第12章-物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(曾憲武)LXX2014.7

1、第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范1 1 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范12.1 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)12.2 ZigBee協(xié)議規(guī)范協(xié)議規(guī)范本章小結(jié)本章小結(jié)第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2 212.1 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)12.1.1 IEEE802.15.4主要性能主要性能IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是短距離無線通信的個域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network,WPAN)標(biāo)準(zhǔn)。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了個域網(wǎng)(Personal Area Network, PAN)中設(shè)備間的無線通

2、信協(xié)議和接口。 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用了多址接入/沖突檢測載波偵聽（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection， CSMA/CA）的媒體接入或媒體訪問控制方式， 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是點對點或星形結(jié)構(gòu)。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3 3IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)主要描述了物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)， 通信距離一般在數(shù)十米的范圍之內(nèi)。 IEEE802.15.4的物理層是WSN的通信基礎(chǔ)， MAC層實現(xiàn)對物理層的訪問， 完成信標(biāo)的同步， 支持個域網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)， 提供MAC層實體間的可靠連接， 執(zhí)

3、行信道接入等任務(wù)。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4 4IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)也采用了滿足ISO/OSI參考模型的分層結(jié)構(gòu)， 定義了單一的MAC層和多樣的物理層。 該標(biāo)準(zhǔn)具有以下主要性能： （1） 頻段、 數(shù)據(jù)傳輸速率及信道個數(shù)。 在868 MHz頻段， 傳輸為20 kb/s， 信道數(shù)為1個； 在915 MHz頻段， 傳輸為40 kb/s，信道數(shù)為10個； 在2.4 GHz頻段， 傳輸為250 kb/s， 信道數(shù)為16個。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5 5（2） 通信范圍。室內(nèi)： 通信距離為10 m時， 傳輸速率為250 kb/s。

4、室外： 當(dāng)通信距離為3075 m時， 傳輸速率為40 kb/s； 當(dāng)通信距離為300 m時， 傳輸速率為20 kb/s。 （3） 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及尋址方式。 該標(biāo)準(zhǔn)支持點對點及星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 支持65 536個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點； 支持64 bit的IEEE地址， 8 bit的網(wǎng)絡(luò)地址。 （4） 應(yīng)用領(lǐng)域。 該標(biāo)準(zhǔn)可應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場控制等領(lǐng)域。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范6 612.1.2 IEEE802.15.4物理層物理層1. 物理層的主要功能 物理層主要具有以下功能： （1） 激活和去激活無線收發(fā)器。 （2） 對當(dāng)前信道進(jìn)行能量檢測。 （3） 發(fā)送鏈路質(zhì)量指示。

5、（4） 載波偵聽多址接入/沖突避免。 （5） 信道頻率的選擇。 （6） 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。 （7） 媒質(zhì)訪問控制方式的空閑信道評估。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范7 7IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所定義的物理層的工作頻段、 傳輸速率及調(diào)制方式如表12.1.1所示。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范8 8IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用了三個頻段， 每個頻段包含若干個信道， 各信道劃分如下：868 MHz頻段： fc=868.3 MHz， k=0， 1個信道。915 MHz頻段： fc=906+2(k1) MHz， k=1, 2, , 10， 1

6、0個信道。2.4 GHz頻段： fc=2405+5(k11) MHz，k=11, 12, , 26， 16個信道 。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范9 92. 物理服務(wù)規(guī)范IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了2.4 GHz和868/915 MHz兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)， 均采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum, 直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)及相同的數(shù)據(jù)包格式， 但它們的工作頻率、 調(diào)制技術(shù)、 擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率卻有所不同。 物理層提供了MAC層和物理信道之間的接口， 物理層的管理實體提供了用于調(diào)用物理層管理功能的管理服務(wù)接口。 物理層的參考模型

7、如圖12.1.1 所示。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范10 10圖12.1.1 物理層參考模型第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范11 11在物理層的參考模型中， PLME(Physical Layer Management Entity)為管理實體；PD-SAP(Physical Data Service Access Point)為物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點； PIB(PAN Information Base)為物理層的個域網(wǎng)信息庫。 物理層提供了物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。 物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是由PD-SAP（物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點）提供的， 物理

8、層管理服務(wù)是由PLME中的PD-SAP提供的。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范12 12物理層數(shù)據(jù)服務(wù)在無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)， 通過PD-SAP實現(xiàn)對等MAC層實體間的MPDU(MAC Protocol Data Unit)傳輸。 物理層管理服務(wù)用于維護(hù)物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫， 通過PLME-SAP在MLME(MAC Layer Management Entity, MLME)和管理實體PLME之間的傳輸管理命令。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范13 133. 物理層幀結(jié)構(gòu)IEEE802.15.4物理層由4個字段組成， 其幀結(jié)構(gòu)如圖12.1

9、.2所示。 第一個字段由4個字節(jié)組成前導(dǎo)碼， 前導(dǎo)碼由32個“0”組成， 用于收發(fā)器的通信同步。 第二個字段為幀的起始分割字段， 由1個字節(jié)組成， 其固定為0 xA7， 作為幀開始的標(biāo)志。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范14 14 第三個字段為幀長度字段， 由1個字節(jié)組成， 字節(jié)的低7位表示幀的長度， 其余1位保留， 幀的長度表示幀的負(fù)載長度， 一般不超過127個字節(jié)。 第四個字段為數(shù)據(jù)字段， 它的長度可變， 主要用來承載MAC幀。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范15 15圖12.1.2 物理層幀結(jié)構(gòu)第12章IEEE 802.15.4及ZigB

10、ee協(xié)議規(guī)范16 16幀起始分割符SFD(StartofFrame Delimiter)的長度為8 bit， 表示同步結(jié)束后數(shù)據(jù)包開始傳輸。 SFD與前導(dǎo)碼構(gòu)成同步頭。 幀長度（7 bit）表示物理數(shù)據(jù)單元PSDU(PHY Service Data Unit)的字節(jié)數(shù)。 PSDU域是可變長度的， 它攜帶了PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范17 1712.1.3 MAC層層1. MAC層的功能IEEE802.15.4 MAC層提供了MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層數(shù)據(jù)管理兩種服務(wù)。 這兩種服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和物理層提供了一個接口。 MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)提供了數(shù)據(jù)通信功能

11、， MPDU 的接收和發(fā)送可通過物理層來進(jìn)行。 MAC層數(shù)據(jù)管理服務(wù)提供了向高層訪問的功能， 通過MLME的SAP來訪問高層。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范18 18(1） 使協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)功能。 （2） 完成信標(biāo)同步功能。 （3） 支持個域網(wǎng)關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)功能。 （4） 支持節(jié)點安全規(guī)范功能。 （5） 執(zhí)行信道接入的CSMA-CA機(jī)制。（6） 處理和維護(hù)時隙(GTS)機(jī)制。（7） 提供等MAC實體間的可靠連接。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范19 192. MAC層的服務(wù)規(guī)范可通過MAC層的兩個SAP分別訪問IEEE802.15

12、.4的MAC層提供的MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。 對于MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)， 可通過MCPS-SAP（MCPS數(shù)據(jù)服務(wù)接入點）進(jìn)行訪問。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持MCPS-DATA.Request原語， 用來請求從本地SSCS(Service Specific Convergence Sub-layer， 業(yè)務(wù)相關(guān)匯聚子層)實體向另外一個對等的SSCS實體傳輸數(shù)據(jù)。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2020對于MAC層管理服務(wù)， 可通過MLME的E-SAP（管理實體服務(wù)接入點）來訪問。 IEEE802.15.4的MAC層支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)。 通過SSCS協(xié)議承載IEEE802.

13、2類型的LLC標(biāo)準(zhǔn)， 可同時允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE802.15.4的MAC層服務(wù)。 SSCS與PHY層間的接口是由PD-SAP和PLME-SAP兩個接入點的接口組成的。 除了這些外部接口， MLME和MCPS之間還存在一個內(nèi)部接口， MLME可以通過該接口訪問MAC數(shù)據(jù)服務(wù)。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范21 213. MAC層的幀結(jié)構(gòu)IEEE802.15.4的幀結(jié)構(gòu)是以保證在有噪聲的信道中可靠傳輸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上盡量降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度為原則而設(shè)計的。 IEEE802.15.4的MAC層定義了4種基本幀： (1） 信標(biāo)幀： 供協(xié)商者使用。 (2） 數(shù)據(jù)幀： 用

14、來承載數(shù)據(jù)。 (3） 響應(yīng)幀： 用來確認(rèn)幀的可靠傳輸。(4） 命令幀： 用來處理MAC層對等實體間的數(shù)據(jù)傳輸控制。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2222MAC層被送到PYH層作為物理層數(shù)據(jù)幀的一部分。 MAC幀由以下三個基本部分構(gòu)成：（1） MHR： 包含幀控制、 序列號和地址信息。 （2） 可變MAC負(fù)載： 包括對應(yīng)幀類型的信息。（3） MFR： 包括FCS。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2323MAC幀由幀頭(MAC Header， MHR)、 MAC負(fù)載和幀尾(MAC Footer， MFR）構(gòu)成。 幀頭由幀控制、 幀序列號和地址信

15、息組成。 MAC負(fù)載的長度可變， 具體長度由幀的類型來確定。 幀尾是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的16位錯誤檢測碼序列。 通用MAC幀的結(jié)構(gòu)如圖12.1.3所示。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2424圖12.1.3 通用MAC幀結(jié)構(gòu)第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2525幀控制域占用2字節(jié)長度， 包含幀類型定義、 尋址域以及其他控制標(biāo)志等； 幀序列號域長度為1字節(jié)， 用來為每個幀提供唯一的序列標(biāo)識； 目標(biāo)PAN標(biāo)識域占2字節(jié)， 內(nèi)容是指定接收方的唯一PAN標(biāo)識； 目標(biāo)地址域用來指定接收方的地址； 源PAN標(biāo)識域占用2字節(jié)， 即數(shù)據(jù)發(fā)送端地址域， 是發(fā)送幀的

16、設(shè)備地址； 幀負(fù)載域長度可變， 不同的幀類型其內(nèi)容也不相同； 幀檢驗序列域有16位長， 包含一個16位的CRC循環(huán)冗余校驗部分。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范26261） 信標(biāo)幀信標(biāo)幀由三部分構(gòu)成。 其中， MAC負(fù)載部分是信標(biāo)幀的有效信息， 由超幀規(guī)范描述字段、 同步時隙分配（GTS）字段、 待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段和信標(biāo)幀負(fù)載4個部分組成。 信標(biāo)幀的結(jié)構(gòu)如圖12.1.4所示。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2727圖12.1.4 信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2828信標(biāo)幀中超幀規(guī)范描述字段規(guī)定了這個超幀

17、的持續(xù)時間， 活躍部分持續(xù)時間以及競爭訪問持續(xù)時間等信息。 同步時隙分配(GTS）字段將無競爭的時段劃分為若干個GTS， 并把每個GTS分配給網(wǎng)絡(luò)中的一個具體設(shè)備。待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址列出了工作協(xié)同設(shè)備的設(shè)備地址。 一個設(shè)備如果發(fā)現(xiàn)自己的地址出現(xiàn)在待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段里， 即可確定協(xié)調(diào)器中存儲了該設(shè)備的數(shù)據(jù)， 于是就會向協(xié)調(diào)器發(fā)出請求發(fā)送數(shù)據(jù)的MAC命令幀。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范29292） 數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀用來傳輸上層發(fā)送到MAC層的數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)幀的負(fù)載字段包括了上層需要傳送的數(shù)據(jù)。 要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳送到MAC層時， 成為MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元， 在數(shù)據(jù)的起始和結(jié)尾

18、部分分別附加了MHR頭信息和MFR信息后， 就構(gòu)成了MAC幀。 MAC幀被傳送到物理層后， 成為物理幀的負(fù)載PSDU。 在物理層中， PSDU的首部增加了同步信息SHR和幀長度字段PHR字段后成為物理層幀。 數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖12.1.5所示。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3030圖12.1.5 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范31 313） 確認(rèn)幀如果節(jié)點設(shè)備收到的目的地址為自己的數(shù)據(jù)幀， 并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認(rèn)請求被置1， 那么此時節(jié)點設(shè)備需要回復(fù)一個確認(rèn)幀。 確認(rèn)幀的序列號應(yīng)與被確認(rèn)幀的序列號相同， 并且負(fù)載長度應(yīng)為0。 確

19、認(rèn)幀緊接著被確認(rèn)的幀發(fā)送， 不需要采用CSMA-CA機(jī)制競爭信道。 確認(rèn)幀的結(jié)構(gòu)如圖12.1.6所示。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3232圖12.1.6 確認(rèn)幀結(jié)構(gòu)第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范33334. 超幀結(jié)構(gòu)在低速率應(yīng)用時， 無線個域網(wǎng)允許使用超幀結(jié)構(gòu)。 超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器定義， 超幀被分為16個大小相等的時隙， 由協(xié)調(diào)器發(fā)送， 如圖12.1.7所示。 采用網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)來分隔不同的超幀， 信標(biāo)幀在超幀的第一個時隙傳輸。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3434圖12.1.7 超幀結(jié)構(gòu)第12章IEEE

20、 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3535 12.2 ZigBee協(xié)議規(guī)范協(xié)議規(guī)范ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。 根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、 低功耗的無線通信技術(shù)。 這一名稱來源于蜜蜂的八字舞， 由于蜜蜂(Bee)靠飛翔和“嗡嗡”(Zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息， 也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3636ZigBee的特點是近距離、 低復(fù)雜度、 低功耗、 低數(shù)據(jù)速率、 低成本， 主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域， 可以嵌入各種設(shè)備。 ZigBee協(xié)議棧體系

21、結(jié)構(gòu)由應(yīng)用層、 應(yīng)用匯聚層、 網(wǎng)絡(luò)層、 數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成， 如圖12.2.1所示。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3737圖12.2.1 ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3838應(yīng)用層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù)， 是協(xié)議棧的最上層用戶。 應(yīng)用匯聚層負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)層上， 主要有安全與鑒權(quán)、 多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、 設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。 網(wǎng)絡(luò)層的功能包括拓?fù)涔芾怼?MAC管理、 路由管理和安全管理。 數(shù)據(jù)鏈路層提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)包的分段與重組、 數(shù)據(jù)包的順序傳輸功能。 物理層定義了無線通

22、信的頻段和各頻段的信道分配。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范393912.2.1 數(shù)據(jù)鏈路層與物理層和數(shù)據(jù)鏈路層與物理層和MAC層層1. 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層可分為邏輯鏈路控制 (Logic Link Control, LLC)子層和介質(zhì)訪問控制子層(MAC)。 IEEE802.15.4的LLC子層具有可靠的數(shù)據(jù)傳輸、 數(shù)據(jù)包的分段與重組、 數(shù)據(jù)包的順序傳輸?shù)裙δ堋?IEEE802.15.4的MAC子層用于完成無線鏈路的建立、 維護(hù)和拆除， 確認(rèn)幀的傳送與接收， 信道的接入控制以及幀校驗、 預(yù)留時隙和廣播信息的管理。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議

23、規(guī)范40402. 物理層和MAC層ZigBee采用了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中的物理層和MAC層。 ZigBee的工作頻段為三種， 即歐洲的868 MHz頻段、 美國的915 MHz頻段和全球通用的2.4 GHz頻段。 在868 MHz 頻段上， ZigBee分配了1個帶寬為0.6 MHz的信道； 在915 MHz的頻段上， 分配了10個帶寬為2 MHz的信道； 在2.4 GHz的頻段上， 分配了16個帶寬為5 MHz的信道。 這三種工作頻段均采用了DSSS（直接序列擴(kuò)頻）技術(shù)， 但它們的調(diào)制方式有所不同。 868 MHz和915 MHz頻段采用的是DPSK， 2.4 GHz則采用的是Q-

24、QPSK調(diào)制方式。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范41 41DSSS技術(shù)具有較好的抗干擾能力， 同時在其他相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù)。 在發(fā)射功率為0 dBm的情況下， 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的通信半徑通常只有10 m， 而基于IEEE802.15.4的ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到3050 m的通信距離； 在室外， 如果障礙物較少， 通信距離甚至可以達(dá)到100 m。 同時調(diào)相技術(shù)的誤碼性能要優(yōu)于調(diào)頻和調(diào)幅技術(shù)。 IEEE802.15.4的數(shù)據(jù)傳輸速率不高， 2.4 GHz頻段只有250 kb/s， 868 MHz頻段只有20 kb/s， 915 MHz頻段只有40 kb/s。

25、因此ZigBee及IEEE802.15.4為低速率的短距離無線通信技術(shù)。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4242ZigBee可以支持星型、 網(wǎng)型和復(fù)合型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 如圖12.2.2所示。圖12.2.2 ZigBee支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4343物理層的上層是MAC層， 其核心技術(shù)是信道接入技術(shù)和隨機(jī)接入信道技術(shù)CSMA/CA。 ZigBee及 IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點均工作在同一個信道上， 當(dāng)某個節(jié)點要向另一個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時， 如果網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點間正在通信， 就有可能發(fā)生沖突。 第12章I

26、EEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4444為此， MAC層采用了CSMA/CD媒質(zhì)訪問控制技術(shù)， 即當(dāng)節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前， 先監(jiān)聽信道， 如果信道空閑， 則可以發(fā)送數(shù)據(jù)， 否則， 就要進(jìn)行隨機(jī)的退避， 延遲一段隨機(jī)時間， 然后再進(jìn)行監(jiān)聽， 這個退避的時間是指數(shù)增長的， 但有一個最大值， 即如果上一次退避之后再次監(jiān)聽信道忙， 則退避時間要增倍， 這樣做的原因是如果多次監(jiān)聽信道都忙， 有可能表明信道上的數(shù)據(jù)量較大， 因此節(jié)點需等待更長的時間， 以避免繁忙的監(jiān)聽。 通過這種信道接入技術(shù)， 所有節(jié)點競爭共享同一個信道。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4545在MA

27、C層當(dāng)中還規(guī)定了兩種信道接入模式： 一種是信標(biāo)(Beacon)模式， 另一種是非信標(biāo)模式。 信標(biāo)模式當(dāng)中規(guī)定了“超幀”的格式， 在超幀的開始發(fā)送信標(biāo)幀， 信標(biāo)里面包含一些時序以及網(wǎng)絡(luò)的信息， 緊接著是競爭接入時期， 在這段時間內(nèi)各節(jié)點以競爭方式接入信道， 再后面是非競爭接入時期， 節(jié)點采用時分復(fù)用的方式接入信道， 然后是非活躍時期， 節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)， 等待下一個超幀周期的開始又發(fā)送信標(biāo)幀。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4646非信標(biāo)模式則比較靈活， 節(jié)點均以競爭方式接入信道， 不需要周期性地發(fā)送信標(biāo)幀。 顯然， 在信標(biāo)模式當(dāng)中由于有了周期性的信標(biāo)， 整個網(wǎng)絡(luò)的所有

28、節(jié)點都能同步通信， 但這種同步網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不會很大。 實際上， 在ZigBee當(dāng)中用得更多的可能是非信標(biāo)模式。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4747ZigBee的物理層和MAC層由IEEE802.15.4制定； 高層的網(wǎng)絡(luò)層、 應(yīng)用支持子層(Application Support Layar, ASP)、 應(yīng)用框架(Application Frame, AF)、 Zigbee設(shè)備對象(ZigBee Device Object, ZDO)和安全組件(SSP)均由ZigBee Alliance所制定， 它是一個為能源管理應(yīng)用、 商業(yè)和消費應(yīng)用創(chuàng)造無線解決方案、 橫跨全球的

29、公司聯(lián)盟。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范484812.2.2 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層1. 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持星型、 樹型和網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 若采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)， 整個網(wǎng)絡(luò)有一個ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備來進(jìn)行整個網(wǎng)絡(luò)的控制。 ZigBee協(xié)調(diào)器能夠啟動和維持網(wǎng)絡(luò)正常工作， 使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端設(shè)備實現(xiàn)通信。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4949若采用網(wǎng)型和樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)， ZigBee協(xié)調(diào)器則負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)以及選擇關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。 在樹型網(wǎng)絡(luò)中， 路由器采用分級路由策略來傳送數(shù)據(jù)和控制信息。 網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)中， 設(shè)備之間使用完全對等的通信方式，

30、ZigBee路由器不發(fā)送通信信標(biāo)。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范50502. 網(wǎng)絡(luò)層及路由算法ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的功能為拓?fù)涔芾怼?MAC管理、 路由管理和安全管理。 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是路由管理。 其中， 路由算法是網(wǎng)絡(luò)層的核心。 網(wǎng)絡(luò)層主要支持樹型路由和網(wǎng)型網(wǎng)路由兩種路由算法。 在樹型路由算法中， 整個網(wǎng)絡(luò)可看做是以協(xié)調(diào)器為主干的一棵樹， 整個網(wǎng)絡(luò)是在協(xié)調(diào)器的基礎(chǔ)上建立的。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范51 51樹型路由采用了一種特殊的地址分配算法， 使用深度、 最大深度、 最大子節(jié)點數(shù)和最大子路由器數(shù)四個參數(shù)來計算新節(jié)點的地址。 這樣

31、， 尋址時根據(jù)地址就能計算出路徑， 而路由只有“向子節(jié)點發(fā)送”或者“向父節(jié)點發(fā)送”兩個方向。 樹型路由算法及實現(xiàn)機(jī)制不需要路由表， 因此節(jié)省了存儲資源， 但存在靈活性不夠、 路由效率低的缺點。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5252ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)型網(wǎng)路由是一種非常適合于低成本無線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由。 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時， 傳感器節(jié)點需要維護(hù)一個路由表， 這樣就需耗費傳感器節(jié)點的存儲資源， 但它能實現(xiàn)的路由效率高， 且使用靈活。 另外， 除了以上兩種路由機(jī)制及路由算法外， ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以采用鄰居表路由算法。鄰居表路由實質(zhì)上是一個特殊的路由表， 數(shù)據(jù)傳輸不是通過

32、多跳， 而只需要一跳就可實現(xiàn)將數(shù)據(jù)向目的節(jié)點的傳輸發(fā)送。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范53533. 數(shù)據(jù)接口及網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)ZigBee即網(wǎng)絡(luò)層的各個組成部分和彼此間的接口關(guān)系， 如圖12.2.3所示。 圖中NLDE-SAP為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體的服務(wù)接入點， MLME-SAP是網(wǎng)絡(luò)層管理實體的服務(wù)接入點， MCPS-SAP是媒體接入控制公共部分子層的服務(wù)接入點， MLME-SAP是MAC層管理實體的服務(wù)接入點。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5454圖12.2.3 網(wǎng)絡(luò)層的各個組成部分及接口關(guān)系第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5

33、555網(wǎng)絡(luò)層通過兩種服務(wù)接入點提供網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)： 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點接入， 網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點接入。 網(wǎng)絡(luò)層要為IEEE802.15.4的MAC層提供支持， 確保ZigBee的MAC層正常工作， 同時為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5656為了向應(yīng)用層提供其接口， 網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必需的功能服務(wù)實體， 它們分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實體和管理服務(wù)實體。 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體(NIDE)通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點(NLDE-SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)， 網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)通過網(wǎng)絡(luò)層管理實

34、體服務(wù)接入點(NLME-SAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5757網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體提供以下服務(wù)： （1） 產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)。 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體通過增加一個適當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭從應(yīng)用支持層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。 （2） 指定傳輸拓?fù)渎酚伞?網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體能夠發(fā)送一個網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元到一個數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)終端設(shè)備， 目標(biāo)終端設(shè)備也可以是通信鏈路中的一個中間通信設(shè)備。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5858網(wǎng)絡(luò)層管理實體提供如下服務(wù)： （1） 配置新的設(shè)備。 為保證設(shè)備正常工作的需要， 設(shè)備應(yīng)具有足

35、夠的堆棧， 以滿足配置的需要。 配置選項包括對一個ZigBee協(xié)調(diào)器和連接一個現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化操作。（2） 加入或離開網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)層管理實體具有連接或者斷開一個網(wǎng)絡(luò)的能力， 以及為建立一個ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee路由器， 具有要求設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)斷開的能力。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5959（3） ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee路由器具有為新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址能力。 （4） 具有發(fā)現(xiàn)、 記錄和匯報相關(guān)的一跳鄰居設(shè)備信息的能力。（5） 具有發(fā)現(xiàn)和記錄有效地傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由的能力。 （6） 具有控制設(shè)備接收機(jī)接收狀態(tài)的能力， 即控制接收機(jī)的接收時間、

36、 接收時間的長短， 以保證MAC層的同步或者正常接收等。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范60604. 原語在分層的通信協(xié)議中， 層與層之間通過服務(wù)訪問接入點SAP訪問， 每一層都可以通過本層和下層的SAP調(diào)用下層為本層提供相應(yīng)的服務(wù)， 同時通過與上層的SAP為上層提供相應(yīng)的服務(wù)。 訪問點SAP是通信協(xié)議中層與層之間的通信接口， 并以通信原語的形式供上層調(diào)用。在調(diào)用下層服務(wù)時， 只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范， 而不必了解下層是處理原語的細(xì)節(jié)。 這樣， 通過原語方式就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。 層與層之間的原語分成請求原語、 確認(rèn)原語、 指示原語和響應(yīng)原語。 第12章I

37、EEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范61 615. 網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點為其上層和網(wǎng)絡(luò)層管理實體之間傳送管理命令并提供通信接口。 網(wǎng)絡(luò)層管理實體支持NLME-SAP接口原語， 這些原語包括網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)、 網(wǎng)絡(luò)的形成、 允許設(shè)備連路由器的初始化、 設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)的連接等原語。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范62626. 網(wǎng)絡(luò)層幀格式ZigBee網(wǎng)絡(luò)層幀由幀報頭和可變長有效載荷組成。 網(wǎng)絡(luò)層幀報頭包含幀控制、 地址和序列信息； 網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長有效載荷包含幀類型所指定的信息。 網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)如圖12.2.4 所示。 第12章IEEE 802.15.4及

38、ZigBee協(xié)議規(guī)范6363圖12.2.4 網(wǎng)絡(luò)層幀一般格式第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范6464幀控制域由16 bit組成， 內(nèi)容包括幀類型、 地址、 序列域以及其他的控制標(biāo)記。 在網(wǎng)絡(luò)層幀中， 必須要有目的地址域， 該域長度為兩個字節(jié)， 用來存放目標(biāo)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址或廣播地址(0 xFFFF)。 在網(wǎng)絡(luò)層幀中， 源地址域是必需的， 長度為兩個字節(jié)， 其值是16位的源設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址。 廣播半徑域在幀的目的地址為廣播地址(0 xFF17F)時才有效， 長度為一個字節(jié)， 用來設(shè)定傳輸半徑。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范656512.2.3 應(yīng)用規(guī)范應(yīng)用規(guī)范ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的上一層是應(yīng)用層， 應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層(APS)和ZigBee設(shè)備對象(ZDO)等部分， 主要規(guī)定了端點(Endpoint)、 綁定(Binding)、 服務(wù)發(fā)現(xiàn)和設(shè)備發(fā)現(xiàn)等一些和應(yīng)用相關(guān)的功能。 綁定指的是根據(jù)兩個設(shè)備所提供的服務(wù)和它們的需求而將兩個設(shè)備關(guān)聯(lián)起來。 APS子層的任務(wù)包括了維護(hù)綁定表和綁定設(shè)備間的消息傳輸。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范6666