《物联网通信技术》课件第12章.ppt

1、 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee协议规范12.1 IEEE 802.15.4标准标准12.2 ZigBee协议规范协议规范本章小结本章小结12.1 IEEE802.15.4标准标准12.1.1 IEEE802.15.4主要性能主要性能IEEE802.15.4标准是短距离无线通信的个域网(Wireless Personal Area Network,WPAN)标准。该标准规定了个域网(Personal Area Network,PAN)中设备间的无线通信协议和接口。IEEE802.15.4标准采用了多址接入/冲突检测载波侦听（Carrier Sense Multiple Acc

2、ess with Collision Detection，CSMA/CA）的媒体接入或媒体访问控制方式，网络的拓扑结构可以是点对点或星形结构。IEEE802.15.4标准主要描述了物理层和MAC层标准，通信距离一般在数十米的范围之内。IEEE802.15.4的物理层是WSN的通信基础，MAC层实现对物理层的访问，完成信标的同步，支持个域网络关联和去关联，提供MAC层实体间的可靠连接，执行信道接入等任务。IEEE802.15.4标准也采用了满足ISO/OSI参考模型的分层结构，定义了单一的MAC层和多样的物理层。该标准具有以下主要性能：（1）频段、数据传输速率及信道个数。在868 MHz频段，传

3、输为20 kb/s，信道数为1个；在915 MHz频段，传输为40 kb/s，信道数为10个；在2.4 GHz频段，传输为250 kb/s，信道数为16个。（2）通信范围。室内：通信距离为10 m时，传输速率为250 kb/s。室外：当通信距离为3075 m时，传输速率为40 kb/s；当通信距离为300 m时，传输速率为20 kb/s。（3）拓扑结构及寻址方式。该标准支持点对点及星型网络拓扑结构；支持65 536个网络节点；支持64 bit的IEEE地址，8 bit的网络地址。（4）应用领域。该标准可应用于传感器网络及现场控制等领域。12.1.2 IEEE802.15.4物理层物理层1.物理

4、层的主要功能 物理层主要具有以下功能：（1）激活和去激活无线收发器。（2）对当前信道进行能量检测。（3）发送链路质量指示。（4）载波侦听多址接入/冲突避免。（5）信道频率的选择。（6）数据的发送与接收。（7）媒质访问控制方式的空闲信道评估。IEEE802.15.4标准所定义的物理层的工作频段、传输速率及调制方式如表12.1.1所示。IEEE802.15.4标准采用了三个频段，每个频段包含若干个信道，各信道划分如下：868 MHz频段：fc=868.3 MHz，k=0，1个信道。915 MHz频段：fc=906+2(k1)MHz，k=1,2,10，10个信道。2.4 GHz频段：fc=2405+

5、5(k11)MHz，k=11,12,26，16个信道。2.物理服务规范IEEE802.15.4标准定义了2.4 GHz和868/915 MHz两个物理层标准，均采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列扩频)技术及相同的数据包格式，但它们的工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率却有所不同。物理层提供了MAC层和物理信道之间的接口，物理层的管理实体提供了用于调用物理层管理功能的管理服务接口。物理层的参考模型如图12.1.1 所示。图12.1.1 物理层参考模型在物理层的参考模型中，PLME(Physical Layer Management En

6、tity)为管理实体；PD-SAP(Physical Data Service Access Point)为物理层数据服务接入点；PIB(PAN Information Base)为物理层的个域网信息库。物理层提供了物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务是由PD-SAP（物理层数据服务接入点）提供的，物理层管理服务是由PLME中的PD-SAP提供的。物理层数据服务在无线信道上收发数据，通过PD-SAP实现对等MAC层实体间的MPDU(MAC Protocol Data Unit)传输。物理层管理服务用于维护物理层相关数据组成的数据库，通过PLME-SAP在MLME(MAC Layer

7、Management Entity,MLME)和管理实体PLME之间的传输管理命令。3.物理层帧结构IEEE802.15.4物理层由4个字段组成，其帧结构如图12.1.2所示。第一个字段由4个字节组成前导码，前导码由32个“0”组成，用于收发器的通信同步。第二个字段为帧的起始分割字段，由1个字节组成，其固定为0 xA7，作为帧开始的标志。第三个字段为帧长度字段，由1个字节组成，字节的低7位表示帧的长度，其余1位保留，帧的长度表示帧的负载长度，一般不超过127个字节。第四个字段为数据字段，它的长度可变，主要用来承载MAC帧。图12.1.2 物理层帧结构帧起始分割符SFD(StartofFrame

8、 Delimiter)的长度为8 bit，表示同步结束后数据包开始传输。SFD与前导码构成同步头。帧长度（7 bit）表示物理数据单元PSDU(PHY Service Data Unit)的字节数。PSDU域是可变长度的，它携带了PHY数据包的数据。12.1.3 MAC层层1.MAC层的功能IEEE802.15.4 MAC层提供了MAC层数据服务和MAC层数据管理两种服务。这两种服务为网络层和物理层提供了一个接口。MAC层数据服务提供了数据通信功能，MPDU 的接收和发送可通过物理层来进行。MAC层数据管理服务提供了向高层访问的功能，通过MLME的SAP来访问高层。(1）使协调器的网络节点产生

9、网络信标功能。（2）完成信标同步功能。（3）支持个域网关联和去关联功能。（4）支持节点安全规范功能。（5）执行信道接入的CSMA-CA机制。（6）处理和维护时隙(GTS)机制。（7）提供等MAC实体间的可靠连接。2.MAC层的服务规范可通过MAC层的两个SAP分别访问IEEE802.15.4的MAC层提供的MAC层数据服务和MAC层管理服务。对于MAC层数据服务，可通过MCPS-SAP（MCPS数据服务接入点）进行访问。网络设备支持MCPS-DATA.Request原语，用来请求从本地SSCS(Service Specific Convergence Sub-layer，业务相关汇聚子层)实体

10、向另外一个对等的SSCS实体传输数据。对于MAC层管理服务，可通过MLME的E-SAP（管理实体服务接入点）来访问。IEEE802.15.4的MAC层支持多种LLC标准。通过SSCS协议承载IEEE802.2类型的LLC标准，可同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4的MAC层服务。SSCS与PHY层间的接口是由PD-SAP和PLME-SAP两个接入点的接口组成的。除了这些外部接口，MLME和MCPS之间还存在一个内部接口，MLME可以通过该接口访问MAC数据服务。3.MAC层的帧结构IEEE802.15.4的帧结构是以保证在有噪声的信道中可靠传输数据的基础上尽量降低网络的复杂度

11、为原则而设计的。IEEE802.15.4的MAC层定义了4种基本帧：(1）信标帧：供协商者使用。(2）数据帧：用来承载数据。(3）响应帧：用来确认帧的可靠传输。(4）命令帧：用来处理MAC层对等实体间的数据传输控制。MAC层被送到PYH层作为物理层数据帧的一部分。MAC帧由以下三个基本部分构成：（1）MHR：包含帧控制、序列号和地址信息。（2）可变MAC负载：包括对应帧类型的信息。（3）MFR：包括FCS。MAC帧由帧头(MAC Header，MHR)、MAC负载和帧尾(MAC Footer，MFR）构成。帧头由帧控制、帧序列号和地址信息组成。MAC负载的长度可变，具体长度由帧的类型来确定。帧

12、尾是帧头和负载数据的16位错误检测码序列。通用MAC帧的结构如图12.1.3所示。图12.1.3 通用MAC帧结构帧控制域占用2字节长度，包含帧类型定义、寻址域以及其他控制标志等；帧序列号域长度为1字节，用来为每个帧提供唯一的序列标识；目标PAN标识域占2字节，内容是指定接收方的唯一PAN标识；目标地址域用来指定接收方的地址；源PAN标识域占用2字节，即数据发送端地址域，是发送帧的设备地址；帧负载域长度可变，不同的帧类型其内容也不相同；帧检验序列域有16位长，包含一个16位的CRC循环冗余校验部分。1）信标帧信标帧由三部分构成。其中，MAC负载部分是信标帧的有效信息，由超帧规范描述字段、同步时

13、隙分配（GTS）字段、待转发数据目标地址字段和信标帧负载4个部分组成。信标帧的结构如图12.1.4所示。图12.1.4 信标帧结构信标帧中超帧规范描述字段规定了这个超帧的持续时间，活跃部分持续时间以及竞争访问持续时间等信息。同步时隙分配(GTS）字段将无竞争的时段划分为若干个GTS，并把每个GTS分配给网络中的一个具体设备。待转发数据目标地址列出了工作协同设备的设备地址。一个设备如果发现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里，即可确定协调器中存储了该设备的数据，于是就会向协调器发出请求发送数据的MAC命令帧。2）数据帧数据帧用来传输上层发送到MAC层的数据，数据帧的负载字段包括了上层需要传送

14、的数据。要传输的数据传送到MAC层时，成为MAC服务数据单元，在数据的起始和结尾部分分别附加了MHR头信息和MFR信息后，就构成了MAC帧。MAC帧被传送到物理层后，成为物理帧的负载PSDU。在物理层中，PSDU的首部增加了同步信息SHR和帧长度字段PHR字段后成为物理层帧。数据帧的结构如图12.1.5所示。图12.1.5 数据帧结构3）确认帧如果节点设备收到的目的地址为自己的数据帧，并且帧的控制信息字段的确认请求被置1，那么此时节点设备需要回复一个确认帧。确认帧的序列号应与被确认帧的序列号相同，并且负载长度应为0。确认帧紧接着被确认的帧发送，不需要采用CSMA-CA机制竞争信道。确认帧的结构

15、如图12.1.6所示。图12.1.6 确认帧结构4.超帧结构在低速率应用时，无线个域网允许使用超帧结构。超帧的格式由传感器网络的协调器定义，超帧被分为16个大小相等的时隙，由协调器发送，如图12.1.7所示。采用网络信标来分隔不同的超帧，信标帧在超帧的第一个时隙传输。图12.1.7 超帧结构 12.2 ZigBee协议规范协议规范ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(Bee)靠飞翔和“嗡嗡”(Zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体

16、中的通信网络。ZigBee的特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee协议栈体系结构由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，如图12.2.1所示。图12.2.1 ZigBee协议栈体系结构应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层用户。应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee网络层上，主要有安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现。网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。数据链路层提供了可靠的数据传输、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输功能。物理层定义了无线通信的频

17、段和各频段的信道分配。12.2.1 数据链路层与物理层和数据链路层与物理层和MAC层层1.数据链路层数据链路层可分为逻辑链路控制(Logic Link Control,LLC)子层和介质访问控制子层(MAC)。IEEE802.15.4的LLC子层具有可靠的数据传输、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输等功能。IEEE802.15.4的MAC子层用于完成无线链路的建立、维护和拆除，确认帧的传送与接收，信道的接入控制以及帧校验、预留时隙和广播信息的管理。2.物理层和MAC层ZigBee采用了IEEE802.15.4标准中的物理层和MAC层。ZigBee的工作频段为三种，即欧洲的868 MHz频段、

18、美国的915 MHz频段和全球通用的2.4 GHz频段。在868 MHz 频段上，ZigBee分配了1个带宽为0.6 MHz的信道；在915 MHz的频段上，分配了10个带宽为2 MHz的信道；在2.4 GHz的频段上，分配了16个带宽为5 MHz的信道。这三种工作频段均采用了DSSS（直接序列扩频）技术，但它们的调制方式有所不同。868 MHz和915 MHz频段采用的是DPSK，2.4 GHz则采用的是Q-QPSK调制方式。DSSS技术具有较好的抗干扰能力，同时在其他相同情况下传输距离要大于跳频技术。在发射功率为0 dBm的情况下，蓝牙网络的通信半径通常只有10 m，而基于IEEE802.

19、15.4的ZigBee在室内通常能达到3050 m的通信距离；在室外，如果障碍物较少，通信距离甚至可以达到100 m。同时调相技术的误码性能要优于调频和调幅技术。IEEE802.15.4的数据传输速率不高，2.4 GHz频段只有250 kb/s，868 MHz频段只有20 kb/s，915 MHz频段只有40 kb/s。因此ZigBee及IEEE802.15.4为低速率的短距离无线通信技术。ZigBee可以支持星型、网型和复合型等多种网络拓扑结构，如图12.2.2所示。图12.2.2 ZigBee支持的网络拓扑结构示例物理层的上层是MAC层，其核心技术是信道接入技术和随机接入信道技术CSMA/

20、CA。ZigBee及 IEEE802.15.4网络中所有节点均工作在同一个信道上，当某个节点要向另一个节点传输数据时，如果网络内其他节点间正在通信，就有可能发生冲突。为此，MAC层采用了CSMA/CD媒质访问控制技术，即当节点在发送数据之前，先监听信道，如果信道空闲，则可以发送数据，否则，就要进行随机的退避，延迟一段随机时间，然后再进行监听，这个退避的时间是指数增长的，但有一个最大值，即如果上一次退避之后再次监听信道忙，则退避时间要增倍，这样做的原因是如果多次监听信道都忙，有可能表明信道上的数据量较大，因此节点需等待更长的时间，以避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道

21、。在MAC层当中还规定了两种信道接入模式：一种是信标(Beacon)模式，另一种是非信标模式。信标模式当中规定了“超帧”的格式，在超帧的开始发送信标帧，信标里面包含一些时序以及网络的信息，紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各节点以竞争方式接入信道，再后面是非竞争接入时期，节点采用时分复用的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态，等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。非信标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性地发送信标帧。显然，在信标模式当中由于有了周期性的信标，整个网络的所有节点都能同步通信，但这种同步网络的规模不会很大。实际上，在ZigBee当中用得更多的可能是非

22、信标模式。ZigBee的物理层和MAC层由IEEE802.15.4制定；高层的网络层、应用支持子层(Application Support Layar,ASP)、应用框架(Application Frame,AF)、Zigbee设备对象(ZigBee Device Object,ZDO)和安全组件(SSP)均由ZigBee Alliance所制定，它是一个为能源管理应用、商业和消费应用创造无线解决方案、横跨全球的公司联盟。12.2.2 网络层网络层1.网络拓扑结构ZigBee网络层支持星型、树型和网型拓扑结构。若采用星型拓扑结构组网，整个网络有一个ZigBee协调器设备来进行整个网络的控制。Z

23、igBee协调器能够启动和维持网络正常工作，使网络内的终端设备实现通信。若采用网型和树型拓扑结构组网，ZigBee协调器则负责启动网络以及选择关键的网络参数。在树型网络中，路由器采用分级路由策略来传送数据和控制信息。网型网络中，设备之间使用完全对等的通信方式，ZigBee路由器不发送通信信标。2.网络层及路由算法ZigBee网络层的功能为拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。网络层的主要功能是路由管理。其中，路由算法是网络层的核心。网络层主要支持树型路由和网型网路由两种路由算法。在树型路由算法中，整个网络可看做是以协调器为主干的一棵树，整个网络是在协调器的基础上建立的。树型路由采用了一种特

24、殊的地址分配算法，使用深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数四个参数来计算新节点的地址。这样，寻址时根据地址就能计算出路径，而路由只有“向子节点发送”或者“向父节点发送”两个方向。树型路由算法及实现机制不需要路由表，因此节省了存储资源，但存在灵活性不够、路由效率低的缺点。ZigBee网络的网型网路由是一种非常适合于低成本无线自组织网络的路由。当网络规模较大时，传感器节点需要维护一个路由表，这样就需耗费传感器节点的存储资源，但它能实现的路由效率高，且使用灵活。另外，除了以上两种路由机制及路由算法外，ZigBee网络还可以采用邻居表路由算法。邻居表路由实质上是一个特殊的路由表，数据传输不是通

25、过多跳，而只需要一跳就可实现将数据向目的节点的传输发送。3.数据接口及网络层服务ZigBee即网络层的各个组成部分和彼此间的接口关系，如图12.2.3所示。图中NLDE-SAP为网络层数据实体的服务接入点，MLME-SAP是网络层管理实体的服务接入点，MCPS-SAP是媒体接入控制公共部分子层的服务接入点，MLME-SAP是MAC层管理实体的服务接入点。图12.2.3 网络层的各个组成部分及接口关系网络层通过两种服务接入点提供网络层数据服务和网络层管理服务：网络层数据服务通过网络层数据实体服务接入点接入，网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点接入。网络层要为IEEE802.15.4的MAC

26、层提供支持，确保ZigBee的MAC层正常工作，同时为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必需的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务实体。网络层数据实体(NIDE)通过网络层数据实体服务接入点(NLDE-SAP)提供数据传输服务，网络层管理实体(NLME)通过网络层管理实体服务接入点(NLME-SAP)提供网络管理服务。网络层数据实体提供以下服务：（1）产生网络层协议数据单元(NPDU)。网络层数据实体通过增加一个适当的协议头从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元。（2）指定传输拓扑路由。网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单元到一个数

27、据传输的目标终端设备，目标终端设备也可以是通信链路中的一个中间通信设备。网络层管理实体提供如下服务：（1）配置新的设备。为保证设备正常工作的需要，设备应具有足够的堆栈，以满足配置的需要。配置选项包括对一个ZigBee协调器和连接一个现有网络设备的初始化操作。（2）加入或离开网络。网络层管理实体具有连接或者断开一个网络的能力，以及为建立一个ZigBee协调器或者ZigBee路由器，具有要求设备同网络断开的能力。（3）ZigBee协调器和ZigBee路由器具有为新加入网络的设备分配地址能力。（4）具有发现、记录和汇报相关的一跳邻居设备信息的能力。（5）具有发现和记录有效地传送信息的网络路由的能力。

28、（6）具有控制设备接收机接收状态的能力，即控制接收机的接收时间、接收时间的长短，以保证MAC层的同步或者正常接收等。4.原语在分层的通信协议中，层与层之间通过服务访问接入点SAP访问，每一层都可以通过本层和下层的SAP调用下层为本层提供相应的服务，同时通过与上层的SAP为上层提供相应的服务。访问点SAP是通信协议中层与层之间的通信接口，并以通信原语的形式供上层调用。在调用下层服务时，只需要遵循统一的原语规范，而不必了解下层是处理原语的细节。这样，通过原语方式就可实现数据层与层之间的透明传输。层与层之间的原语分成请求原语、确认原语、指示原语和响应原语。5.网络层管理服务网络层管理实体服务接入点为

29、其上层和网络层管理实体之间传送管理命令并提供通信接口。网络层管理实体支持NLME-SAP接口原语，这些原语包括网络的发现、网络的形成、允许设备连路由器的初始化、设备同网络的连接等原语。6.网络层帧格式ZigBee网络层帧由帧报头和可变长有效载荷组成。网络层帧报头包含帧控制、地址和序列信息；网络层帧的可变长有效载荷包含帧类型所指定的信息。网络层帧结构如图12.2.4 所示。图12.2.4 网络层帧一般格式帧控制域由16 bit组成，内容包括帧类型、地址、序列域以及其他的控制标记。在网络层帧中，必须要有目的地址域，该域长度为两个字节，用来存放目标设备的网络地址或广播地址(0 xFFFF)。在网络层

30、帧中，源地址域是必需的，长度为两个字节，其值是16位的源设备网络地址。广播半径域在帧的目的地址为广播地址(0 xFF17F)时才有效，长度为一个字节，用来设定传输半径。12.2.3 应用规范应用规范ZigBee网络层的上一层是应用层，应用层包括应用支持子层(APS)和ZigBee设备对象(ZDO)等部分，主要规定了端点(Endpoint)、绑定(Binding)、服务发现和设备发现等一些和应用相关的功能。绑定指的是根据两个设备所提供的服务和它们的需求而将两个设备关联起来。APS子层的任务包括了维护绑定表和绑定设备间的消息传输。1.ZigBee应用支持子层ASPAPS是网络层和应用层之间的接口，

31、通过该接口可以调用一系列被ZDO和用户自定义应用对象的服务。2.ZigBee设备协定ZigBee应用层规范描述了ZigBee设备的绑定、设备发现和服务发现在ZDO中的实现方式。ZigBee设备协定(Device Profile)支持以下设备和服务发现:终端设备绑定请求过程、绑定和接触绑定过程以及网络管理通信功能。3.ZigBee设备对象ZigBee设备对象(ZDO)是一种通过调用网络和应用支持子层原语来实现ZigBee规范中规定的终端设备、路由器以及协调器的应用。其主要功能如下：（1）对APS子层、网络层、安全服务模块(SP)以及除了应用层中端点l240以外的ZigBee设备层进行初始化。（2

32、）集成终端应用的配置信息，实现设备服务发现、网络管理、网络安全、绑定管理和节点管理等功能。本本 章章 小小 结结ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的高层技术，该技术的物理层和MAC层直接引用IEEE802.15.4。ZigBee协议规范的基础是IEEE802.15.4，这两者之间有着非常密切的关系。IEEE802.15.4标准是短距离无线通信的个域网(Wireless Personal Area Network,WPAN)标准。该标准规定了个域网(Personal Area Network,PAN)中设备间的无线通信协议和接口。IEEE802.15.4标准采用了载波侦听多址接入

33、/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CA）的媒体接入或媒体访问控制方式，网络的拓扑结构可以是点对点或星型结构。IEEE802.15.4通信协议主要描述了物理层和MAC层标准，通信距离一般在数十米的范围之内。IEEE802.15.4的物理层是实现WSN通信的基础，MAC层的功能是处理所有对物理层的访问，并负责完成信标的同步，支持个域网络关联和去关联，提供MAC实体问的可靠连接，执行信道接入等任务。IEEE802.15.4标准也采用了满足ISO/OSI参考模型的分层结构，定义了单一的MAC层和多样的物理层。ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee协议栈体系结构由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。