码的修改，以及解决了一些开致的变量重定义、未定义，外部符号未定义，指针强制类型转换示等编译和连接错误。因为这部分不是本文研究的重点，故不再过上述移植工作后，主、从机工程生成的 HEX 文件已经能够在2650 SensorTag 和 LaunchPad 平台中，并且我们可在 IAR 下对工步硬件调试，极大地方便了后续的开发和测试工作。
【参考文献】
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5 钱志鸿;王义君;;面向物联网的无线传感器网络综述[J];电子与信息学报;2013年01期
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2 熊小琳;WSN轻量级IP协议栈的设计和实现[D];电子科技大学;2015年
3 吴伟;基于IPv6的无线传感器网络协议栈的实现[D];南京邮电大学;2013年
本文编号：2813582
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