WSN通信標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)4頁

1、WSN通信標(biāo)準(zhǔn)總結(jié)1. 802.15.4802.15.4是為了適應(yīng)低吞吐量的應(yīng)用和WPAN的潛在需求而設(shè)計的短距離無線通信協(xié)議。它的特點是復(fù)雜度低、低能量消耗、數(shù)據(jù)傳輸率低、支持設(shè)備便宜，可支持物體移動性。802.15.4僅對物理層和MAC層進行了規(guī)定，更上層的規(guī)定可由Zigbee協(xié)議或者6LowPAN來繼續(xù)完成。1.1 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（1） 激活或者休眠射頻收發(fā)器（2） 信道能量檢測（3） 檢測接

2、收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（4） 空閑信道評估（5） 收發(fā)數(shù)據(jù)物理層用的是三個無牌照的頻段，用直接擴頻技術(shù)來減少干擾。為了保持低能耗，802.15.4允許設(shè)備進行周期性工作。802.15.4將三個頻段劃分成27個雙工信道。組織方式如下：頻段信道數(shù)速率通信距離（理想情況）868MHz120kbps1Km915MHz1040kbps同上2.4GHz16250kbps220m在868MHz和915MHz調(diào)制方式信號處理過程相同，只是數(shù)據(jù)速率不同。處理過程如下在2.4GHz的情況下先將PPDU的二進制數(shù)據(jù)中每4位轉(zhuǎn)換為一個符號，然后將每個符號轉(zhuǎn)換為長度為32的片序列，再進行O-QPSK調(diào)制。1.2 MAC

3、層 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層數(shù)據(jù)服務(wù)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)，MAC層管理服務(wù)負責(zé)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。MAC層的主要功能包括下面六個方面的內(nèi)容：（1） 協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步（2） 支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作（3） 支持無線信道通信安全（4） 使用CSMA-CA機制訪問信道（5） 支持時槽機制（6） 支持不同設(shè)備間的MAC層間可靠傳輸。在MAC層，802.15.4應(yīng)用CSMA/CA算法。該算法要求在發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽信道來減少沖突。802.15.4中，

4、可以選用以超幀為周期組織PAN內(nèi)設(shè)備間通信，每個超幀都是以網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)幀開始。超幀分為活躍階段與不活躍階段，活躍階段又可分為信標(biāo)幀、競爭訪問階段和非競爭訪問階段。超幀的活躍階段被劃分為16個時槽，每個時槽的長度、競爭訪問階段包含的時槽數(shù)都由協(xié)調(diào)器設(shè)定。在競爭訪問階段，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用帶時槽的CSMA-CA訪問機制。在非競爭訪問階段，協(xié)調(diào)器根據(jù)上一個超幀期間PAN網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備申請GTS的情況，將非競爭時段劃分成若干個GTS，每個GTS由若干個時槽組成。時槽數(shù)目在申請GTS時就已經(jīng)確定。802.15.4定義了兩種通信模式：信標(biāo)使能通信和信標(biāo)不使能通信，它們分別對應(yīng)了兩種不同的信道接入模式。在無

5、信標(biāo)模式中，采用非時槽的CSMA/CA協(xié)議來連接到信道和傳輸數(shù)據(jù)包。這種算法的操作模式為：首先 每個節(jié)點將按一個隨機長時間進行退避。退避時間到后，然后開始檢測信道狀態(tài)，如果信道空閑節(jié)點立即發(fā)送數(shù)據(jù)，如果信道繁忙，進入下個退避階段。節(jié)點嘗試連接到信道存在一個最大的時間閾值，當(dāng)超過這個閾值的時候，算法結(jié)束，數(shù)據(jù)將不能發(fā)送。在有信標(biāo)模式中，采用協(xié)議。協(xié)調(diào)器會發(fā)送一個信標(biāo)幀，PAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根據(jù)信標(biāo)幀來進行同步。在時槽CSMA/CA機制下，當(dāng)設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)時首先定位下一個時槽的邊界，然后等待隨機數(shù)目個時槽。等待完畢后，信道開始檢測信道狀態(tài)，如果信道空閑，在下一個時槽開始發(fā)送數(shù)據(jù)。如果信道忙，則重復(fù)

6、等待檢測過程1.3 802.15.4支持的拓撲結(jié)構(gòu)802.15.4定義了兩種節(jié)點，全功能節(jié)點（FFD）和簡化節(jié)點（RFD）。全功能節(jié)點包含了全部的MAC服務(wù)，可以作為一個協(xié)調(diào)者或者一個簡單的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而簡化節(jié)點只能作為一個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。802.15.2允許兩種拓撲結(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)和點到點的結(jié)構(gòu)。但是由于涉及到更高層功能的定義，在標(biāo)準(zhǔn)中這兩種結(jié)構(gòu)沒有被標(biāo)準(zhǔn)化。星型結(jié)構(gòu)中有一個FFD節(jié)點作為PAN協(xié)調(diào)者，它是唯一一個可以連接超過兩個的設(shè)備。點到點結(jié)構(gòu)中可以形成多個直接的鏈路。星型結(jié)構(gòu)適合于小覆蓋范圍和低擴展性的應(yīng)用中，點對點的通信適合于大覆蓋范圍。802.25.4的機制中支持一個PAN協(xié)調(diào)者來建立一個新

7、的PAN，并利用一種連接程序讓其他設(shè)備連接到這個PAN。PAN的協(xié)調(diào)者需要獨占一個空閑信道，這種獨占方式可以防止干擾。協(xié)調(diào)者通過能量檢測掃描獲得每個信道極限能量值來看哪個信道是空閑的。協(xié)議中只是說明了能量檢測掃描能夠是可以使用的方式，但是沒有指定只能用這種方式。一個節(jié)點發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)者的程序可以總結(jié)如下：（1）需找有效的PANs（2）選擇一個加入（3）與協(xié)調(diào)者或者已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的全能節(jié)點連接。通過協(xié)調(diào)者發(fā)出的掃描幀來發(fā)現(xiàn)有效PAN。在連接階段，有兩種不同類型的掃描方式。（1）被動掃描：在信標(biāo)使能的網(wǎng)絡(luò)中，可以連接的設(shè)備會周期性的發(fā)送信標(biāo)幀，因此，可以通過偵聽無線信道來獲得有效PAN的信息。（2）主動掃

8、描，在物信標(biāo)使能的網(wǎng)絡(luò)中，信標(biāo)幀并不是周期的發(fā)送但是可以通過信標(biāo)請求命令幀或者信標(biāo)。掃描結(jié)束后，一系列可以使用的PANs可以供節(jié)點去連接。在標(biāo)準(zhǔn)中，并沒有明確的連接規(guī)范。當(dāng)成功收到一個連接回復(fù)命令幀時表示連接結(jié)束。2. Zigbee協(xié)議Zigbee協(xié)議在802.15.4的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。它的主要獻、是給了802.15.4應(yīng)用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)層的能力。當(dāng)發(fā)生賭賽的時候，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)層可以再造路由直到數(shù)據(jù)到達目的節(jié)點。此外，Zigbee定義一個信標(biāo)使能的樹狀拓撲結(jié)構(gòu)作為對802.15.4的點到點的網(wǎng)絡(luò)的補充。Zigbee協(xié)議定義的樹狀結(jié)構(gòu)可擴展性強且父子節(jié)點間避免了沖突。3. 6LowPAN協(xié)議6

9、LowPan協(xié)議是IETF制定的一個開放協(xié)議為了能夠在802.15.4的基礎(chǔ)上使用IPv6。在6LowPan中低層協(xié)議也是802.15.4協(xié)議。6LowPan協(xié)議定義如何在低速、低能耗、低費用的個人網(wǎng)絡(luò)。它的特色是動態(tài)分配一個16bit的動態(tài)地址，通過這個地址，可以實行分層的路由。6LowPan可以直接與其它擁有IP使能的設(shè)備進行通信而Zigbee節(jié)點必須通過一個802.15.4/IP的網(wǎng)關(guān)才能進行通信.對于沒有與IP互動的設(shè)備或者數(shù)據(jù)包很小時,沒有必要用6LowPAN,這種情況下Zigbee的表現(xiàn)可能更好。4. UWB超寬帶技術(shù)定義為：信號的瞬時頻譜占有500MHz或者部分帶寬超過20%。由

10、于超寬帶技術(shù)在基帶上操作，不需要調(diào)制和解調(diào)。對于應(yīng)用于WSN的最有可能的UWB技術(shù)是 (IR_UWB)。5藍牙協(xié)議藍牙技術(shù)的主要特點是魯棒性強、低功耗、低花費。藍牙使用的是2.4GHz的ISM頻段，79個1M的信道可以用。系統(tǒng)通過跳頻的方式來防干擾和衰減。射頻為高斯形狀、二元頻移鍵控、前向差錯控制技術(shù)，來減少傳輸?shù)膹?fù)雜性。傳輸速率能達到1Mbps。拓撲結(jié)構(gòu)為星型結(jié)構(gòu)，有一個主管節(jié)點和最多7個活動節(jié)點。物理信道的使用被分成625微秒的時間單元。，藍牙技術(shù)利用時分（TDD）實現(xiàn)了有效的雙向通信。6. Z-WaveZ-Wave是由丹麥的Zensys公司開發(fā)的技術(shù)。它利用了低功耗的射頻技術(shù)，可以實現(xiàn)低

11、功耗遠程控制。這種技術(shù)已經(jīng)被Z-Wave聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化。這種技術(shù)不能與802.15.4兼容。與802.15.4相比，它的優(yōu)勢在于它的操作頻率在1GHz以下。在2.4GHz頻段，802.11與802.15.1設(shè)備的干擾已經(jīng)比較嚴重。歐盟規(guī)定，Z-Wave可以使用868MHzISM頻段的1%或者以下。但是1%的帶寬已經(jīng)足夠大部分的控制操作需求。Z-Wave允許網(wǎng)眼狀拓撲結(jié)構(gòu)，但是網(wǎng)絡(luò)中最多允許232個節(jié)點。速率可以達到9.6Kbps和40Kbps。Zensys公司的收發(fā)器件允許室外100m的通信距離。7.藍牙超低能耗技術(shù)：這個發(fā)展中的超低功耗技術(shù)是在FP6基金項目MIMOSA中發(fā)展起來的。在2006年

12、10月，這種技術(shù)以“Wibree”的名字發(fā)布。實際上，它是簡化版的藍牙標(biāo)準(zhǔn)。它同樣使用2.4GHz的ISM頻段以使它能夠與其它藍牙技術(shù)進行交互。在10m范圍內(nèi)速率可以達到1Mbit/s。它設(shè)計目的是可以在較小延遲的情況下有效的傳輸小數(shù)量的數(shù)據(jù)。它能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗的原因在于它的連接與發(fā)現(xiàn)機制、連接中發(fā)送的數(shù)據(jù)包的數(shù)量和每一個包的大小。由于它的信道數(shù)目少，所以連接的時候可以在搜索階段節(jié)省很多能量8.ANT技術(shù)ANT技術(shù)是一種擁有專利權(quán)的超低功耗的無線通信協(xié)議棧。它設(shè)計為工作在2.4GHz,應(yīng)用低花費、低能量的微型控制器和傳輸器。ANT的特點是低功耗、低功耗、支持廣播，突發(fā)事件和處理能力能達到20Kbit/s（在空氣中的傳播速率為1Mbit/s）。ANT技術(shù)支持點對點、星型、樹形和其它網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。ANT的節(jié)點可以作為管理節(jié)