無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準v11

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)講義講義第五章、通信標(biāo)準2007年8月20日內(nèi)容提要1.IEEE 802.15.4標(biāo)準2.ZigBee標(biāo)準 3.6LowPan草案 4.主要參考文獻內(nèi)容提要1.IEEE 802.15.4標(biāo)準2.ZigBee標(biāo)準 3.6LowPan草案 4.主要參考文獻IEEE 802.15.4標(biāo)準IEEE 802.15.4標(biāo)準的主要特征：實現(xiàn)20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四種不同的傳輸速率；支持星型和點到點兩種拓撲結(jié)構(gòu)；在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有協(xié)調(diào)器分配的，64位地址是全球唯一的擴展地址；采用可選的時槽

2、保障（Guaranteed Time Slots，GTS）機制；采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信道訪問機制；支持ACK機制以保證可靠傳輸；低功耗機制；信道能量檢測（Energy Detection，ED）；鏈路質(zhì)量指示（Link quality indication，LQI）；工作在ISM頻段上，其中在2450 MHz 波段上有16個信道，在915MHz波段上有30個信道，在868MHz上有3個信道；數(shù)據(jù)安全策略。IEEE 802.15.4標(biāo)準 IEEE 802.

3、15.4標(biāo)準概述 網(wǎng)絡(luò)組成及拓撲結(jié)構(gòu) 協(xié)議棧架構(gòu) 功能概述 物理層規(guī)范 信道分配及調(diào)制方式 物理層幀格式 物理層功能實現(xiàn) MAC子層規(guī)范 MAC子層的信道訪問方式 MAC子層的幀格式 MAC子層的功能實現(xiàn) IEEE 802.15.4標(biāo)準 IEEE 802.15.4標(biāo)準概述 網(wǎng)絡(luò)組成及拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成及拓撲結(jié)構(gòu) 協(xié)議棧架構(gòu)協(xié)議棧架構(gòu) 功能概述功能概述 物理層規(guī)范 信道分配及調(diào)制方式 物理層幀格式 物理層功能實現(xiàn) MAC子層規(guī)范 MAC子層的信道訪問方式 MAC子層的幀格式 MAC子層的功能實現(xiàn) IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-1：星型和點到點拓撲結(jié)構(gòu) IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-

4、2：IEEE 802.15.4 協(xié)議棧架構(gòu)IEEE 802.15.4標(biāo)準 IEEE 802.15.4標(biāo)準功能概述 超幀結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)傳輸模型 MAC層幀結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)可靠傳輸機制 低功耗策略 數(shù)據(jù)的安全服務(wù) IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-3：超幀結(jié)構(gòu)IEEE 802.15.4標(biāo)準 IEEE 802.15.4標(biāo)準概述 網(wǎng)絡(luò)組成及拓撲結(jié)構(gòu) 協(xié)議棧架構(gòu) 功能概述 物理層規(guī)范 信道分配及調(diào)制方式信道分配及調(diào)制方式 物理層幀格式物理層幀格式 物理層功能實現(xiàn)物理層功能實現(xiàn) MAC子層規(guī)范 MAC子層的信道訪問方式 MAC子層的幀格式 MAC子層的功能實現(xiàn) IEEE 802.15.4標(biāo)準表格 5 1 信道分

5、配和調(diào)制方式頻段頻段 (MHz)擴頻參數(shù)擴頻參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)片速率片速率 (kchip/s)調(diào)制方式調(diào)制方式比特速率比特速率 (kb/s)符號速率符號速率 (ksymbol/s)符號符號868868.6300BPSK2020二進制902928600BPSK4040二進制868868.6*400ASK25012.520-bitSPSS902928*1600ASK250505-bitSPSS868868.6*400O-QPSK1002516-ary正交902928*1000O-QPSK25062.516-ary正交24002483.52000O-QPSK25062.516-ary正交注：*項為

6、可選項目，系802.15.4-2006新增內(nèi)容IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-4：物理幀格式Ocets：4 字節(jié)1 字節(jié)1 字節(jié)可變前導(dǎo)碼（preamble）SFDFrame length(7 比特)Reserved(1 比特)PSDU同步頭(SHR)物理幀頭(PHR)PHY 負載IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-5：物理層參考模型IEEE 802.15.4標(biāo)準 物理層功能實現(xiàn) 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收 物理信道的能量檢測(ED：Energy Detection) 射頻收發(fā)器的激活與關(guān)閉 空閑信道評估(CCA：clear channel assessment) 鏈路質(zhì)量指示(LQI：link

7、 quality indication) 物理層屬性參數(shù)的獲取與設(shè)置IEEE 802.15.4標(biāo)準 IEEE 802.15.4標(biāo)準概述 網(wǎng)絡(luò)組成及拓撲結(jié)構(gòu) 協(xié)議棧架構(gòu) 功能概述 物理層規(guī)范 信道分配及調(diào)制方式 物理層幀格式 物理層功能實現(xiàn) MAC子層規(guī)范 MAC子層的信道訪問方式子層的信道訪問方式 MAC子層的幀格式子層的幀格式 MAC子層的功能實現(xiàn)子層的功能實現(xiàn) IEEE 802.15.4標(biāo)準 IEEE 802.15.4標(biāo)準的MAC子層功能 采用CSMA-CA機制來訪問物理信道； 協(xié)調(diào)器對網(wǎng)絡(luò)的建立與維護； 支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（association）與取消關(guān)聯(lián)（disassociatio

8、n）； 協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步； 間接傳輸?shù)膶崿F(xiàn)(Transaction handling)； 在兩個MAC實體之間提供數(shù)據(jù)可靠傳輸； 可選的GTS支持； 支持安全機制；IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-6：中間協(xié)調(diào)器接收和發(fā)送信標(biāo)幀IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-7：CSMA-CA 算法（概）IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-7：CSMA-CA 算法IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-7：CSMA-CA 算法（續(xù)）IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-8：MAC幀格式IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-10：數(shù)據(jù)幀格式圖 5-9：信標(biāo)幀格式IEEE

9、 802.15.4標(biāo)準圖 5-12：命令幀格式圖 5-11：確認幀格式IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-13：MAC層參考模型IEEE 802.15.4標(biāo)準 MAC子層功能實現(xiàn) PAN的建立與維護 關(guān)聯(lián)請求與取消 與信標(biāo)幀的同步 數(shù)據(jù)的間接傳輸方式 數(shù)據(jù)的發(fā)送，接收與重傳 GTS的分配與管理 MAC子層PIB的維護 MAC子層的安全策略IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-14：設(shè)備關(guān)聯(lián)的消息流程IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-15：設(shè)備發(fā)起取消關(guān)聯(lián)的消息流程IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-16：與協(xié)調(diào)器同步消息流程(信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò))IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-17：G

10、TS分配過程消息流程圖IEEE 802.15.4標(biāo)準圖 5-18：GTS釋放消息流程內(nèi)容提要1.IEEE 802.15.4標(biāo)準2.ZigBee標(biāo)準 3.6LowPan草案 4.主要參考文獻ZigBee標(biāo)準 圖 5-19：ZigBee協(xié)議棧模型ZigBee標(biāo)準 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層功能實現(xiàn) ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成過程與設(shè)備的維護 ZigBee路由機制 應(yīng)用層規(guī)范簡介 ZigBee標(biāo)準 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層功能實現(xiàn) ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成過程與設(shè)備的維護網(wǎng)絡(luò)的形成過程與設(shè)備的維護 ZigBee路由機制路由機制 應(yīng)用層規(guī)范簡介 ZigBee標(biāo)準 圖 5-20：數(shù)據(jù)實體與管理實體ZigBee標(biāo)準 圖 5-

11、21：Coordinator功能模塊示意圖ZigBee標(biāo)準 圖 5-22：Router功能模塊示意圖ZigBee標(biāo)準 圖 5-23：End Device功能模塊示意圖ZigBee標(biāo)準 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成過程與設(shè)備的維護 網(wǎng)絡(luò)建立網(wǎng)絡(luò)建立 設(shè)備加入設(shè)備加入 設(shè)備短地址分配設(shè)備短地址分配 設(shè)備離開設(shè)備離開 鄰居列表的維護鄰居列表的維護 ZigBee標(biāo)準 表格 5 2 偏移量計算otherwiseRmRmCmRmCmRmifdLmCmdCskipdLm,111),1(1)(1在網(wǎng)絡(luò)中的深度偏移量Cskip021152130ZigBee標(biāo)準 圖 5-24：地址分配ZigBee標(biāo)準 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

12、路由機制 路由消耗路由消耗(Routing Cost)的計算的計算 路由表維護路由表維護 路由發(fā)現(xiàn)路由發(fā)現(xiàn) 樹形路由過程樹形路由過程 ZigBee標(biāo)準 111,iiLiDDCPC路徑總的路由花費：每個子路段計算出的內(nèi)部鏈接花費函數(shù)：41, 7min7lproundlCZigBee標(biāo)準 表格 5 3: 路由表名稱大小描述目的地址2字節(jié)該路徑的目的設(shè)備地址狀態(tài)3比特路由發(fā)現(xiàn)的狀態(tài)0 x0：ACTIVE0 x1：DISCOVERY_UNDERWAY0 x2：DISCOVERY_FAILED0 x3：INACTIVE0 x4-0 x7：RESERVED下一跳地址2字節(jié)通往目的設(shè)備路徑上的下一跳設(shè)備地址

13、ZigBee標(biāo)準 圖5-25: 樹形路由ZigBee標(biāo)準 表格 5 4: 路由發(fā)現(xiàn)表名稱大小描述路由請求ID1 byte路由請求命令幀的一個序列號，當(dāng)設(shè)備每發(fā)起一個路由請求時，該序列號加1源設(shè)備地址2 bytes發(fā)起路由請求設(shè)備的地址發(fā)送設(shè)備地址2 bytes最后一次發(fā)送最小路由損耗路由請求命令幀的設(shè)備地址，用來確定路由回復(fù)命令幀最終的路徑前向損耗1 byte從路由請求的源設(shè)備到當(dāng)前設(shè)備的累積路由損耗剩余損耗1 byte從當(dāng)前設(shè)備到目的設(shè)備的累積路由損耗定時時間2 bytes路由發(fā)現(xiàn)倒計時定時器ZigBee標(biāo)準 圖5-26: 通過路由發(fā)現(xiàn)得到的路徑ZigBee標(biāo)準 Zigbee網(wǎng)絡(luò)層功能實現(xiàn)

14、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成過程與設(shè)備的維護 ZigBee路由機制 應(yīng)用層規(guī)范簡介 ZigBee標(biāo)準 圖5-27: APS參考模型內(nèi)容提要1.IEEE 802.15.4標(biāo)準2.ZigBee標(biāo)準 3.6LowPan草案 4.主要參考文獻6LowPan草案 動機與存在的問題 協(xié)議報文轉(zhuǎn)換適配層和幀格式 地址管理機制 Mesh網(wǎng)絡(luò)下的多跳傳輸方法及路由 鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議 6LowPan草案圖5-28: 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)6LowPan草案圖5-29: 各種封裝的IPv6層數(shù)據(jù)報文格式6LowPan草案圖5-29: 各種封裝的IPv6層數(shù)據(jù)報文格式（續(xù)）6LowPan草案圖5-30: 采用dispatch類型頭部的幀格

15、式以及具體的dispatch值6LowPan草案圖5-31: Mesh傳輸?shù)膱笪母袷?LowPan草案圖5-32: 分片傳輸?shù)念^部幀格式6LowPan草案圖5-33: LowPanHC1壓縮報文格式6LowPan草案圖5-34: LOAD協(xié)議的三種消息格式內(nèi)容提要1.IEEE 802.15.4標(biāo)準2.ZigBee標(biāo)準 3.6LowPan草案 4.主要參考文獻主要參考文獻1IEEE 802.15.4-2006/20032ZigBee specification v1.13Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks (draft ietf 6lowpan format-13)(work in progress)46LoWPAN: Overview, Assumptions, Problem Statement and Goals (draft ietf 6lowpan problem08.txt)(work in progress)5Neighbor Discovery for IP v