IEEE_802154協(xié)議

1、IEEE 802.15.4低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（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IEEE802.15.4IEEE 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(jià)固定的、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的，低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低速率的無線連接技術(shù)，并在2003年12月通過了第一個(gè)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。隨著無線個(gè)域網(wǎng)的推廣，無線通信網(wǎng)絡(luò)越來越關(guān)注于如何擴(kuò)展WLAN的能力以及開發(fā)出一種新的通信方法來適應(yīng)不斷增長的業(yè)務(wù)需求。由此就產(chǎn)生了低速率無

2、線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的概念，而隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)也適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)也得到了快速的發(fā)展。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了在個(gè)人局域網(wǎng)中通過射頻方式在設(shè)備間進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.15.4在無線電頻率和數(shù)據(jù)率、數(shù)據(jù)傳輸模型、設(shè)備類型、網(wǎng)絡(luò)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(gè)子層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。IEEE 802.15.4 與 ZigBee ZigBee是由ZigBee Alliance所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層應(yīng)用層、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的架構(gòu);而由I

3、EEE所定制的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，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(luò)的接口組成、參數(shù)和運(yùn)算。v MAC層層 遵循IEEE802154協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模式的數(shù)據(jù)傳送和接收，可選時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)低延遲傳輸，支持各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。v 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層 建立新的網(wǎng)絡(luò)、處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置節(jié)點(diǎn)的協(xié)議堆棧、使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對節(jié)點(diǎn)分配地址、保證節(jié)點(diǎn)之間的同步、提供網(wǎng)絡(luò)的路由。v 安全層安全層 依靠相稱性密匙保護(hù)、應(yīng)用保護(hù)機(jī)制、合適的密碼機(jī)制以及相關(guān)的保密措施。v 應(yīng)用層應(yīng)用層 ZigBee的應(yīng)用層由應(yīng)用子層(APS)

4、、設(shè)備對象(ZDO)以及制造商定義的應(yīng)用設(shè)備對象組成。 APS子層的作用包括維護(hù)綁定表、在綁定設(shè)備間傳輸信息。 ZDO的作用包括在網(wǎng)絡(luò)中定義一個(gè)設(shè)備的作用、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并確定它們能提供何種服務(wù)、起始或回應(yīng)綁定需求以及在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中建立一個(gè)安全的連接。 制造商定義的應(yīng)用對象根據(jù)ZigBee定義應(yīng)用說明執(zhí)行實(shí)際的應(yīng)用。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)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(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)物理層相關(guān)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

5、結(jié)構(gòu)和信標(biāo)幀的概念。這兩個(gè)概念的引入極大了方便了網(wǎng)絡(luò)管理，我們可以選用以超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備間的通信。每個(gè)超幀都以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀為始，在這個(gè)信標(biāo)幀中包含了超幀將持續(xù)的時(shí)間以及對這段時(shí)間的分配等信息。網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備接收到超幀開始時(shí)的信標(biāo)幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務(wù)，例如進(jìn)入休眠狀態(tài)直到這個(gè)超幀結(jié)束。 MAC子層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確收發(fā)，后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)MAC子層協(xié)議相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。物理層頻帶參數(shù) 在IEEE 802.15.4，無線電線路可以運(yùn)轉(zhuǎn)在無需執(zhí)照的三個(gè)頻帶上：868MHz

6、，902到928MHz和2.4GHz。 在868MHz和915MHz這兩個(gè)頻段上，信號(hào)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(gè)位轉(zhuǎn)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(jìn)制數(shù)據(jù)中每4位轉(zhuǎn)換為一個(gè)符號(hào)（symbol），然后將每個(gè)符號(hào)轉(zhuǎn)換成長度為32的片序列。在把符號(hào)轉(zhuǎn)換片序列時(shí)，用符號(hào)在16個(gè)近似正交的偽隨便噪聲序列的映射表，這是一個(gè)直接序列擴(kuò)頻的過程。擴(kuò)頻后，信號(hào)通過O-QPSK調(diào)制方式調(diào)制到載波上。 物理幀格式v 前導(dǎo)碼（4字節(jié)）：用于符號(hào)同步。v 起始分隔符（1字節(jié)）：用

7、于幀同步。v 物理頭端（1字節(jié)）：指定了物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的長度。v 物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（=127字節(jié)）：用于負(fù)載數(shù)據(jù)。前導(dǎo)碼起始分隔符物理頭端物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元 (PSDU)6 字節(jié)0-127 字節(jié)MAC層v網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋠MAC層幀類型v超幀結(jié)構(gòu)v信標(biāo)使能和信標(biāo)不使能模式vCSMA/CA算法MAC層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備v 兩種設(shè)備類型兩種設(shè)備類型: 精簡功能設(shè)備(RFD) 全功能設(shè)備(FFD) FFD 與與RFD 的差別的差別：FFD 有能力成為協(xié)調(diào)者并選取一個(gè)頻道建立新的網(wǎng)絡(luò)，而RFD 只能透過向協(xié)調(diào)者注冊并連結(jié)后才能使用網(wǎng)絡(luò)；另一個(gè)差別在于，并不是任何節(jié)點(diǎn)都有資格向協(xié)調(diào)者提出GTS使用申請，此節(jié)點(diǎn)必

8、須屬于FFD 才可向協(xié)調(diào)者要求保證傳輸時(shí)槽使用權(quán)。v 三種設(shè)備角色三種設(shè)備角色: 端設(shè)備 End device (RFD or FFD)：只具有簡單的收發(fā)功能，不能進(jìn)行分組的轉(zhuǎn)發(fā)。 協(xié)調(diào)器 Coordinator (FFD)：通常通過發(fā)送信標(biāo)實(shí)現(xiàn)與周圍節(jié)點(diǎn)的同步，且具有轉(zhuǎn)發(fā)分組的功能。 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 PAN Coordinator (FFD)：為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星型星型網(wǎng)狀型網(wǎng)狀型簇狀型簇狀型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器全功能設(shè)備全功能設(shè)備(FFD,Router):可以支持可以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可

9、以作為網(wǎng)絡(luò)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(shè)備進(jìn)行通信任何一種設(shè)備進(jìn)行通信精簡功能設(shè)備精簡功能設(shè)備(RFD):只支持星型結(jié)只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者，可以和構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)簡單。網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)簡單。MAC幀格式MAC層幀結(jié)構(gòu)目標(biāo)：用最低復(fù)雜度實(shí)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64位擴(kuò)展地址幀控制字段的內(nèi)容指示地址類型幀的類型：信標(biāo)幀，數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)幀，MAC命令幀信標(biāo)幀格式v 超幀字段：持續(xù)時(shí)間；活躍部分持續(xù)時(shí)間；競爭訪問時(shí)斷持續(xù)時(shí)間超幀字段：持續(xù)時(shí)間；活躍部分持續(xù)時(shí)間

10、；競爭訪問時(shí)斷持續(xù)時(shí)間v GTS分配釋放信息：將無競爭時(shí)斷劃分為若干個(gè)分配釋放信息：將無競爭時(shí)斷劃分為若干個(gè)GTS，并把每個(gè)，并把每個(gè)GTS具體分配給某個(gè)設(shè)備具體分配給某個(gè)設(shè)備v 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址：列出了與協(xié)調(diào)者保存的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的設(shè)備地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址：列出了與協(xié)調(diào)者保存的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的設(shè)備地址v 信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)：為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)：為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口數(shù)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(wù)數(shù)據(jù)單元：數(shù)據(jù)負(fù)載傳送至服務(wù)數(shù)據(jù)單元：數(shù)據(jù)負(fù)載傳送至MAC子層子層v MAC幀：幀： MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元服務(wù)數(shù)據(jù)單元+MHR頭信息頭信

11、息+MFR尾信息尾信息確認(rèn)幀格式v 如果設(shè)備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或如果設(shè)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(rèn)請求位設(shè)置為并且?guī)拇_認(rèn)請求位設(shè)置為1，設(shè)備需要回應(yīng)一個(gè)確認(rèn)幀。，設(shè)備需要回應(yīng)一個(gè)確認(rèn)幀。v 確認(rèn)幀的序列號(hào)應(yīng)該與被確認(rèn)幀的序列號(hào)相同，并且負(fù)載確認(rèn)幀的序列號(hào)應(yīng)該與被確認(rèn)幀的序列號(hào)相同，并且負(fù)載長度為長度為0。v 確認(rèn)幀緊接著被確認(rèn)幀發(fā)送，不需要使用確認(rèn)幀緊接著被確認(rèn)幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機(jī)制機(jī)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

12、命令幀的功能：把設(shè)備關(guān)聯(lián)到命令幀的功能：把設(shè)備關(guān)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(fù)載數(shù)據(jù)表示。命令幀的具體功能由幀的負(fù)載數(shù)據(jù)表示。超幀結(jié)構(gòu) 在IEEE 802.15.4中，可以選用超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備間的通信。每個(gè)超幀都以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀開始，在信標(biāo)幀中包含了超幀將持續(xù)的時(shí)間以及對這段時(shí)間的分配等信息。 網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備接收到包含超幀結(jié)構(gòu)的信標(biāo)幀后，就可以根據(jù)其中的配置信息安排自己的任務(wù)。 超幀將通信時(shí)間劃分為活躍和不活躍兩個(gè)部分。信標(biāo)使能與信標(biāo)不使能v 信標(biāo)使能模式下，協(xié)議引入超幀的概念，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器信標(biāo)使能模式下

13、，協(xié)議引入超幀的概念，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器和設(shè)備的時(shí)間同步、識(shí)別和設(shè)備的時(shí)間同步、識(shí)別PAN及實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信。及實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信。 PAN通過定義信標(biāo)幀的內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)對超幀的控制，并周期性的廣播。網(wǎng)絡(luò)采用嚴(yán)格的時(shí)間同步，分時(shí)隙進(jìn)行通信?？梢栽贑AP采用時(shí)隙CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行通信，在CFP采用時(shí)隙GTS機(jī)制進(jìn)行通信。v 在信標(biāo)不使能模式下，協(xié)議較為簡單，并不采用超幀在信標(biāo)不使能模式下，協(xié)議較為簡單，并不采用超幀結(jié)構(gòu)，設(shè)備通過無時(shí)隙的結(jié)構(gòu)，設(shè)備通過無時(shí)隙的CSMA/CA機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)。機(jī)制發(fā)送數(shù)據(jù)。信標(biāo)使能通信設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器設(shè)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(shè)備協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備CSMA/C

14、A 當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，就采用時(shí)隙或者非時(shí)隙的/進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)中，采用的是時(shí)隙/，要求設(shè)備的退避時(shí)隙的邊界必須在超幀時(shí)隙的邊界上，如果/ 機(jī)制的動(dòng)作沒有在超幀時(shí)隙的邊界上完成，下一動(dòng)作將延時(shí)到下一個(gè)超幀時(shí)隙的開始邊界進(jìn)行。在非信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)中，采用的是非時(shí)隙/，此模式不需要設(shè)備在退避時(shí)隙同其他設(shè)備的退避時(shí)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(huì)加1。如果遇到使用CCA 去偵測頻道為忙時(shí)，就必須要重新去隨機(jī)取一個(gè)backoff，而此時(shí)NB 就會(huì)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(fù)擔(dān)。v CW (碰撞窗口的長度，碰撞窗口的長度，content window length) 其單位為back