第9章協(xié)議標準

1、第9章 協(xié)議標準 9.1 標準概述與網(wǎng)絡(luò)簡介 9.1.1 IEEE 802.15.4標準概述 1998年3月，IEEE標準化協(xié)會正式批準成立了IEEE 802.15工作組。這個工 作組致力于WPAN網(wǎng)絡(luò)的物理層（PHY）和媒體訪問子層（MAC）的標準化 工作，目標是為在個人操作空間（personal operating space, POS）內(nèi)相互 通信的無線通信設(shè)備提供通信標準。 第9章 協(xié)議標準 在IEEE 802.15工作組內(nèi)有四個任務(wù)組（task group, TG），分別制定適合不 同應(yīng)用的標準。這些標準在傳輸速率、功耗和支持的服務(wù)等方面存在差異。 下面是四個任務(wù)組各自的主要任務(wù)：

2、（1）任務(wù)組TG1：制定IEEE 802.15.1標準，又稱藍牙無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標 準。這是一個中等速率、近距離的WPAN網(wǎng)絡(luò)標準，通常用于手機、PDA等 設(shè)備的短距離通信。 （2）任務(wù)組TG2：制定IEEE 802.15.2標準，研究IEEE 802.15.1與IEEE 802.11（無線局域網(wǎng)標準，WLAN）的共存問題。 （3）任務(wù)組TG3：制定IEEE 802.15.3標準，研究高傳輸速率無線個人區(qū)域 網(wǎng)絡(luò)標準。該標準主要考慮無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)在多媒體方面的應(yīng)用，追求更 高的傳輸速率與服務(wù)品質(zhì)。 （4）任務(wù)組TG4：制定IEEE 802.15.4標準，針對低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò) （low-

3、rate wireless personal area network,LR-WPAN）制定標準。該標準把 低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或家庭范圍內(nèi) 不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一標準。 第9章 協(xié)議標準 IEEE 802.15.4標準定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點： （1）在不同的載波頻率下實現(xiàn)了20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳 輸速率； （2）支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)； （3）16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球唯一的擴展地址； （4）支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)（carrier sense multiple acc

4、ess with collision avoidance,CSMA-CA）； （5）支持確認（ACK）機制，保證傳輸可靠性。 第9章 協(xié)議標準 9.1.2 IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)簡介 IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)是指在一個POS內(nèi)使用相同無線信道并通過IEEE 802.15.4標準相互通信的一組設(shè)備的集合，又名LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò) 中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備（full-function device, FFD）和精簡功能設(shè)備（reduced-function device, RFD）。FFD設(shè)備之間以 及FFD設(shè)備與RFD設(shè)備之間都可以通信。RFD設(shè)備

5、之間不能直接通信，只能 與FFD設(shè)備通信，或者通過一個FFD向外發(fā)送數(shù)據(jù)。這個與RFD相關(guān)聯(lián)的 FFD設(shè)備稱為該RFD的協(xié)調(diào)器（coordinator）。RFD設(shè)備主要用于簡單的控 制應(yīng)用，如燈的開關(guān)、被動式紅外傳感器等，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，對傳輸資 源和通信資源占用不多，這樣的RFD設(shè)備可以采用非常低廉的實現(xiàn)方案。 在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中，有一個稱為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（PAN coordinator） 的FFD設(shè)備，是LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（以后簡稱網(wǎng) 絡(luò)協(xié)調(diào)器）除了直接參與應(yīng)用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息 管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù) 第9章 協(xié)議標

6、準 1IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu) IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò)，也可以組織成點對 點網(wǎng)絡(luò)，如圖9-2所示。在星型結(jié)構(gòu)中，所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 器通信。在這種網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，而其它的 設(shè)備采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動化、個人計算機的外設(shè)以及個人 健康護理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。 第9章 協(xié)議標準 與星型網(wǎng)絡(luò)不同，點對點網(wǎng)絡(luò)只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內(nèi)，任何 兩個設(shè)備之間都可以直接通信。點對點網(wǎng)絡(luò)中也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負責(zé)實現(xiàn) 管理鏈路狀態(tài)信息，認證設(shè)備身份等功能。點對點網(wǎng)絡(luò)模式可以支持ad hoc 網(wǎng)

7、絡(luò)，允許通過多跳路由的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)。不過一般認為自組織問 題由網(wǎng)絡(luò)層來解決，不在IEEE 802.15.4標準討論的范圍之類。點對點網(wǎng)絡(luò)可 以構(gòu)造更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，適合于設(shè)備分布范圍廣的應(yīng)用，比如在工業(yè)檢測 與控制、貨物庫存跟蹤和智能農(nóng)業(yè)等方面有非常好的應(yīng)用前景。 第9章 協(xié)議標準 2網(wǎng)絡(luò)拓撲的形成過程 雖然網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的形成過程屬于網(wǎng)絡(luò)層的功能，但IEEE 802.15.4為形成各 種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)提供了充分的支持。這部分主要討論IEEE 802.15.4對形成網(wǎng) 絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)提供的支持，并詳細地描述了星型網(wǎng)絡(luò)和點對點網(wǎng)路的形成過程。 （1）星型網(wǎng)絡(luò)形成 （2）點對點網(wǎng)絡(luò)的形成 第9章

8、協(xié)議標準 （1）星型網(wǎng)絡(luò)形成 星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行通信，因此 在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。任何一個FFD設(shè)備 都有成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可能，一個網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層協(xié) 議決定。一種簡單的策略是：一個FFD設(shè)備在第一次被激活后，首先廣播查 詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求，如果接收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再 通過一系列認證過程，設(shè)備就成為了這個網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。如果沒有收到 回應(yīng)，或者認證不成功，這個FFD設(shè)備就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且成為這 個網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。當然，這里還存在一些更深入的問題，一個是網(wǎng)絡(luò)協(xié) 調(diào)器過期問題，如原有

9、的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器損壞或者能量耗盡；另一個是偶然因素 造成多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器競爭問題，如移動物體阻擋導(dǎo)致一個FFD自己建立網(wǎng)絡(luò)， 當移動物體離開的時候，網(wǎng)絡(luò)中將出現(xiàn)多個協(xié)調(diào)器。 第9章 協(xié)議標準 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要為網(wǎng)絡(luò)選擇一個唯一的標識符，所有該星型網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都是 用這個標識符來規(guī)定自己的屬主關(guān)系。不同星型網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備通過設(shè)置專 門的網(wǎng)關(guān)完成相互通信。選擇一個標識符后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就允許其他設(shè)備加 入自己的網(wǎng)絡(luò)，并為這些設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。星型網(wǎng)絡(luò)中的兩個設(shè)備如果需 要相互通信，都是先把各自的數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 轉(zhuǎn)發(fā)給對方。 第9章 協(xié)議標準 （2）點對點網(wǎng)絡(luò)的形成 點對點網(wǎng)絡(luò)中，任意

10、兩個設(shè)備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進 行直接通信，不需要其他設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)。但點對點網(wǎng)絡(luò)中仍然需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié) 調(diào)器，不過該協(xié)調(diào)器的功能不再是為其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而是完成設(shè)備注冊 和訪問控制等基本的網(wǎng)絡(luò)管理功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的產(chǎn)生同樣由上層協(xié)議規(guī)定， 比如把某個信道上第一個開始通信的設(shè)備作為該信道上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。簇樹 網(wǎng)絡(luò)是點對點網(wǎng)絡(luò)的一個例子，下面以簇樹網(wǎng)絡(luò)為例描述點對點網(wǎng)絡(luò)的形成 過程。圖9-3是一個多極簇樹網(wǎng)絡(luò)的例子。 第9章 協(xié)議標準 9.2 IEEE 802.15.4協(xié)議 9.2.1工業(yè)無線通信協(xié)議 1IEEE 802.11系列標準 2IEEE 802.15.1標準 3IEEE

11、802.15.4標準 4IEEE 802.15.4a中采用的關(guān)鍵技術(shù) 第9章 協(xié)議標準 1IEEE 802.11系列標準 為了能夠給設(shè)備間提供具有較高吞吐量的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)連接，IEEE發(fā)布了802.11 協(xié)議，主要用于無法布線或移動環(huán)境中計算機的無線接入。經(jīng)過近年來的補 充，802.11協(xié)議現(xiàn)已形成一系列的協(xié)議標準，包括物理層的IEEE 802.11a、 IEEE 802.11b、IEEE 802.11g和數(shù)據(jù)鏈路層的IEEE 802.2。 從網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)來看，IEEE 802.11無線局域網(wǎng)包括物理層和MAC層的內(nèi)容， 而MAC層以上的并未涉及。MAC層協(xié)議結(jié)合了物理載波偵聽多址訪問與碰撞 退避

12、CSMA/CA(carrier sense multi-access/ collision avoidance)機制以及基 于控制分組RTS、CTS握手對話的CSMA/CA機制。前者面向發(fā)送方，后者 面向接收方。 第9章 協(xié)議標準 2IEEE 802.15.1標準 IEEE 802.15.1是一種藍牙通信標準，主要應(yīng)用于無線個域網(wǎng)，具有近距離、 低能量、低成本的特點。IEEE 802.15.1/Bluetooth規(guī)定了OSI模型中物理層 和數(shù)據(jù)鏈路層下的四個子層標準：射頻層(RF layer)、基帶層(baseband layer)、鏈路管理器(link manager)以及邏輯鏈路控制和適配

13、協(xié)議 LLCAP(logical link control and adaptation protocol)。 第9章 協(xié)議標準 3IEEE 802.15.4標準 IEEE 802.15.4是用于低速無線個域網(wǎng)LR-WPAN的物理層和媒體接入控制層 的規(guī)范，是ZigBee、Wireless HART及MiWi規(guī)范的基礎(chǔ)。IEEE 802.15.4旨 在為無線個域網(wǎng)中的通信設(shè)備提供一種基本的底層網(wǎng)絡(luò)，它支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓 撲，即單跳星狀和當通信線路超過10m時的多跳對等拓撲。 IEEE 802.15.4定義了兩個物理層，即2.4GHz頻段和868/915MHz頻段物理層， 其中2.4GHz頻段有16

14、個速率為250kbit/s的信道。 低功耗是IEEE 802.15.4最重要的特點，協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中引入了延長器 件電池壽命或節(jié)省功率的機制。為了突出該特點，數(shù)據(jù)傳輸分為直接數(shù)據(jù)傳 輸、間接數(shù)據(jù)傳輸和有保證時隙傳輸三種方式，前兩種數(shù)據(jù)傳輸方式中帶有 載波CSMA/CA機制。 第9章 協(xié)議標準 （1）ZigBee ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟推出的短距離無線通信技術(shù)標準，是一種低復(fù)雜度、 低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、近距離的雙向無線通信技術(shù)，適用于低速率、 數(shù)據(jù)流量較小的應(yīng)用場合 Zigbee協(xié)議主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)/安全層、應(yīng)用框架及高層應(yīng)用 規(guī)范構(gòu)成，其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層

15、采用了IEEE 802.15.4規(guī)范。Zigbee聯(lián)盟 在此基礎(chǔ)上定義了標準化的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全層，其中安全層主要實現(xiàn) 密鑰管理、存取等功能，用以支持應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層的安全操作2。同時，它 通過行規(guī)(profile)，對各種可能的應(yīng)用進行了標準化操作。 ZigBee標準目前主要有三個版本。前期兩個版本主要適用于家庭自動化、無 線抄表等領(lǐng)域。ZigBeePRO為最新版本，主要針對前期版本在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng) 用，增加了高級功能和更高靈活性的ZigBee PRO框架堆棧；特別在易用性 和對大型網(wǎng)絡(luò)的支持方面，它增加了網(wǎng)絡(luò)可伸縮性、分解片段、頻率捷變和 自動設(shè)備尋址管理能力 第9章 協(xié)議標準 （2）Wi

16、reless HART標準 無線HART是HART通信基金會制定的一種專門為過程自動化應(yīng)用設(shè)計的無線 網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。該協(xié)議采用工作于2.4GHz頻段，具有安全、穩(wěn)健的網(wǎng) 格拓撲聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它將所有信息統(tǒng)統(tǒng)打包在一個數(shù)據(jù)包內(nèi)，通過與IEEE 802.15.4兼容的直序擴頻和跳頻技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳送4。無線HART的架構(gòu)是 按以下原則進行設(shè)計的，即易于使用、可靠，以及與無線傳感器網(wǎng)格型協(xié)議 相兼容。它強制規(guī)定所有的兼容設(shè)備必須支持可互操作性；同時，無線 HART要向后兼容HART的核心技術(shù)，如HART的命令結(jié)構(gòu)和設(shè)備描述語言 DDL(device descrip tion language)。 第

17、9章 協(xié)議標準 （3）IEEE 802.15.4a標準 IEEE 802.15.4a協(xié)議是IEEE 802.15.4協(xié)議的修訂版。在IEEE 802.15.4中指 定了四種不同物理層的實現(xiàn)方式，其中三種應(yīng)用了直序擴頻技術(shù) DSSS(direct-sequence spread spectrum)，另一種使用了并序擴頻技術(shù) (parallel-sequence spread spectrum)。IEEE 802.15.4a協(xié)議中又新增了兩種 物理層實現(xiàn)方式，即超寬帶技術(shù)UWB(ultra-wideband)和Chirp擴頻(Chirp spread spectrum)技術(shù)5。超寬帶物理層可以工作

18、在低于1GHz、35GHz 之間以及610GHz這三種UWB頻率范圍，其工作效率高且能夠精確測距定 位，即使在較低的發(fā)送功率下仍具有較好的魯棒性。Chirp擴頻物理層用于 2.45GHz工頻帶6，與原有的IEEE 802.15.4相比，它支持器件在高速移動及 更長距離情況下的通信。上述兩種方式在數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸范圍及低功耗 方面的擴展，使協(xié)議更符合低成本、可靠通信的目標。 第9章 協(xié)議標準 4IEEE 802.15.4a中采用的關(guān)鍵技術(shù) （1）多維度多存取技術(shù)(MDMA) 在現(xiàn)有的調(diào)制方法中，調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)的優(yōu)點會受到其自身 缺點的影響，都不是理想的調(diào)制方式。但在不

19、浪費帶寬的情況下，建立一個 理想的信息傳輸系統(tǒng)還是有可能的，這就要將上述三種調(diào)制方式結(jié)合起來， 取各自的優(yōu)勢，形成多維度多存取技術(shù)MDMA(multiple dimensional multiple access)。 1）正弦脈波和Chirp脈波 2）調(diào)制技術(shù)對MDMA的作用 （2）Chirp擴頻技術(shù) Chirp擴頻技術(shù)是MDMA的一種簡單應(yīng)用，是為滿足低功耗高速傳感器網(wǎng)絡(luò)的 要求而定制的。它工作在2.45GHz的工頻段，最大傳輸速率可達2Mbit/s，每 個傳送的信號都是一個Chirp脈波，帶寬為80MHz，固定持續(xù)時間為1s，系 統(tǒng)增益為17dB。 第9章 協(xié)議標準 除了上節(jié)中提及的MDM

20、A所具有的優(yōu)點之外，CSS還具有以下特性。 1）抗多路徑衰減：信號受周圍環(huán)境影響而發(fā)生多路傳播，接收端收到帶有 回波和反射的信號，這就使一些信號被放大或衰減，從而導(dǎo)致窄帶傳輸系統(tǒng) 的通信鏈路中斷；而CSS集成的寬帶技術(shù)可使被放大或衰減的信號維持平衡， 有效抵抗多路衰減。 2）低功率、低功耗、低成本：CSS技術(shù)允許用模擬器件制作，成本和功耗 很低。 CSS技術(shù)已經(jīng)得到一定程度的認同，并正逐步應(yīng)用于商用，而滿足UWB定義 的CSS技術(shù)研究還處于起步階段。目前，人們對Chirp超寬帶的研究有多址、 高速率傳輸、符號間干擾消除、單音干擾消除、SAW制作方法等12。 第9章 協(xié)議標準 9.2.2 IEE

21、E 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧 IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧基于開放系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI），如圖9-6所示， 每一層都實現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。 IEEE 802.15.4標準只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。PHY層由射 頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點到 點通信的服務(wù)接口 MAC子層以上的幾個層次，包括特定服務(wù)的聚合子層（service specif convergence sub-layer,SSCS），鏈路控制子層（logical link control,LLC） 等，只是IEEE 802.15.4標準可能的上層協(xié)議，并不

22、在IEEE 802.15.4標準的 定義范圍之內(nèi)。SSCS為IEEE 802.15.4的MAC層接入IEEE 802.2標準中定義 的LLC子層提供聚合服務(wù)。LLC子層可以使用SSCS的服務(wù)接口訪問IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)，為應(yīng)用層提供鏈路層服務(wù)。 第9章 協(xié)議標準 第9章 協(xié)議標準 1物理層 物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(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)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理 服務(wù)維護一個由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。 物理層數(shù)據(jù)服務(wù)包括以下五方面的功能： 激活和休眠射頻收發(fā)器； 信道能量檢測（energy detect）； 檢測接收

23、數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（link quality indication,LQI）； 空閑信道評估（clear channel assessment,CCA）； 收發(fā)數(shù)據(jù)。 第9章 協(xié)議標準 2MAC子層 在IEEE 802系列標準中，OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層進一步劃分為MAC和LLC兩個子 層。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，而LLC子層在MAC 子層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備間提供面向連接和非連接的服務(wù)。本小節(jié)將從傳輸模型和幀格 式等方面介紹IEEE 802.15.4標準中MAC子層的功能。 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)（MAC sub-layer

24、 management entity,MLME）。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)中的正 確收發(fā)，后者維護一個存儲MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。 （1）超幀 （2）數(shù)據(jù)傳輸模型 （3）MAC層幀結(jié)構(gòu) 第9章 協(xié)議標準 MAC子層主要功能包括下面六個方面： 協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標幀與協(xié)調(diào)器同步； 支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（association）和取消關(guān)聯(lián)（disassociation）操作； 支持無線信道通信安全； 使用CSMA-CA機制訪問信道； 支持時槽保障（guaranteed time slot,GTS）機制； 支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸。

25、第9章 協(xié)議標準 3魯棒性 LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)采用CSMA-CA機制，幀確認機制和幀校驗機制來保證數(shù)據(jù)傳 送的魯棒性。 CSMA-CA是帶沖突避免的載波多路偵聽訪問技術(shù)，通過隨機退避減少數(shù)據(jù) 發(fā)送沖突。LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置可采用兩種信道訪問機制：信標使 能網(wǎng)絡(luò)中使用帶時槽的CSMA-CA機制，信標不使能網(wǎng)絡(luò)中使用無時槽的 CSMA-CA機制。CSMA-CA機制降低了無線信道傳輸數(shù)據(jù)時發(fā)生沖突的可能 性，提高了信道傳輸數(shù)據(jù)的成功率。 幀確認機制是一種可選機制，發(fā)送幀的設(shè)備可以要求目的設(shè)備在成功接收數(shù) 據(jù)后發(fā)送確認，也可以不要求發(fā)送。設(shè)備只對數(shù)據(jù)幀和命令幀使用幀確認機 制，在任何情況下都

26、不會為信標幀或確認幀回應(yīng)確認。設(shè)備發(fā)送一幀后，如 果在一定的時間內(nèi)沒有收到確認幀，就認為傳輸失敗，需要重新選擇時機發(fā) 送該幀。對于不要求確認的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送以后就認為發(fā)送成功，并從本地緩 沖隊列中刪除該數(shù)據(jù)幀。 第9章 協(xié)議標準 4能量消耗 在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中，很多應(yīng)用的設(shè)備使用電池供電。要求頻繁更換電池或 者頻繁充電是不太現(xiàn)實的，因此在LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中，能量消耗是一個需要 十分仔細考慮的問題電池供電的設(shè)備可以通過“輪換值班”來減少能量消耗。 這些設(shè)備大部分時間都處在休眠狀態(tài)，只是周期性蘇醒過來發(fā)送數(shù)據(jù)或者檢 測信道的狀態(tài)，以確定是否有屬于自己的消息。這種機制要求應(yīng)用設(shè)計者在 電池消耗和

27、消息延遲之間作出權(quán)衡。 第9章 協(xié)議標準 5安全服務(wù) IEEE 802.15.4提供的安全服務(wù)是在應(yīng)用層已經(jīng)提供密鑰的情況下的對稱密鑰 服務(wù)。密鑰的管理和分配都由上層協(xié)議負責(zé)。這種機制提供的安全服務(wù)基于 這樣一個假定：即密鑰的產(chǎn)生、分配和存儲都在安全方式下進行。在IEEE 802.15.4中，以MAC幀為單位提供了四種幀安全服務(wù)，為了適用各種不同的 應(yīng)用，設(shè)備可以在三種安全模式中進行選擇。 （1）幀安全 （2）安全模式 第9章 協(xié)議標準 9.3 ZigBee協(xié)議標準協(xié)議標準 9.3.1 ZigBee是什么？ 9.3.2 ZigBee標準概要 9.3.3 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢 9.3.4 Zig

28、Bee協(xié)議棧 9.3.5 ZigBee協(xié)議的消息格式及幀格式 9.3.6 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲 第9章 協(xié)議標準 9.3.1 ZigBee是什么？ ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無 線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)6,7。采取了IEEE 802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu) 點：省電、簡單、成本又低的規(guī)格；增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層。 主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、家庭和樓宇自 動化、醫(yī)用設(shè)備控制等場合。ZigBee無線可使用的頻段有3個，分別是 2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不 同頻

29、段可使用的信道分別是16、1、10個，在中國采用2.4G頻段，是免申請 和免使用費的頻率。 第9章 協(xié)議標準 9.3.2 ZigBee標準概要 ZigBee是一個協(xié)議的名稱，這一協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，其目的是為 了適用于低功耗，無線連接的監(jiān)測和控制系統(tǒng)。這一協(xié)議標準由ZigBee聯(lián)盟 維護。IEEE802.15.4是ZigBee協(xié)議的底層標準，主要規(guī)范了物理層和MAC 層的協(xié)議，其標準由國際電工學(xué)協(xié)會IEEE組織制定并推廣。ZigBee和 802.15.4標準都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為250K，與其他無線技術(shù) 比較，適合傳輸距離相對較近；ZigBee無線技術(shù)適合組建W

30、PAN網(wǎng)絡(luò)，就是 無線個人設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，對于數(shù)據(jù)采集和控制信號的傳輸是非常合適的。 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用定位是低速率、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低成本應(yīng)用。 第9章 協(xié)議標準 9.3.3 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢 ZigBee無線的傳輸帶寬在20-250KB/s范圍，適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù) 的傳輸；ZigBee無線可以組建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量達到65535個，具 有非常強大的組網(wǎng)優(yōu)勢；ZigBee技術(shù)特有的低功耗設(shè)計，可以保證電池工作 很長時間。圖9-20顯示出了不同的無線網(wǎng)絡(luò)標準數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋容^。 第9章 協(xié)議標準 ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)在如下幾個方面： （1）數(shù)據(jù)傳輸率低：10Kb/s25

31、0Kb/s，專注于低速數(shù)據(jù)傳輸方面的應(yīng)用； （2）功耗低：在低功耗模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用624個月； （3）成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸率低，協(xié)議簡單，大大降低了成本； （4）網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65000個設(shè)備； （5）時延短：典型搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備 信道接入時延為15ms； （6）網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強，通信可靠； （7）數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128 加密算法，各個可靈活確定其安全屬性； （8）工作頻段靈活：ZigBee無線可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM 頻段、歐洲的868MHz頻

32、段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的 信道分別是16、1、10個，均為免費頻段。在中國采用2.4G的ISM頻段，是 免申請和免使用費的頻率，在2.4G的頻段上具有16個信道，帶寬為250K。 第9章 協(xié)議標準 ZigBee在2.4G的頻段上具有16個信道，從2.405GHz2.4835GHz間分布， 信道間隔是5M，具有很強的信道抗串擾能力， 第9章 協(xié)議標準 9.3.4 ZigBee協(xié)議棧 ZigBee標準定義了一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這種協(xié)議能夠確保無線設(shè)備在低成本、低 功耗和低數(shù)據(jù)速率網(wǎng)絡(luò)中的互操作性。ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建在IEEE 802.15.4 標準基礎(chǔ)之上，802.15.4

33、標準定義了MAC和PHY層的協(xié)議標準。MAC和PHY 層定義了射頻以及相鄰的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通訊標準。而ZigBee協(xié)議棧則定義 了網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層和安全服務(wù)層的標準 。 第9章 協(xié)議標準 1ZigBee堆棧層 每個ZigBee設(shè)備都與一個特定類別(profile)有關(guān)，可能是公共類別或私有類 別。這些類別定義了設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備類型以及用于設(shè)備間通訊的叢集。 公共類別可以確保不同供貨商的設(shè)備在相同應(yīng)用領(lǐng)域中的互通作業(yè)性。 設(shè)備是由類別定義的，并以應(yīng)用對象(Application Objects)的形式實現(xiàn)。每個 應(yīng)用對象透過一個端點連接到ZigBee堆棧的余下部份，它們都是組件中可尋 址的組件

34、。 第9章 協(xié)議標準 2802.15.4 MAC層 IEEE 802.15.4標準為低速率無線個人局域網(wǎng)絡(luò)（LR-WPAN）定義了OSI模 型開始的兩層。PHY層定義了無線射頻應(yīng)該具備的特征，它支持二種不同的 射頻訊號，分別位于2450MHz波段和868/915MHz波段。2450MHz波段射頻 可以提供250kbps的數(shù)據(jù)速率和16個不同的訊息信道。868/915MHz波段中， 868MHz支持1個數(shù)據(jù)速率為20kbps的訊息信道，915MHz支持10個數(shù)據(jù)速率 為40kbps的訊息信道。MAC層負責(zé)相鄰設(shè)備間的單跳數(shù)據(jù)通訊。它負責(zé)設(shè)立 與網(wǎng)絡(luò)的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全：它能提

35、供二個設(shè)備之間 的可靠鏈接。 第9章 協(xié)議標準 3服務(wù)接取點 ZigBee堆棧的不同層與802.15.4 MAC透過服務(wù)接取點(SAP)進行通訊。SAP 是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個 接口：數(shù)據(jù)實體接口和管理實體接口。數(shù)據(jù)實體接口的目標是向上層提供所 需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實體接口的目標是向上層提供存取內(nèi)部層參數(shù)、配 置和管理數(shù)據(jù)的機制。 第9章 協(xié)議標準 4ZigBee安全性 安全機制由安全服務(wù)提供層提供。然而值得注意的是，系統(tǒng)的整體安全性是 在類別級定義的，這意味著類別應(yīng)該定義某一特定網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該實現(xiàn)何種類型 的安全。每一層(MAC、網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用層)

36、都能被保護，為了降低儲存要求，它 們可以分享安全鑰匙。SSP是透過ZDO進行初始化和配置的，要求實現(xiàn)先進 加密標準(AES)。ZigBee規(guī)格定義了信任中心的用途。信任中心是在網(wǎng)絡(luò)中 分配安全鑰匙的一種令人信任的設(shè)備。 第9章 協(xié)議標準 5ZigBee堆棧容量和設(shè)備 ZigBee標準規(guī)定可以在一個單一的網(wǎng)絡(luò)中容納65535個節(jié)點，所有的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都屬于以下三種類型中的一種： Co-ordinator： Router： End Device： 第9章 協(xié)議標準 Co-ordinator：不論ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用何種拓撲方式，網(wǎng)絡(luò)中都需要有一個并 且只能有一個Co-ordinator節(jié)

37、點。在網(wǎng)絡(luò)層上，Co-ordinator通常只在系統(tǒng)初 始化的時候起到重要的作用。在一些應(yīng)用中網(wǎng)絡(luò)初始化完成后，即便是關(guān)閉 了Co-ordinator節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)仍然可以正常的工作。但是如果Co-ordinator還負 責(zé)提供路由路徑，比如說在星形網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)中，Co-ordinator就不能被 關(guān)閉，而必須持續(xù)的處于工作狀態(tài)。同樣如果Co-ordiantor在應(yīng)用層提供一 些服務(wù)，比如Co-ordinator binding，Co-ordinator也必須持續(xù)的處于工作狀 態(tài)。 Co-ordinator在網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是：（1）選擇網(wǎng)絡(luò)所使用的頻率通道，通常應(yīng) 該是最安靜的頻率通道；（2）開始

38、網(wǎng)絡(luò)；（3）將其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)；（4） Co-ordinator通常還會提供信息路由，安全管理和其他的服務(wù)。 第9章 協(xié)議標準 Router：如果ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用了樹形和星形，拓撲結(jié)構(gòu)就需要用到Router這 種類型的節(jié)點。 Router類型節(jié)點的主要功能就是：（1）在節(jié)點之間轉(zhuǎn)發(fā)信息；（2）容許子 節(jié)點通過他加入網(wǎng)絡(luò)。需要注意的是通常Router節(jié)點不能夠休眠。 End Device：End Device節(jié)點的主要任務(wù)就是發(fā)送和接收信息。通常一個 End Device節(jié)點是電池供電的，并且當它不在數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)的時候它通常都 是處于休眠狀態(tài)以節(jié)省電能。End Device節(jié)點不能夠轉(zhuǎn)發(fā)信息

39、也不能夠讓其 他人加入網(wǎng)絡(luò)。 第9章 協(xié)議標準 9.3.5 ZigBee協(xié)議的消息格式及幀格式 1消息格式 2ZigBee協(xié)議幀格式 3尋址及尋址方式 4數(shù)據(jù)傳輸機制 5ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的形成 第9章 協(xié)議標準 1消息格式 一個ZigBee消息由127個字節(jié)組成，它主要包括以下幾個部分： MAC報頭：該報頭包含當前被傳輸消息的源地址及目的地址。若消息被路由， 則該地址有可能不是實際地址，產(chǎn)生及使用該報頭對于應(yīng)用代碼是透明的。 NWK報頭：該報頭包含了消息的實際源地址及最終的目的地址，該報頭的產(chǎn) 生及使用對于應(yīng)用代碼是透明的。 APS報頭：該報頭包含了配置ID，簇ID及當前消息的目的終端。同

40、樣，報頭 的產(chǎn)生及使用是透明的。 APS有效載荷：該域包含了待應(yīng)用層處理的ZigBee協(xié)議幀。 第9章 協(xié)議標準 2ZigBee協(xié)議幀格式 ZigBee協(xié)議定義了兩種幀格式：KVP關(guān)鍵值對及MSG消息幀。 KVP：是ZigBee規(guī)范定義的特殊數(shù)據(jù)傳輸機制，通過一種規(guī)定來標準化數(shù)據(jù) 傳輸格式和內(nèi)容，主要用于傳輸較簡單的變量值格式。 MSG：是ZigBee規(guī)范定義的特殊數(shù)據(jù)傳輸機制，其在數(shù)據(jù)傳輸格式和內(nèi)容上 并不作更多規(guī)定，主要用于專用的數(shù)據(jù)流或文件數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)量較大的傳輸機 制。 KVP幀是專用的比較規(guī)范的信息格式，采用鍵值對的形式，按一種規(guī)定的格 式進行數(shù)據(jù)傳輸。通常用于傳輸一個簡單的屬性變量值

41、；而MSG幀還沒有一 個具體格式上的規(guī)定，通常用于多信息，復(fù)雜信息的傳輸。KVP、MSG是通 訊中的兩種數(shù)據(jù)格式。如果將幀比作一封郵件，那么信封、郵票、地址人名 等信息都是幀頭、幀尾，里面的信件內(nèi)容就是特定的數(shù)據(jù)格式KVP或MSG。 根據(jù)具體應(yīng)用的配置文件（Profile），KVP一般用于簡單屬性數(shù)據(jù)，MSG用 于較復(fù)雜的，數(shù)據(jù)量較大信息。 第9章 協(xié)議標準 3尋址及尋址方式 ZigBee協(xié)議中的兩類地址 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的每一個節(jié)點皆有兩個地址：64位的IEEE MAC地址及16位 網(wǎng)絡(luò)地址。每一個使用ZigBee協(xié)議通信的設(shè)備都有一個全球唯一的64位MAC 地址，該地址由24位OUI與

42、40位廠家分配地址組成，OUI可通過購買由IEEE 分配得到，由于所有的OUI皆由IEEE指定，因此64位IEEE MAC地址具有全 球唯一性。 當設(shè)備執(zhí)行加入網(wǎng)絡(luò)操作時，他們會使用自己的擴展地址進行通信。成功加 入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)會為設(shè)備分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址。由此，設(shè)備便可 使用該地址與網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備進行通信。 尋址方式 單播：當單播一個消息時，數(shù)據(jù)包的MAC報頭中應(yīng)含有目的節(jié)點的地址，只 有知道了接收設(shè)備的地址，消息方可以單播方式進行發(fā)送。 廣播：要想通過廣播來發(fā)送消息，應(yīng)將信息包MAC報頭中的目的地址域置為 0 xFF。此時，所有射頻收發(fā)使能的終端皆可接收到該信息。 第9章

43、 協(xié)議標準 4數(shù)據(jù)傳輸機制 對于非信標網(wǎng)絡(luò)，當一個設(shè)備想要發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀時，它會等待信道空閑， 直到檢測到信道為空后設(shè)備會傳輸該幀。 若目的設(shè)備為FFD（全功能設(shè)備），它的接收器應(yīng)始終保持開啟狀態(tài)，以便 其它的設(shè)備可隨時向它傳輸數(shù)據(jù)。但是若設(shè)備為RFD（精簡功能設(shè)備），無 操作時設(shè)備將關(guān)閉收發(fā)器以節(jié)約能量。此時RFD設(shè)備無法接收到任何數(shù)據(jù)。 因此，其它設(shè)備只能通過RFD的FFD父節(jié)點向RFD設(shè)備請求或發(fā)送數(shù)據(jù)。直 到RFD上電RX收發(fā)器后，它會向父節(jié)點請求自己的信息數(shù)據(jù)，若父節(jié)點緩沖 區(qū)中存有發(fā)給子節(jié)點的信息，則將該信息發(fā)給子節(jié)點。該操作模式可降低 RFD的功耗，但相應(yīng)的FFD父節(jié)點應(yīng)擁有足夠的RAM空間，以便為子節(jié)點緩 沖信息。若子節(jié)點沒有在規(guī)定的時間內(nèi)請求信息，信息將被丟失。 第9章 協(xié)議標準 5ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的形成 首先，由ZigBee協(xié)調(diào)器建立一個新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。一開始，ZigBee協(xié)調(diào)器會 在允許的通道內(nèi)搜索其它的ZigBee協(xié)調(diào)器。并基于每個允許通道中所檢測到 的通道能量及網(wǎng)絡(luò)號，選擇唯一的16位PAN ID，建立自己的網(wǎng)絡(luò)。一旦一個 新網(wǎng)絡(luò)被建立，ZigBee路由器與終端設(shè)備就可以加入到網(wǎng)絡(luò)中了。網(wǎng)絡(luò)形成 后，可能會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重疊及PAN ID沖突的現(xiàn)象。協(xié)調(diào)器可以初始化PAN ID沖 突解決程序