zigbee協(xié)議棧

1、第六章 通信標(biāo)準(zhǔn) lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)lZigBee標(biāo)準(zhǔn)第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4 是一種能量消耗少，結(jié)構(gòu)簡單且容易實(shí)現(xiàn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它主要致力于解決無線連接在能量值和網(wǎng)絡(luò)吞吐量低的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。與WLAN相比，基本上不需要基礎(chǔ)設(shè)施的支持。具體要求如下： 在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn)20 kbps、40 kbps、100 kbps以及250 kbps四種不同的傳輸速率； 支持星狀和點(diǎn)對點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 在網(wǎng)絡(luò)中使用兩種地址格式，16位和64位地址，16位地址由協(xié)調(diào)器分配，64位地址被用于全球唯一的擴(kuò)展地址； 采用可選的時(shí)槽 保障（G

2、TS）機(jī)制； 采用沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)（CSMA/CA）； 支持ACK反饋機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)又稱為LR WPAN網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力和硬件條件，可以將它分為全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備。lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)LR WPAN： low-rate Wireless Personal Area Network 低速無線個(gè)人局域網(wǎng)IEEE 802.15.4的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用的場景可以分為兩種，星狀網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。在星狀網(wǎng)絡(luò)星狀網(wǎng)絡(luò)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸都要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來進(jìn)行控制，其余各個(gè)終端設(shè)

3、備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。在點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，只要通信設(shè)備在對方的無線輻射范圍內(nèi)就可以與之通信。lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧定義了兩個(gè)層：物理層和鏈路層，物理層是由射頻收發(fā)器和底層控制模塊組成，鏈路層為高層訪問提供了訪問物理信道的服務(wù)接口。lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)1物理層規(guī)范物理層規(guī)范在OSI參考模型中，物理層是模型的最底層，是保障信號傳輸?shù)墓δ軐?，IEEE 802.15.4的物理層與OSI模型類似，主要負(fù)責(zé)信號的發(fā)送與接收，提供無線物理信道和MAC子層之間的接口等，它為鏈路層提供的服務(wù)包括物理

4、連接的建立、維持與釋放，物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的傳輸，物理層管理和數(shù)據(jù)編解碼。第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)物理層1）信道分配及調(diào)制方式2）物理層幀結(jié)構(gòu)lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)物理層第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)物理層的數(shù)據(jù)幀也可以稱為物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，每個(gè)PPDU幀由同步頭、物理幀頭和PHY負(fù)載組成，同步頭包括1個(gè)前導(dǎo)碼和1個(gè)幀起始分隔符（SFD），前導(dǎo)碼由4個(gè)全0的字節(jié)組成，收發(fā)器在接收前導(dǎo)碼期間會(huì)根據(jù)前導(dǎo)碼序列的特征完成片同步和符號同步；幀起始分隔符SFD字段長度為1個(gè)字節(jié)，它的值固定為0 xA7，表明前導(dǎo)碼已經(jīng)完成了同步，開始接收數(shù)據(jù)幀。物理幀頭中低7位用來表示幀長度，高位是保

5、留位。物理幀的負(fù)載長度可變，稱為物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PHY Service Data Unit，PSDU），一般用來承載MAC幀。lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)物理層第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)3）物理層功能的實(shí)現(xiàn)所有的物理層服務(wù)均是通過物理層服務(wù)訪問接口實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)服務(wù)是通過物理層數(shù)據(jù)訪問接口（PD-SAP）實(shí)現(xiàn)的，管理服務(wù)則是通過物理層管理實(shí)體訪問接口（PLME-SAP）實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)接口都提供了相關(guān)的訪問原語。（1）信號的發(fā)送接收與編解碼（2）物理信道的能量監(jiān)測（Energy Detection，ED）（3）射頻收發(fā)器的激活和關(guān)閉（4）空閑信道評估（Clear Channel Assessment，C

6、CA）（5）鏈路質(zhì)量指示（LQI）（6）物理層屬性參數(shù)的獲取與設(shè)置lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)物理層第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個(gè)子層，即邏輯鏈路子層（LLC）和介質(zhì)控制訪問子層（MAC），MAC子層主要負(fù)責(zé)解決共享信道問題，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定MAC層實(shí)現(xiàn)的功能有： 采用CSMA/CA機(jī)制來解決信道沖撞問題； 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，用于協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)； 支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作； 支持時(shí)槽保障（CTS）機(jī)制； 支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸。lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)1）信道

7、的時(shí)段分配）信道的時(shí)段分配首先來認(rèn)識一個(gè)概念超幀。超幀是一種用來組織網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間分配的邏輯結(jié)構(gòu)，它將通信時(shí)間劃分為活躍和不活躍兩個(gè)時(shí)段：在不活躍期間，PAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備不會(huì)相互通信，從而進(jìn)入休眠狀態(tài)來節(jié)省能量。網(wǎng)絡(luò)的通信在活躍期間進(jìn)行，活躍期間由可以分為三個(gè)階段，即：信標(biāo)幀發(fā)送時(shí)段、競爭訪問時(shí)段（CAP）和非競爭訪問時(shí)段（CFP）。lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層MAC第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)競爭訪問時(shí)段競爭訪問時(shí)段（CAP）: 設(shè)備通過CSMA/CA機(jī)制與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。非競爭訪問時(shí)段非競爭訪問時(shí)段（CFP）:又分為幾個(gè)GTS，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在這個(gè)時(shí)段內(nèi)只能與指定的設(shè)備進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在每

8、個(gè)超幀時(shí)段最多可以分配7個(gè)GTS，一個(gè)GTS可以占有多個(gè)時(shí)槽。lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層MAC第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)2）CSMA/CA算法算法lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層MAC第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)每個(gè)采用CSMA/CA算法的設(shè)備需要維護(hù)三個(gè)變量：NB、CW和BE。NB記錄在當(dāng)前幀傳輸時(shí)已經(jīng)回退的次數(shù)，CW記錄競爭窗口的尺寸，即監(jiān)測到信道空閑后還需等待多長時(shí)間才能真正開始發(fā)送數(shù)據(jù)，BE是一個(gè)回退指數(shù)，是指在沖突后再次開始監(jiān)測信道需要等待的時(shí)間（2BE1）。在 初 始 化 后 ， 對 于 基 于 時(shí) 槽 的CSMA/CA算法，先定位到回退時(shí)間的邊界，然后等待指定的時(shí)間，開始信道

9、探測，直到信道為空閑，然后在等CW個(gè)回退周期長度，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送程序必須確保當(dāng)前的數(shù)據(jù)可以在CAP期間完成，才會(huì)進(jìn)行發(fā)送，否則將保存到下一個(gè)超幀中發(fā)送。2）CSMA/CA算法算法lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層MAC第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)對于非時(shí)槽的CSMA/CA機(jī)制，監(jiān)測到空閑信道后就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送過程中，如果多次探測信道的結(jié)果都一直為忙（NB大于某個(gè)設(shè)定的值），則需要向上層報(bào)告發(fā)送失敗，由上層處理。為減少?zèng)_突以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，有兩種特殊情況時(shí)不采用CSMA/CA來進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送：一種是應(yīng)答幀，另外一種就是緊接在數(shù)據(jù)請求幀之后的數(shù)據(jù)幀，它們可以直接發(fā)送。3）數(shù)據(jù)傳輸模

10、）數(shù)據(jù)傳輸模式式IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中存在三種數(shù)據(jù)傳輸模式：設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備對等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層MAC第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)4）MAC子層的幀格式子層的幀格式MAC層幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是在保持低復(fù)雜度的前提下，實(shí)現(xiàn)多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)MAC子層的幀包括三個(gè)部分：幀頭、負(fù)載和幀尾。幀頭由幀控制信息、幀序列號和地址信息組成。負(fù)載長度大小可變，具體內(nèi)容由幀類型決定。幀尾是一個(gè)16位的CRC效驗(yàn)碼。 lIEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)鏈路層MAC第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)MAC幀格式lZigee協(xié)議第六章 通信

11、標(biāo)準(zhǔn)ZigBee技術(shù)技術(shù)是一種面向自動(dòng)化和無線控制的價(jià)格低廉、能耗小的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，IEEE 802.15.4技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療等專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。ZigBee技術(shù)建立在IEEE 802.15.4協(xié)議之上，根據(jù)ZigBee聯(lián)盟的規(guī)范，ZigBee在IEEE 802.15.4的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其協(xié)議棧如圖 ZigBee協(xié)議中定義了三種設(shè)備：ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備：ZigBee協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器，它負(fù)責(zé)建立并啟動(dòng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，包括選擇合適的射頻信道、唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符等一系列操作。ZigBee路由器路由器作為遠(yuǎn)程設(shè)備之間的中繼器來進(jìn)行通信

12、，能夠拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍，負(fù)責(zé)搜尋網(wǎng)絡(luò)，并在任意兩個(gè)設(shè)備之間建立端到端的傳輸。ZigBee終端設(shè)備終端設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集。lZigee協(xié)議第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)從功能上講，網(wǎng)絡(luò)層必須為IEEE 802.15.4的MAC子層提供支持，并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層的接口，網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層從邏輯上被分為兩個(gè)具有不同功能的服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)實(shí)體和管理實(shí)體。數(shù)據(jù)實(shí)體（數(shù)據(jù)實(shí)體（NIDE）接口）接口主要負(fù)責(zé)向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)管理實(shí)體接口主要負(fù)責(zé)向上層提供訪問接口參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制，包括配置新的設(shè)備、建立新的網(wǎng)絡(luò)、加入和離開網(wǎng)絡(luò)、地址分配、鄰居發(fā)現(xiàn)、路由發(fā)現(xiàn)、接收控制

13、等功能。lZigee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)lZigee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)1網(wǎng)絡(luò)建立：網(wǎng)絡(luò)建立：ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是由某個(gè)節(jié)點(diǎn)開始的，只有一個(gè)未加入網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過NLME-NETWORD-FORMATION.request原語來建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器利用MAC子層提供的掃描功能，設(shè)定合適的信道和網(wǎng)絡(luò)地址后，發(fā)送信標(biāo)幀，以吸引其他節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中。2設(shè)備的加入：設(shè)備的加入：處于激活狀態(tài)的設(shè)備可以直接加入網(wǎng)絡(luò)，也可以通過關(guān)聯(lián)操作加入到網(wǎng)絡(luò)中。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層提供了NLME-JOIN.request原語來完成這個(gè)操作。網(wǎng)絡(luò)層參考LQI值和網(wǎng)絡(luò)深度兩個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行設(shè)備父設(shè)備的

14、選擇，LQI即鏈路質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)深度表示該設(shè)備最少經(jīng)過多少跳到達(dá)協(xié)調(diào)器，設(shè)備優(yōu)先選擇LQI值高、網(wǎng)絡(luò)深度小的設(shè)備作為其父設(shè)備。確定好父設(shè)備后，設(shè)備向其父設(shè)備發(fā)送加入請求，經(jīng)過父節(jié)點(diǎn)的同意后加入該網(wǎng)絡(luò)，若父節(jié)點(diǎn)不接收該設(shè)備，則該設(shè)備重新選擇一個(gè)父設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，直到最終加入網(wǎng)絡(luò)。3. 設(shè)備段地址分配設(shè)備段地址分配：設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)之后，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)地址的分配主要依據(jù)三個(gè)參數(shù)：最多子設(shè)備數(shù)、最大網(wǎng)絡(luò)深度和最大路由數(shù)，其地址偏移量計(jì)算公式為：4. 設(shè)備的離開設(shè)備的離開：設(shè)備節(jié)點(diǎn)的離開有兩種不同的情況：第一種是子設(shè)備向父設(shè)備請求離開網(wǎng)絡(luò)，第二種是父設(shè)備要求子設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)設(shè)備接收到

15、高層的離開網(wǎng)絡(luò)的請求時(shí)，它首先請求其所有的子設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)，所有子設(shè)備移出完畢后，最后通過取消關(guān)聯(lián)操作向其父設(shè)備申請離開網(wǎng)絡(luò)。lZigee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)5鄰居列表的維護(hù)鄰居列表的維護(hù)鄰居列表中包含傳輸范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的信息，鄰居列表的維護(hù)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，從收到的信標(biāo)幀中獲取周圍節(jié)點(diǎn)的信息，并添加到鄰居列表中； Router和Coordinator將其子節(jié)點(diǎn)添加到鄰居列表中； 當(dāng)檢測到節(jié)點(diǎn)離開其一跳范圍時(shí)，并不是將節(jié)點(diǎn)的信息從鄰居列表中移除，而是把Relationship項(xiàng)設(shè)置為0 x03，表示和該節(jié)點(diǎn)沒有關(guān)系。lZigee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層第六章 通信標(biāo)準(zhǔn)ZigBee的應(yīng)用層由三個(gè)部分組成：應(yīng)用支持子層、應(yīng)用層框架和ZigBee應(yīng)用對象（ZDO）。應(yīng)用支持子層應(yīng)用支持子層為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層通過ZigBee設(shè)