第2章IEEE802.15.4無線傳感器網(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)完成任務(wù)。IEEE802.15.4/ZigBee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)的無線收發(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的與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議想過的通信標(biāo)準(zhǔn)。包括IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。3本章內(nèi)容簡介

☆I(lǐng)EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述 ☆網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ☆協(xié)議棧架構(gòu) ☆物理層PHY規(guī)范 ☆MAC規(guī)范 ☆MAC/PHY信息交互流程 ☆基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)42.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述IEEE802.15.4通信協(xié)議是短距離無線通信的IEEE標(biāo)準(zhǔn)，它是無線傳感器網(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)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE用于低速無線個(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)洌磫翁菭罨虍?dāng)通信線路超過10m時(shí)的多跳對等拓?fù)洹R-WPAN中的器件既可以使用在關(guān)聯(lián)過程中指配的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。5IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)具有如下特點(diǎn)：（1）支持簡單器件。（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。2.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述IEEE802.15.4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)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｔ谛切徒Y(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)IEEE802.15.4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)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹｜c(diǎn)對點(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，點(diǎn)對點(diǎn)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(gè)設(shè)備之都可以直接通信。

2.2網(wǎng)絡(luò)組成和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧基于開放系統(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)。在IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)中，OSI參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)一步劃分為MAC和LLC兩個(gè)子層。MAC子層使用物理層提供的服務(wù)實(shí)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面向連接的服務(wù)。2.3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（ServiceSpecificConvergenceSublayer，SSCS），鏈路控制子層（logicallinkcontrol，LLC）等，只是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)可能的上層協(xié)議，并不在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的定義范圍之內(nèi)。SSCS為IEEE802.15.4的MAC層接入IEEE802.2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IEEE802.15.4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)

2.3協(xié)議棧架構(gòu)

2.3協(xié)議棧架構(gòu)

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?shù)取Ｎ锢韺拥闹饕δ苁窃谝粭l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PHY規(guī)范

物理層數(shù)據(jù)服務(wù)包括以下五方面的功能：（1）激活和取消射頻收發(fā)器。（2）檢測當(dāng)前信道能量。（3）發(fā)送鏈路質(zhì)量指示。（4）評(píng)估CSMA/CA的空閑信道。（5）選擇信道頻率。（6）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。2.4.物理層PHY規(guī)范

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)。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。MAC子層的參考模型如圖所示。2.5.MAC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）支持設(shè)備安全規(guī)范；

（5）使用CSMA-CA機(jī)制訪問物理信道；

（6）支持時(shí)槽保障（guaranteedtimeslot，GTS）機(jī)制；

（7）支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸。（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；2.5.MAC規(guī)范

超幀是一種用來組織網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間分配的邏輯結(jié)構(gòu)。超幀時(shí)間分配由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器定義，主要包括活躍時(shí)段和非活躍時(shí)段。網(wǎng)絡(luò)中的所有通信都必須在活躍時(shí)段進(jìn)行，而在非活躍時(shí)段，設(shè)備可以進(jìn)入休眠模式以達(dá)到省電目的。超幀的活躍時(shí)段被劃分為16個(gè)等長的時(shí)槽，每個(gè)時(shí)槽的長度、競爭訪問時(shí)段包含的時(shí)槽數(shù)等參數(shù)，都由協(xié)調(diào)器設(shè)定，并通過超幀開始時(shí)發(fā)出的信標(biāo)幀廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中普通設(shè)備接收到超幀開始時(shí)的信標(biāo)幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務(wù)，例如進(jìn)入休眠狀態(tài)直到這個(gè)超幀結(jié)束。

超幀

LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中存在著三種數(shù)據(jù)傳輸方式：設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備、對等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中只存在前兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，因?yàn)閿?shù)據(jù)只在協(xié)調(diào)器和設(shè)備之間交換；而在點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，三種數(shù)據(jù)傳輸方式都存在。

數(shù)據(jù)傳輸模型

每個(gè)MAC子層的幀都由幀頭、負(fù)載和幀尾三部分組成。幀頭由幀控制信息、幀序列號(hào)和地址信息組成。幀負(fù)載具有可變長度，具體內(nèi)容由幀類型決定。幀尾是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的16位CRC校驗(yàn)序列。如表所示

MAC層幀結(jié)構(gòu)

Ocets：210/20/2/80/20/2/80/5/6/10/14可變2幀控制域（FrameControl）幀序列號(hào)（SeqNum）目標(biāo)PANID目標(biāo)地址源PANID源地址附加安全頭部幀負(fù)載FCS校驗(yàn)

地址域

MAC負(fù)載幀尾（MFR）無線網(wǎng)關(guān)的通信模型如圖所示。2.6MAC/PHY信息交互流程

模型主要包括以下3個(gè)方面：①無線通信機(jī)制。現(xiàn)場設(shè)備與無線網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)通信采用了ZigBee無線通信技術(shù)。ZigBee無線通信技術(shù)采用CSMACA接入方式，有效避免了無線電載波之間的沖突，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｆ銶AC層和物理層由IEEE802.15.4工作小組制定，NWK和APS則由ZigBee聯(lián)盟來制定，其他部分——ZDO（ZigBee設(shè)備對象）和ZAO（ZigBee應(yīng)用對象），由用戶根據(jù)不同應(yīng)用來完成。2.6MAC/PHY信息交互流程

②以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。無線網(wǎng)關(guān)的接入功能主要體現(xiàn)在協(xié)議轉(zhuǎn)換，即將ZigBee無線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)有線協(xié)議，通過以太網(wǎng)接入控制網(wǎng)絡(luò)。IEEE802.3PHY和IEEE802.3MAC為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層和介質(zhì)訪問層，IEEE802.2LLC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。2.6MAC/PHY信息交互流程

③上層服務(wù)接口（highlayerserviceinterface）。針對工業(yè)應(yīng)用，無線網(wǎng)關(guān)要求提供上層服務(wù)及接口，使用戶可以通過無線網(wǎng)關(guān)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行組態(tài)、調(diào)校。上層服務(wù)接口位于ZigBeeAPS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。2.6MAC/PHY信息交互流程

1.組網(wǎng)類型

本實(shí)例中，無線傳感器網(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，它們對周圍環(huán)境中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行測量和采樣，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)對發(fā)來的數(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IEEE802.1