一種mac層和網絡層的交互方法及雙核嵌入式系統的製作方法
2023-10-24 00:10:47
專利名稱：：一種mac層和網絡層的交互方法及雙核嵌入式系統的製作方法
技術領域：
：本發明屬於無線Mesh網絡通信領域，特別是涉及是一種基於IEEE802.16d協議設計的MAC層和網絡層交互方法，和一種雙核嵌入式系統。
背景技術：
：無線mesh網絡，由meshrouters(路由器)禾口meshclients(客戶端)組成，其中meshrouters構成骨幹網絡，並和有線的internet網相連接，負責為meshclients提供多跳的無線internet連接。無線Mesh網絡(無線網狀網絡)也稱為"多跳(multi-hop)"網絡，它是一種與傳統無線網絡完全不同的新型無線網絡技術。在無線Mesh網絡中，任何無線設備節點都可以同時作為AP和路由器，網絡中的每個節點都可以發送和接收信號，每個節點都可以與一個或者多個對等節點進行直接通信。這種結構的最大好處在於如果最近的AP由於流量過大而導致擁塞的話，那麼數據可以自動重新路由到一個通信流量較小的鄰近節點進行傳輸。依此類推，數據包還可以根據網絡的情況，繼續路由到與之最近的下一個節點進行傳輸，直到到達最終目的地為止。無線Mesh網絡中無線信道環境的時變性和網絡拓撲的不斷變化，要求網絡通信的各個層之間能夠互相交換信息，快速做出反應以提高網絡性能。對於網絡層和MAC層之間的信息交互，MAC層應及時了解網絡層數據的類別，通信方式，發送功率等信息，而網絡層也需要通過MAC層得到節點的狀態如接收功率和在網狀態等，這就需要在MAC層和網絡層之間確定一種規範的通信流程，以實現網絡層和MAC層信息的交互。IEEE802.16d協議對無線城域網MAC層和物理層的空中接口進行了詳細的規範，但是協議只是從MAC層的角度給出了數據在MAC層的處理框架及流程，並沒有從全局出發考慮和網絡層的交互，這就給協議開發者留下了研究空間。總之，目前需要本領域技術人員解決的一個技術問題就是如何能夠改進IEEE802.16dMAC層協議，給出一個數據在網絡層和MAC層的具體交互過程的實現方案。
發明內容本發明所要解決的技術問題是提供一種基於IEEE802.16d協議設計的MAC層和網絡層交互方法，以及一種雙核嵌入式系統，通過對MAC層和網絡層通信的硬體接口的設計，以及對層間接口消息、服務原語及其交互過程的設計，從而實現了數據在網絡層和MAC層的交互。為了解決上述問題，本發明公開了一種MAC層和網絡層的交互方法，包括在ARM上完成網絡層的功能，所述網絡層功能至少包括路由、尋址；在DSP上完成MAC層的功能，所述MAC層的功能至少包括接入、隊列調度和時隙預約；在ARM和DSP之間，通過MAC層給網絡層的接口消息，網絡層給MAC層的接口消息，以及MAC層服務原語和網絡層服務原語實現網絡層和MAC層消息的交互；其中，接口消息是指隨N+l/N層的數據一起發送到N/N+l層並供其使用的消息，服務原語用於N+1/N層向N/N+1層發出指令，實現協議棧中不同層之間的4對話。優選的，當主機需要與DSP通信時，會通過寫中斷位DSPINT向DSP發出中斷，DSP內部通過DMA方式對數據進行處理；當DSP有數據要和主機通信時，通過DSP控制HINT位向主機發出中斷，通知主機通過HPI讀數據。優選的，網絡層給MAC層的接口消息包括網絡層的數據類型；網絡層數據的通信方式；網絡層通過拓撲控制決定的最大發送功率；網絡層IP數據包的類別；網絡層IP包的長度；以及，下一跳IP位址。優選的，MAC層給網絡層的接口消息包括射頻給MAC層的接收功率；MAC層接收網絡層數據的源IP位址；網絡層根據MAC層給的接收功率值來進行相關路由操作；網絡層依據源IP位址建立反向路由。優選的，網絡層給MAC層的服務原語包括以下兩種類型IP位址通告消息和組播地址更新原語。優選的，MAC給網絡層的服務原語包括以下兩種類型網絡接入原語和網絡鄰居更新原語。依據本發明的另一實施例，還公開了一種用於實現MAC層和網絡層交互的雙核嵌入式系統，包括ARM處理器，用於完成網絡層的功能，所述網絡層功能至少包括路由、尋址；DSP處理器，用於完成MAC層的功能，所述MAC層的功能至少包括接入、隊列調度和時隙預約；接口單元，包括與ARM處理器相連的總線接口，與DSP處理器相連的HPI接口，總線接口和HPI接口之間通過並行總線進行通信；作為主機的ARM處理器和DSP的CPU均可以訪問所述HPI接口；在ARM處理器和DSP處理器之間，通過MAC層給網絡層的接口消息，網絡層給MAC層的接口消息，以及MAC層服務原語和網絡層服務原語實現網絡層和MAC層消息的交互；其中，接口消息是指隨N+l/N層的數據一起發送到N/N+l層並供其使用的消息，服務原語用於N+l/N層向N/N+l層發出指令，實現協議棧中不同層之間的對話。優選的，當作為主機的ARM處理器需要與DSP通信時，寫中斷位DSPINT通過HPI接口向DSP發出中斷，DSP內部通過DMA方式對數據進行處理；當DSP有數據要和主機通信時，通過DSP控制HINT位向主機發出中斷，通知主機通過HPI讀數據。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明改進了IEEE802.16dMAC層協議，給出一個數據在網絡層和MAC層的具體交互過程的實現方案。本發明在硬體實現上，基於ARM+DSP雙核嵌入式系統，設計了實現MAC層功能的DSP和實現網絡層功能的ARM之間硬體通信的接口，即MAC層和網絡層數據在ARM和DSP硬體間的交互方法是通過主機和DSPCPU都可以訪問的HPI接口實現的。進一步，本發明在軟體實現上，給出了MAC層和網絡層交互時使用的接口消息和服務原語及其使用方法。圖1是本發明一種用於實現MAC層和網絡層交互的雙核嵌入式系統的結構示意圖；圖2是本發明MAC層和網絡層交互過程中的接口消息幀格式的示意圖3是本發明MAC層和網絡層交互過程中的服務原語的幀格式示意圖。具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。本發明的核心構思在於本專利的發明人通過分析IEEE802.16d協議，設計協議中未規定的MAC層和網絡層通信流程，從應用的角度提出MAC層和網絡層通信實現方法，具體的包括了MAC層和網絡層硬體接口的設計，軟體接口消息及其交互過程的設計；二者的結合應用實現了MAC層和網絡層通信流程。本發明通過在Windows操作平臺使用MicrosoftVisualStudio.Net開發的C++仿真平臺對節點間數據發送和接收流程進行測試之後，連接DSP和ARM進行聯合測試MAC層和網絡層數據的交互，測試結果表明數據交互正常完成。本發明填補了IEEE802.16d協議未規範網絡層和MAC層的通信機制的空白。參照圖l，示出了本發明一種用於實現MAC層和網絡層交互的雙核嵌入式系統，包括ARM處理器101，用於完成網絡層的功能，所述網絡層功能至少包括路由、尋址；DSP處理器102，用於完成MAC層的功能，所述MAC層的功能至少包括接入、隊列調度和時隙預約；接口單元103，包括與ARM處理器相連的總線接口1031，與DSP處理器相連的HPI接口1032，總線接口和HPI接口之間通過並行總線進行通信；作為主機的ARM處理器和DSP的CPU均可以訪問所述HPI接口；在ARM處理器和DSP處理器之間，通過MAC層給網絡層的接口消息，網絡層給MAC層的接口消息，以及MAC層服務原語和網絡層服務原語實現網絡層和MAC層消息的交互；其中，接口消息是指隨N+l/N層的數據一起發送到N/N+l層並供其使用的消息，服務原語用於N+l/N層向N/N+l層發出指令，實現協議棧中不同層之間的對話。HPI(Host-PortInterface)主機接口通常可以使用一個16bit/32bit寬的並行埠。主機(host)對CPU地址空間的訪問可以通過EDMA控制器實現。HPI接口的訪問一般主要通過三個專用寄存器來實現HPI控制寄存器(HPIC)、HPI地址寄存器(HPIA)和HPI數據寄存器(HPID)。當作為主機的ARM處理器需要與DSP通信時，寫中斷位DSPINT通過HPI接口向DSP發出中斷，DSP內部通過DMA方式對數據進行處理；當DSP有數據要和主機通信時，通過DSP控制HINT位向主機發出中斷，通知主機通過HPI讀數據。本發明對MAC層和網絡層硬體接口的設計具體內容包括MAC層的接入，調度，時隙分配等功能被下載到DSP上實現，網絡層的功能模塊則被封裝在ARM上實現；整個系統基於ARM+DSP雙核嵌入式系統實現。為實現ARM和DSP間的通信，對兩者通信的硬體接口也進行設計。如圖1所示的MAC層和網絡層通信的硬體接口，從MAC層的角度講，和它相連的硬體接口就是主機和DSPCPU都可以訪問的HPI接口；通過HPI接口，可以實現主機和DSP的數據交換。當主機向DSP存儲空間的某個地址寫數據時，會通過寫中斷位DSPINT向DSP發出中斷，DSP內部通過DMA方式對數據進行處理。當DSP有數據要和主機通信時，通過DSP控制HINT位向主機發出中斷，通知主機通過HPI讀數據，由此便實現了主機和DSP的數據交換。DSPINT是主機發中斷信號給HPI寄存器通知其讀或寫數據的片上管腳；HINT則是DSP發中斷信號給主機通知其讀數據的片上管腳；HPI寄存器分為HPIC(控制)，HPIA(地址)和HPID(數據)三種，主機可以訪問此三種寄存器，DSPCPU可以訪問HPIC和HPIA寄存器。數據在硬體間的實現流程為，指定DSP上一段地址空間存儲網絡層給MAC層及MAC層給網絡層的數據。當網絡層有數據發送給MAC層，通過主機進行HPI操作寫數據到已指定的存儲空間，然後發送中斷信號通知MAC層取數據；當MAC層有數據要給網絡層，通過操作HPIA寄存器並發送中斷信號通知主機從指定存儲空間讀數據。這樣就實現了MAC層和網絡層數據通過硬體的交互。本發明還提供了在ARM和DSP的雙核嵌入式系統上的一種MAC層和網絡層的交互實現方案，包括在ARM上完成網絡層的功能，所述網絡層功能至少包括路由、尋址；、在DSP上完成MAC層的功能，所述MAC層的功能至少包括接入、隊列調度和時隙預約；在ARM和DSP之間，通過MAC層給網絡層的接口消息，網絡層給MAC層的接口消息，以及MAC層服務原語和網絡層服務原語實現網絡層和MAC層消息的交互；其中，接口消息是指隨N+l/N層的數據一起發送到N/N+l層並供其使用的消息，服務原語用於N+l/N層向N/N+l層發出指令，實現協議棧中不同層之間的對話。當主機需要與DSP通信時，會通過寫中斷位DSPINT向DSP發出中斷，DSP內部通過DMA方式對數據進行處理；當DSP有數據要和主機通信時，通過DSP控制HINT位向主機發出中斷，通知主機通過HPI讀數據。本發明除了對MAC層和網絡層的硬體接口的設計之外，還包括針對接口消息及其交互流程的設計。具體的，其交互流程需要包括隨N+l/N層的數據一起發送到N/N+l層並為其提供後續操作所需參數的接口消息；層間請求、應答、指示和響應消息對話的原語消息。所述的MAC層和網絡層接口消息具體包括MAC層給網絡層和網絡層給MAC層兩個方向的接口消息。類似的，服務原語也分為MAC層服務原語和網絡層服務原語兩種。數據在MAC層的格式稱為幀，MAC層通過將其傳送消息的數據單元MAC-PDU加上幀頭幀尾達到數據成幀的目的；幀校驗序列FCS用於MAC層數據錯誤控制；CMD則用於區分MAC層消息類別以指示並控制相應的數據處理流程；LEN則表示除去幀頭幀尾的數據長度。接口消息和服務原語的格式有所不同，接口消息幀格式如附圖2所示，它包括幀頭201，長度為l個字節，幀尾202，長度為l個字節；用於區分消息類別的CMD203，長度為1個字節；除去幀頭幀尾的幀長度LEN204，，長度為2個字節；層間接口消息205，長度為8個字節；幀校驗序列FCS206，長度為l個字節。MAC-PDU207是MAC層傳送消息的單元，通常可能佔用4480個字節。服務原語的幀格式如附圖3所示，它包括1個字節的幀頭301，1一個字節的幀尾302，1個字節的CMD303，1個字節的FCS304及8個字節的服務原語信息305。接口消息和服務原語的區別在於接口消息是隨發送數據一起發送到對應協議層，它為對應協議層提供處理數據所需的消息。服務原語屬於一種指令，它一旦被接收到，就要作出相應響應，而接口消息則不用立即響應。下面對各個接口消息和服務原語進行詳細說明。網絡層給MAC層的接口消息包括網絡層的數據類型；網絡層數據的通信方式；網絡層通過拓撲控制決定的最大發送功率；網絡層IP數據包的類別；網絡層IP包的長度；以及，下一跳IP位址。具體的，網絡層給MAC層的接口消息格式如下表1，CMD=0x80參數標識佔位符詳細描述控制/數據標誌flag—contrl—data2bitOxl:控制；0x0:數據廣播/單播/組播標誌f1ag—brod—muti—uni2bits0x0:廣播；0xl:單播；0x2:組播最大發射功率tx—power—max4bitsNET層通知MAC層的最大發送功率業務類型標誌位flag—service8bitsNET層通知MAC層數據單播/組播的業務類型IP包的長度ip—length16bitsIP包的最大長度為216下一跳MACID/組播ID地址next—ip—addr32bits廣播/單播/組播標誌位其中，flag—control—data為0表示網絡層的Ip數據包，flag_control_data為1表示網絡層的控制消息如Hello消息，REQ、RERR、ARP請求等；flag_brod_multi_uni表示網絡層數據的通信方式，flag_brod_multi_uni為0表示廣播，為1表示單播，為2表示組播。tx_power_max表示網絡層通過拓撲控制決定的最大發送功率，IEEE802.16協議規定功率值應從8dBm開始，以2dBm遞增，如1111表示38dBm。flag—service表示網絡層IP數據包的類別，flag_service為0x0表示UGS業務，為0xl表示Rtps業務，為0x2表示Nrtps業務，為0x3表示BE業務。Ip_length表示網絡層IP包的長度；next_ip_addr表示下一跳IP位址，如果網絡層數據廣播，即flag_brod_multi_uni為0，則next」p_addr為OxFFFFFFFF，如果網絡層數據單播，則next」p_addr為單播的下一跳IP位址，如果網絡層數據組播，則next_ip_addr為組播IP位址。MAC層根據網絡層接口消息中的flag_COntr0l_data標誌位區分網絡層的數據類型並進行相應的處理，MAC層對控制消息在DSCH發送時隙發送，對IP數據在發送前要進行時隙預約和請求連接。MAC層通過flag_brod_multi_uni和next_ip_addr對廣播，單播和多播數據進行相應的處理，不同的通信方式在MAC層對應不同的數據尋路方式。MAC層通過flag—service對網絡層數據進行分類排隊；根據ip_length計算PDU長度從而對數據進行分包組包。MAC層給網絡層的接口消息包括射頻給MAC層的接收功率；MAC層接收網絡層數據的源IP位址；網絡層根據MAC層給的接收功率值來進行相關路由操作；網絡層依據源IP位址建立反向路由。MAC層給網絡層的接口消息格式如下表2，CMD=0x00tableseeoriginaldocumentpage9其中，recv_power表示射頻給MAC層的接收功率，prev_ip_addr表示MAC層接收網絡層數據的源IP位址。網絡層根據MAC層給的reCV_p0Wer值來進行路由維護，定位和測距等操作；通過preV_ip_addr建立反向路由。網絡層給MAC層的服務原語有兩種IP位址通告消息和組播地址更新原語。其中，IP位址通告原語的格式如下表3，CMD=0x81tableseeoriginaldocumentpage9如果節點接收到MAC層接入原語，就回復IP位址通告原語給MAC層。組播地址更新原語的格式如下表4，CMD=0x82tableseeoriginaldocumentpage10當網絡層發現組播地址變化，就發送組播地址更新原語給MAC層通知MAC層新的組播IP位址。MAC給網絡層的服務原語包括以下兩種類型網絡接入原語和網絡鄰居更新原語。其中，網絡接入原語的格式如下表5，CMD=0x01tableseeoriginaldocumentpage10如果節點接入網絡，MAC層發送flag—access為1的服務原語給網絡層，網絡層一接收到此消息，就通過網絡層IP位址通告服務原語回復節點IP給MAC層，以使MAC層將NodeID和IP位址——對應。網絡鄰居更新原語的格式如下表6，CMD=0x02tableseeoriginaldocumentpage10MAC層在接收到網絡層接口消息之後，如果在節點鄰居列表裡找不到接口消息中的neXt_ip_addr，MAC層設置原語消息中的flag_type為0表示此鄰居地址無效，通過invalicLnode」p把無效IP位址通知網絡層以更新路由表。以上對本發明所提供的一種ARM和DSP的雙核嵌入式系統，以及在其基礎上的一種MAC層和網絡層的交互實現方案，進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式及應用範圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。權利要求一種MAC層和網絡層的交互方法，其特徵在於，包括在ARM上完成網絡層的功能，所述網絡層功能至少包括路由、尋址；在DSP上完成MAC層的功能，所述MAC層的功能至少包括接入、隊列調度和時隙預約；在ARM和DSP之間，通過MAC層給網絡層的接口消息，網絡層給MAC層的接口消息，以及MAC層服務原語和網絡層服務原語實現網絡層和MAC層消息的交互；其中，接口消息是指隨N+1/N層的數據一起發送到N/N+1層並供其使用的消息，服務原語用於N+1/N層向N/N+1層發出指令，實現協議棧中不同層之間的對話。2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於當主機需要與DSP通信時，會通過寫中斷位DSPINT向DSP發出中斷，DSP內部通過DMA方式對數據進行處理；當DSP有數據要和主機通信時，通過DSP控制HINT位向主機發出中斷，通知主機通過HPI讀數據。3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，網絡層給MAC層的接口消息包括網絡層的數據類型；網絡層數據的通信方式；網絡層通過拓撲控制決定的最大發送功率；網絡層IP數據包的類別；網絡層IP包的長度；以及，下一跳IP位址。4.如權利要求l所述的方法，其特徵在於，MAC層給網絡層的接口消息包括射頻給MAC層的接收功率；MAC層接收網絡層數據的源IP位址；網絡層根據MAC層給的接收功率值來進行相關路由操作；網絡層依據源IP位址建立反向路由。5.如權利要求l所述的方法，其特徵在於，網絡層給MAC層的服務原語包括以下兩種類型IP位址通告消息和組播地址更新原語。6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，MAC給網絡層的服務原語包括以下兩種類型網絡接入原語和網絡鄰居更新原語。7.—種用於實現MAC層和網絡層交互的雙核嵌入式系統，其特徵在於，包括ARM處理器，用於完成網絡層的功能，所述網絡層功能至少包括路由、尋址；DSP處理器，用於完成MAC層的功能，所述MAC層的功能至少包括接入、隊列調度和時隙預約；接口單元，包括與ARM處理器相連的總線接口，與DSP處理器相連的HPI接口，總線接口和HPI接口之間通過並行總線進行通信；作為主機的ARM處理器和DSP的CPU均可以訪問所述HPI接口；在ARM處理器和DSP處理器之間，通過MAC層給網絡層的接口消息，網絡層給MAC層的接口消息，以及MAC層服務原語和網絡層服務原語實現網絡層和MAC層消息的交互；其中，接口消息是指隨N+l/N層的數據一起發送到N/N+l層並供其使用的消息，服務原語用於N+l/N層向N/N+l層發出指令，實現協議棧中不同層之間的對話。8.如權利要求7所述的雙核嵌入式系統，其特徵在於當作為主機的ARM處理器需要與DSP通信時，寫中斷位DSPINT通過HPI接口向DSP發出中斷，DSP內部通過DMA方式對數據進行處理；當DSP有數據要和主機通信時，通過DSP控制HINT位向主機發出中斷，通知主機通過HPI讀數據。全文摘要本發明提供了一種MAC層和網絡層的交互方法，包括在ARM上完成網絡層的功能，所述網絡層功能至少包括路由、尋址；在DSP上完成MAC層的功能，所述MAC層的功能至少包括接入、隊列調度和時隙預約；在ARM和DSP之間，通過MAC層給網絡層的接口消息，網絡層給MAC層的接口消息，以及MAC層服務原語和網絡層服務原語實現網絡層和MAC層消息的交互。本發明通過在Windows操作平臺使用MicrosoftVisualStudio.Net開發的C++仿真平臺對節點間數據發送和接收流程進行測試之後，連接DSP和ARM進行聯合測試MAC層和網絡層數據的交互，測試結果表明數據交互正常完成。文檔編號H04W80/04GK101754424SQ200910243878公開日2010年6月23日申請日期2009年12月24日優先權日2009年12月24日發明者李富豔,李旭,申宏剛申請人:北京交通大學