IEEE_802154協(xié)議

1、IEEE 802.15.4 低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡 （LR-WPAN） 提提 綱綱 IEEE802.15.4概述概述 IEEE 802.15.4 物理層規(guī)范物理層規(guī)范 ZigBee與與IEEE802.15.4 IEEE 802.15.4 MAC層規(guī)范層規(guī)范 IEEE802.15.4概述 IEEE802.15.4工作組致力于定義一種供廉價固定的、便攜 或移動設備使用的，低復雜度、低成本、低功耗、低速率的無 線連接技術，并在2003年12月通過了第一個IEEE802.15.4標 準。隨著無線個域網(wǎng)的推廣，無線通信網(wǎng)絡越來越關注于如何 擴展WLAN的能力以及開發(fā)出一種新的通信方法來適應不斷增 長的業(yè)務

2、需求。由此就產(chǎn)生了低速率無線個域網(wǎng)標準的概念， 而隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術的發(fā)展，這個也適用于無線傳感器 網(wǎng)絡的標準也得到了快速的發(fā)展。IEEE802.15.4標準定義了在 個人局域網(wǎng)中通過射頻方式在設備間進行互相通信的方式與協(xié) 議。作為支持低速率、低功耗、短距離無線通信的協(xié)議標準， IEEE802.15.4在無線電頻率和數(shù)據(jù)率、數(shù)據(jù)傳輸模型、設備類 型、網(wǎng)絡工作方式、安全考慮等方面都做出了說明。協(xié)議模型 劃分為物理層(PHY)和I媒體訪問控制層(MAC)兩個子層進行實 現(xiàn)。 IEEE 802.15.4 與 ZigBee ZigBee是由ZigBee Alliance所 主導的標準，定義了網(wǎng)絡層

3、、安全 層應用層、以及各種應用產(chǎn)品的架 構;而由IEEE所定制的802.15.4標準， 則是定義了物理層及MAC層。 ZigBee每層基本功能 v 物理層物理層 指定了網(wǎng)絡的接口組成、參數(shù)和運算。 v MAC層層 遵循IEEE802154協(xié)議，負責設備間無線數(shù)據(jù)鏈路的 建立、維護和結束，確認模式的數(shù)據(jù)傳送和接收，可選時隙，實 現(xiàn)低延遲傳輸，支持各種網(wǎng)絡拓撲結構。 v 網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層 建立新的網(wǎng)絡、處理節(jié)點的進入和離開網(wǎng)絡、根據(jù)網(wǎng)絡 類型設置節(jié)點的協(xié)議堆棧、使網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器對節(jié)點分配地址、保證 節(jié)點之間的同步、提供網(wǎng)絡的路由。 v 安全層安全層 依靠相稱性密匙保護、應用保護機制、合適的密碼機制 以及相

4、關的保密措施。 v 應用層應用層 ZigBee的應用層由應用子層(APS)、設備對象(ZDO)以及 制造商定義的應用設備對象組成。 APS子層的作用包括維護綁定表、在綁定設備間傳輸信息。 ZDO的作用包括在網(wǎng)絡中定義一個設備的作用、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的設備并 確定它們能提供何種服務、起始或回應綁定需求以及在網(wǎng)絡設備中建 立一個安全的連接。 制造商定義的應用對象根據(jù)ZigBee定義應用說明執(zhí)行實際的應用。 IEEE 802.15.4 標準 v IEEE 802.15.4的物理層定義了物理信道和MAC子層間的接口， 提供數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線物理信 道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務維護

5、一個物理層相關數(shù)據(jù)組成的 數(shù)據(jù)庫。 v 在IEEE 802.15.4的MAC層中引入了超幀結構和信標幀的概念。 這兩個概念的引入極大了方便了網(wǎng)絡管理，我們可以選用以超幀 為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡內(nèi)設備間的通信。每個超幀都以網(wǎng)絡協(xié) 調(diào)器發(fā)出信標幀為始，在這個信標幀中包含了超幀將持續(xù)的時間 以及對這段時間的分配等信息。網(wǎng)絡中的普通設備接收到超幀開 始時的信標幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務，例如 進入休眠狀態(tài)直到這個超幀結束。 MAC子層提供兩種服務：MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務。 前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中正確收發(fā)，后者 維護一個存儲MAC子層協(xié)議相關信息的數(shù)

6、據(jù)庫。 物理層頻帶參數(shù) 在IEEE 802.15.4，無線電線路可以運轉在無需執(zhí)照的三個頻帶上：868MHz， 902到928MHz和2.4GHz。 在868MHz和915MHz這兩個頻段上，信號處理過程相同，只是數(shù)據(jù)速率不同。 處理過程，首先將數(shù)據(jù)單元的二制數(shù)據(jù)差分編碼，然后再將差分編碼后的每一個 位轉換為長度為15的片序列，最后BPSK調(diào)制到信道上。 24GHz頻段的處理過程，首行將數(shù)據(jù)單元的二進制數(shù)據(jù)中每4位轉換為一個 符號（symbol），然后將每個符號轉換成長度為32的片序列。在把符號轉換片序 列時，用符號在16個近似正交的偽隨便噪聲序列的映射表，這是一個直接序列擴 頻的過程。擴頻后

7、，信號通過O-QPSK調(diào)制方式調(diào)制到載波上。 物理幀格式 v 前導碼（4字節(jié)）：用于符號同步。 v 起始分隔符（1字節(jié)）：用于幀同步。 v 物理頭端（1字節(jié)）：指定了物理服務數(shù)據(jù)單元的長度。 v 物理服務數(shù)據(jù)單元（=127字節(jié)）：用于負載數(shù)據(jù)。 前導碼起始分隔符物理頭端物理服務數(shù)據(jù)單元 (PSDU) 6 字節(jié)0-127 字節(jié) MAC層 v網(wǎng)絡設備與網(wǎng)絡拓撲 vMAC層幀類型 v超幀結構 v信標使能和信標不使能模式 vCSMA/CA算法 MAC層網(wǎng)絡設備 v 兩種設備類型兩種設備類型: 精簡功能設備(RFD) 全功能設備(FFD) FFD 與與RFD 的差別的差別：FFD 有能力成為協(xié)調(diào)者并選取

8、一個頻道建 立新的網(wǎng)絡，而RFD 只能透過向協(xié)調(diào)者注冊并連結后才能使用網(wǎng) 絡；另一個差別在于，并不是任何節(jié)點都有資格向協(xié)調(diào)者提出 GTS使用申請，此節(jié)點必須屬于FFD 才可向協(xié)調(diào)者要求保證傳輸 時槽使用權。 v 三種設備角色三種設備角色: 端設備 End device (RFD or FFD)：只具有簡單的收發(fā)功能，不能進 行分組的轉發(fā)。 協(xié)調(diào)器 Coordinator (FFD)：通常通過發(fā)送信標實現(xiàn)與周圍節(jié)點的同 步，且具有轉發(fā)分組的功能。 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器 PAN Coordinator (FFD)：為整個網(wǎng)絡的主控節(jié)點，并且 每個IEEE 802.15.4網(wǎng)絡只能有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)點 網(wǎng)絡拓撲結

9、構 星型星型 網(wǎng)狀型網(wǎng)狀型 簇狀型簇狀型 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器 全功能設備全功能設備(FFD,Router):可以支持可以支持 任何一種拓撲結構，可以作為網(wǎng)絡任何一種拓撲結構，可以作為網(wǎng)絡 協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和 任何一種設備進行通信任何一種設備進行通信 精簡功能設備精簡功能設備(RFD):只支持星型結只支持星型結 構，不能成為任何協(xié)商者，可以和構，不能成為任何協(xié)商者，可以和 網(wǎng)絡協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。網(wǎng)絡協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。 MAC幀格式 MAC層幀結構目標：用最低復雜度實現(xiàn)多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù) 據(jù)傳輸 幀組成 地址格式：16位短地址和

10、64位擴展地址 幀控制字段的內(nèi)容指示地址類型 幀的類型：信標幀，數(shù)據(jù)幀，確認幀，MAC命令幀 信標幀格式 v 超幀字段：持續(xù)時間；活躍部分持續(xù)時間；競爭訪問時斷持續(xù)時間超幀字段：持續(xù)時間；活躍部分持續(xù)時間；競爭訪問時斷持續(xù)時間 v GTS分配釋放信息：將無競爭時斷劃分為若干個分配釋放信息：將無競爭時斷劃分為若干個GTS，并把每個，并把每個GTS 具體分配給某個設備具體分配給某個設備 v 轉發(fā)數(shù)據(jù)目標地址：列出了與協(xié)調(diào)者保存的數(shù)據(jù)相對應的設備地址轉發(fā)數(shù)據(jù)目標地址：列出了與協(xié)調(diào)者保存的數(shù)據(jù)相對應的設備地址 v 信標幀負載數(shù)據(jù)：為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口信標幀負載數(shù)據(jù)：為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口 數(shù)

11、據(jù)幀格式 v 傳輸上層發(fā)送到傳輸上層發(fā)送到MAC子層的數(shù)據(jù)子層的數(shù)據(jù) v MAC服務數(shù)據(jù)單元：數(shù)據(jù)負載傳送至服務數(shù)據(jù)單元：數(shù)據(jù)負載傳送至MAC子層子層 v MAC幀：幀： MAC服務數(shù)據(jù)單元服務數(shù)據(jù)單元+MHR頭信息頭信息+MFR尾信息尾信息 確認幀格式 v 如果設備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或如果設備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀，命令幀， 并且?guī)拇_認請求位設置為并且?guī)拇_認請求位設置為1，設備需要回應一個確認幀。，設備需要回應一個確認幀。 v 確認幀的序列號應該與被確認幀的序列號相同，并且負載確認幀的序列號應該與被確認幀的序列號相同，并且負載 長度為長度為0。 v 確認幀緊

12、接著被確認幀發(fā)送，不需要使用確認幀緊接著被確認幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機制機制 競爭信道。競爭信道。 命令幀格式 v 命令幀用于組建命令幀用于組建PAN，傳輸同步數(shù)據(jù)等。，傳輸同步數(shù)據(jù)等。 v 命令幀有命令幀有9種類型。種類型。 v 命令幀的功能：把設備關聯(lián)到命令幀的功能：把設備關聯(lián)到PAN；與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)；與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)； 分配分配GTS。 v 命令幀的具體功能由幀的負載數(shù)據(jù)表示。命令幀的具體功能由幀的負載數(shù)據(jù)表示。 超幀結構 在IEEE 802.15.4中，可以選用超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡內(nèi)設 備間的通信。每個超幀都以網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)出信標幀開始，在信標 幀中包含了超幀將持

13、續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息。 網(wǎng)絡中的普通設備接收到包含超幀結構的信標幀后，就可以根據(jù) 其中的配置信息安排自己的任務。 超幀將通信時間劃分為活躍和不活躍兩個部分。 信標使能與信標不使能 v 信標使能模式下，協(xié)議引入超幀的概念，實現(xiàn)協(xié)調(diào)器信標使能模式下，協(xié)議引入超幀的概念，實現(xiàn)協(xié)調(diào)器 和設備的時間同步、識別和設備的時間同步、識別PAN及實現(xiàn)設備之間的通信。及實現(xiàn)設備之間的通信。 PAN通過定義信標幀的內(nèi)容來實現(xiàn)對超幀的控制，并周期性的 廣播。網(wǎng)絡采用嚴格的時間同步，分時隙進行通信?？梢栽?CAP采用時隙CSMA/CA協(xié)議進行通信，在CFP采用時隙GTS 機制進行通信。 v 在信標不使能模

14、式下，協(xié)議較為簡單，并不采用超幀在信標不使能模式下，協(xié)議較為簡單，并不采用超幀 結構，設備通過無時隙的結構，設備通過無時隙的CSMA/CA機制發(fā)送數(shù)據(jù)。機制發(fā)送數(shù)據(jù)。 信標使能通信 設備發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器設備發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器 協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設備協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設備 CSMA/CA 當某個節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送時，就采用時隙或者非 時隙的/進行數(shù)據(jù)傳輸。在信標使能網(wǎng)絡 中，采用的是時隙/，要求設備的退避時 隙的邊界必須在超幀時隙的邊界上，如果/ 機制的動作沒有在超幀時隙的邊界上完成，下一動 作將延時到下一個超幀時隙的開始邊界進行。在非信 標使能網(wǎng)絡中，采用的是非時隙/，此模 式不需要設備在退避時隙同其他設備的退避時隙同步。 v NB(后退次數(shù)，后退次數(shù)，Number Of Back) 記錄的是已執(zhí)back off 的次， 每執(zhí)一次此值就會加1。如果遇 到使用CCA 去偵測頻道為忙時， 就必須要重新去隨機取一個 backoff，而此時NB 就會增加。 NB 最大值為4 如果在這四次中偵 測頻道為忙的話就放棄傳送此 資，其是為避免系統(tǒng)有過大的 負擔。 v CW (碰撞窗口的長度，碰撞窗口的長度，content window length) 其單位為backo