第2章 IEEE 802154無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)

1、IEEE 802.15.4無(wú)線傳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn) 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用一般并不需要很高的信道傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用一般并不需要很高的信道帶寬，卻要求具有較低的傳輸延時(shí)和極低的功帶寬，卻要求具有較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗，使用戶能在有限的電池壽命內(nèi)完成任率消耗，使用戶能在有限的電池壽命內(nèi)完成任務(wù)。務(wù)。IEEE 802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)把低功耗標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低成本作為主要目標(biāo)，為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了、低成本作為主要目標(biāo)，為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種互聯(lián)互通的平臺(tái)，各個(gè)射頻芯片廠商也陸一種互聯(lián)互通的平臺(tái)，各個(gè)射頻芯片廠商也陸續(xù)推出支持該標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)芯片。續(xù)推出支持該標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收

2、發(fā)芯片。 本章主要介紹了當(dāng)前工業(yè)界已有的或正在制定本章主要介紹了當(dāng)前工業(yè)界已有的或正在制定的與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議想過(guò)的通信標(biāo)準(zhǔn)。包的與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議想過(guò)的通信標(biāo)準(zhǔn)。包括括IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。3本章內(nèi)容簡(jiǎn)介IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述標(biāo)準(zhǔn)概述網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)協(xié)議棧架構(gòu)協(xié)議棧架構(gòu)物理層物理層PHY規(guī)范規(guī)范MAC規(guī)范規(guī)范MAC/PHY信息交互流程信息交互流程基于基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感器標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)42.1 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述標(biāo)準(zhǔn)概述 IEEE802.15.4通信協(xié)議是短距離無(wú)線通信的IE

3、EE標(biāo)準(zhǔn)，它是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議中物理層與MAC層的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)。 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE用于低速無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)(LR-WPAN)的物理層和媒體接入控制層規(guī)范。該協(xié)議支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，即單跳星狀或?dāng)通信線路超過(guò)10m時(shí)的多跳對(duì)等拓?fù)洹R-WPAN中的器件既可以使用在關(guān)聯(lián)過(guò)程中指配的16位短地址，也可以使用64位IEEE地址。一個(gè)802.15.4網(wǎng)可以容納最多216個(gè)器件。5 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)具有如下特點(diǎn)： （1）支持簡(jiǎn)單器件。 （2）工作頻段和數(shù)據(jù)速率。 （3）數(shù)據(jù)傳輸和低功耗。 （4）信標(biāo)方式和超幀結(jié)構(gòu)。 （5）自配置。 （6）安全性。2.1 IEEE8

4、02.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述標(biāo)準(zhǔn)概述2.2 網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(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兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?在星型結(jié)構(gòu)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的形成以及數(shù)據(jù)的傳輸由中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者集中控制，所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。各個(gè)終端設(shè)備（FFD或RFD）直接與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者進(jìn)行關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸。2.2 網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(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兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認(rèn)證設(shè)備身份等功能。但與星型網(wǎng)絡(luò)不同

5、，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)只要彼此都在對(duì)方的無(wú)線輻射范圍之內(nèi)，任何兩個(gè)設(shè)備之都可以直接通信。2.3 協(xié)議棧架構(gòu)協(xié)議棧架構(gòu) IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧基于開(kāi)放系統(tǒng)互連模型（OSI），每一層都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。 2.3 協(xié)議棧架構(gòu)協(xié)議棧架構(gòu) MAC子層以上的幾個(gè)層次，包括特定服務(wù)的聚合子層（Service Specific Convergence Sublayer， SSCS），鏈路控制子層（logical li

6、nk control，LLC）等，只是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)可能的上層協(xié)議，并不在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的定義范圍之內(nèi)。 SSCS為IEEE 802.15.4的MAC層接入IEEE 802.2標(biāo)準(zhǔn)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(wèn)IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)，為應(yīng)用層提供鏈路層服務(wù)。 2.3 協(xié)議棧架構(gòu)協(xié)議棧架構(gòu)2.3 協(xié)議棧架構(gòu)協(xié)議棧架構(gòu)2.4.物理層物理層PHY規(guī)范規(guī)范 在OSI參考模型中，物理層處于最底層，是保障信號(hào)傳輸?shù)墓δ軐樱虼宋锢韺由婕芭c信號(hào)傳輸有關(guān)的各個(gè)方面，包括信號(hào)發(fā)生、發(fā)送與接收電路，數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸編碼、同步與異步傳輸

7、等。物理層的主要功能是在一條物理傳輸媒體上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間透明地傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流。它為鏈路層提供服務(wù)包括：物理連接的建立、維持與釋放、物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的傳輸、物理層管理、數(shù)據(jù)編碼。 2.4.物理層物理層PHY規(guī)范規(guī)范 物理層數(shù)據(jù)服務(wù)包括以下五方面的功能： （1）激活和休眠射頻收發(fā)器。 （2）信道能量檢測(cè)（energy detect）。 （3）檢測(cè)接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（link quality indication，LQI）。 （4）空閑信道評(píng)估（clear channel assessment，CCA）。 （5）收發(fā)數(shù)據(jù)。2.5.MAC規(guī)范規(guī)范 MAC子層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)

8、據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。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(hù)一個(gè)存儲(chǔ)MAC子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。MAC 子層的參考模型如圖所示。2.5.MAC規(guī)范規(guī)范 MAC子層主要功能包括下面八個(gè)方面： （1）如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器，那么就需要產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)； （2）信標(biāo)的同步； （3）支持個(gè)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）的關(guān)聯(lián)（association）和取消關(guān)聯(lián)（disassociation）操作； （4）支持無(wú)線信道通信安全；（5）使用CSMA-CA機(jī)制訪問(wèn)物理信道；（6）支持時(shí)槽保障（guaranteed time slot， GTS）機(jī)制；（7）支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸。 （

9、8）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)議器同步；2.6 MAC/PHY信息交互流程信息交互流程 無(wú)線網(wǎng)關(guān)的通信模型如圖所示。2.6 MAC/PHY信息交互流程信息交互流程 模型主要包括以下3個(gè)方面： 無(wú)線通信機(jī)制?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與無(wú)線網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)通信采用了ZigBee無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee無(wú)線通信技術(shù)采用CSMACA接入方式，有效避免了無(wú)線電載波之間的沖突，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。其MAC層和物理層由IEEE802.15.4工作小組制定，NWK和APS則由ZigBee聯(lián)盟來(lái)制定，其他部分ZDO（ZigBee設(shè)備對(duì)象）和ZAO（ZigBee應(yīng)用對(duì)象），由用戶根據(jù)不同應(yīng)用來(lái)完成。

10、2.6 MAC/PHY信息交互流程信息交互流程 以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。無(wú)線網(wǎng)關(guān)的接入功能主要體現(xiàn)在協(xié)議轉(zhuǎn)換，即將ZigBee無(wú)線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)有線協(xié)議，通過(guò)以太網(wǎng)接入控制網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.3PHY和IEEE802.3 MAC為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層和介質(zhì)訪問(wèn)層，IEEE802.2 LLC提供以太網(wǎng)幀與IP層接口，傳輸層為標(biāo)準(zhǔn)TCP/UDP協(xié)議。2.6 MAC/PHY信息交互流程信息交互流程 上層服務(wù)接口（high layer service interface）。針對(duì)工業(yè)應(yīng)用，無(wú)線網(wǎng)關(guān)要求提供上層服務(wù)及接口，使用戶可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行組態(tài)、調(diào)校。上層服務(wù)接口位于ZigBee APS層與TCP/IP層之間，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)提供通用接口。2.7 基于基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 1.組網(wǎng)類型組網(wǎng)類型 本實(shí)例中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)與計(jì)算機(jī)相連的無(wú)線模塊作為中心節(jié)點(diǎn)，可以跟任何一個(gè)普通節(jié)點(diǎn)通信。普通節(jié)點(diǎn)可以由一組傳感器節(jié)點(diǎn)組成，如溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器等，它們對(duì)周圍環(huán)境中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和采樣，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)往中心節(jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)對(duì)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行分析處理，完成相應(yīng)操作。普通節(jié)點(diǎn)只能接受從中心節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2.7 基于基于IEEE802