第12章-物聯(lián)網通信技術(曾憲武)LXX2014.7

1、第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范1 1 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范12.1 IEEE 802.15.4標準標準12.2 ZigBee協(xié)議規(guī)范協(xié)議規(guī)范本章小結本章小結第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2 212.1 IEEE802.15.4標準標準12.1.1 IEEE802.15.4主要性能主要性能IEEE802.15.4標準是短距離無線通信的個域網(Wireless Personal Area Network,WPAN)標準。 該標準規(guī)定了個域網(Personal Area Network, PAN)中設備間的無線通

2、信協(xié)議和接口。 IEEE802.15.4標準采用了多址接入/沖突檢測載波偵聽（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection， CSMA/CA）的媒體接入或媒體訪問控制方式， 網絡的拓撲結構可以是點對點或星形結構。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3 3IEEE802.15.4標準主要描述了物理層和MAC層標準， 通信距離一般在數(shù)十米的范圍之內。 IEEE802.15.4的物理層是WSN的通信基礎， MAC層實現(xiàn)對物理層的訪問， 完成信標的同步， 支持個域網絡關聯(lián)和去關聯(lián)， 提供MAC層實體間的可靠連接， 執(zhí)

3、行信道接入等任務。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4 4IEEE802.15.4標準也采用了滿足ISO/OSI參考模型的分層結構， 定義了單一的MAC層和多樣的物理層。 該標準具有以下主要性能： （1） 頻段、 數(shù)據傳輸速率及信道個數(shù)。 在868 MHz頻段， 傳輸為20 kb/s， 信道數(shù)為1個； 在915 MHz頻段， 傳輸為40 kb/s，信道數(shù)為10個； 在2.4 GHz頻段， 傳輸為250 kb/s， 信道數(shù)為16個。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5 5（2） 通信范圍。室內： 通信距離為10 m時， 傳輸速率為250 kb/s。

4、室外： 當通信距離為3075 m時， 傳輸速率為40 kb/s； 當通信距離為300 m時， 傳輸速率為20 kb/s。 （3） 拓撲結構及尋址方式。 該標準支持點對點及星型網絡拓撲結構； 支持65 536個網絡節(jié)點； 支持64 bit的IEEE地址， 8 bit的網絡地址。 （4） 應用領域。 該標準可應用于傳感器網絡及現(xiàn)場控制等領域。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范6 612.1.2 IEEE802.15.4物理層物理層1. 物理層的主要功能 物理層主要具有以下功能： （1） 激活和去激活無線收發(fā)器。 （2） 對當前信道進行能量檢測。 （3） 發(fā)送鏈路質量指示。

5、（4） 載波偵聽多址接入/沖突避免。 （5） 信道頻率的選擇。 （6） 數(shù)據的發(fā)送與接收。 （7） 媒質訪問控制方式的空閑信道評估。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范7 7IEEE802.15.4標準所定義的物理層的工作頻段、 傳輸速率及調制方式如表12.1.1所示。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范8 8IEEE802.15.4標準采用了三個頻段， 每個頻段包含若干個信道， 各信道劃分如下：868 MHz頻段： fc=868.3 MHz， k=0， 1個信道。915 MHz頻段： fc=906+2(k1) MHz， k=1, 2, , 10， 1

6、0個信道。2.4 GHz頻段： fc=2405+5(k11) MHz，k=11, 12, , 26， 16個信道 。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范9 92. 物理服務規(guī)范IEEE802.15.4標準定義了2.4 GHz和868/915 MHz兩個物理層標準， 均采用了DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum, 直接序列擴頻)技術及相同的數(shù)據包格式， 但它們的工作頻率、 調制技術、 擴頻碼片長度和傳輸速率卻有所不同。 物理層提供了MAC層和物理信道之間的接口， 物理層的管理實體提供了用于調用物理層管理功能的管理服務接口。 物理層的參考模型

7、如圖12.1.1 所示。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范10 10圖12.1.1 物理層參考模型第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范11 11在物理層的參考模型中， PLME(Physical Layer Management Entity)為管理實體；PD-SAP(Physical Data Service Access Point)為物理層數(shù)據服務接入點； PIB(PAN Information Base)為物理層的個域網信息庫。 物理層提供了物理層數(shù)據服務和物理層管理服務。 物理層數(shù)據服務是由PD-SAP（物理層數(shù)據服務接入點）提供的， 物理

8、層管理服務是由PLME中的PD-SAP提供的。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范12 12物理層數(shù)據服務在無線信道上收發(fā)數(shù)據， 通過PD-SAP實現(xiàn)對等MAC層實體間的MPDU(MAC Protocol Data Unit)傳輸。 物理層管理服務用于維護物理層相關數(shù)據組成的數(shù)據庫， 通過PLME-SAP在MLME(MAC Layer Management Entity, MLME)和管理實體PLME之間的傳輸管理命令。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范13 133. 物理層幀結構IEEE802.15.4物理層由4個字段組成， 其幀結構如圖12.1

9、.2所示。 第一個字段由4個字節(jié)組成前導碼， 前導碼由32個“0”組成， 用于收發(fā)器的通信同步。 第二個字段為幀的起始分割字段， 由1個字節(jié)組成， 其固定為0 xA7， 作為幀開始的標志。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范14 14 第三個字段為幀長度字段， 由1個字節(jié)組成， 字節(jié)的低7位表示幀的長度， 其余1位保留， 幀的長度表示幀的負載長度， 一般不超過127個字節(jié)。 第四個字段為數(shù)據字段， 它的長度可變， 主要用來承載MAC幀。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范15 15圖12.1.2 物理層幀結構第12章IEEE 802.15.4及ZigB

10、ee協(xié)議規(guī)范16 16幀起始分割符SFD(StartofFrame Delimiter)的長度為8 bit， 表示同步結束后數(shù)據包開始傳輸。 SFD與前導碼構成同步頭。 幀長度（7 bit）表示物理數(shù)據單元PSDU(PHY Service Data Unit)的字節(jié)數(shù)。 PSDU域是可變長度的， 它攜帶了PHY數(shù)據包的數(shù)據。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范17 1712.1.3 MAC層層1. MAC層的功能IEEE802.15.4 MAC層提供了MAC層數(shù)據服務和MAC層數(shù)據管理兩種服務。 這兩種服務為網絡層和物理層提供了一個接口。 MAC層數(shù)據服務提供了數(shù)據通信功能

11、， MPDU 的接收和發(fā)送可通過物理層來進行。 MAC層數(shù)據管理服務提供了向高層訪問的功能， 通過MLME的SAP來訪問高層。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范18 18(1） 使協(xié)調器的網絡節(jié)點產生網絡信標功能。 （2） 完成信標同步功能。 （3） 支持個域網關聯(lián)和去關聯(lián)功能。 （4） 支持節(jié)點安全規(guī)范功能。 （5） 執(zhí)行信道接入的CSMA-CA機制。（6） 處理和維護時隙(GTS)機制。（7） 提供等MAC實體間的可靠連接。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范19 192. MAC層的服務規(guī)范可通過MAC層的兩個SAP分別訪問IEEE802.15

12、.4的MAC層提供的MAC層數(shù)據服務和MAC層管理服務。 對于MAC層數(shù)據服務， 可通過MCPS-SAP（MCPS數(shù)據服務接入點）進行訪問。 網絡設備支持MCPS-DATA.Request原語， 用來請求從本地SSCS(Service Specific Convergence Sub-layer， 業(yè)務相關匯聚子層)實體向另外一個對等的SSCS實體傳輸數(shù)據。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2020對于MAC層管理服務， 可通過MLME的E-SAP（管理實體服務接入點）來訪問。 IEEE802.15.4的MAC層支持多種LLC標準。 通過SSCS協(xié)議承載IEEE802.

13、2類型的LLC標準， 可同時允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4的MAC層服務。 SSCS與PHY層間的接口是由PD-SAP和PLME-SAP兩個接入點的接口組成的。 除了這些外部接口， MLME和MCPS之間還存在一個內部接口， MLME可以通過該接口訪問MAC數(shù)據服務。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范21 213. MAC層的幀結構IEEE802.15.4的幀結構是以保證在有噪聲的信道中可靠傳輸數(shù)據的基礎上盡量降低網絡的復雜度為原則而設計的。 IEEE802.15.4的MAC層定義了4種基本幀： (1） 信標幀： 供協(xié)商者使用。 (2） 數(shù)據幀： 用

14、來承載數(shù)據。 (3） 響應幀： 用來確認幀的可靠傳輸。(4） 命令幀： 用來處理MAC層對等實體間的數(shù)據傳輸控制。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2222MAC層被送到PYH層作為物理層數(shù)據幀的一部分。 MAC幀由以下三個基本部分構成：（1） MHR： 包含幀控制、 序列號和地址信息。 （2） 可變MAC負載： 包括對應幀類型的信息。（3） MFR： 包括FCS。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2323MAC幀由幀頭(MAC Header， MHR)、 MAC負載和幀尾(MAC Footer， MFR）構成。 幀頭由幀控制、 幀序列號和地址信

15、息組成。 MAC負載的長度可變， 具體長度由幀的類型來確定。 幀尾是幀頭和負載數(shù)據的16位錯誤檢測碼序列。 通用MAC幀的結構如圖12.1.3所示。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2424圖12.1.3 通用MAC幀結構第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2525幀控制域占用2字節(jié)長度， 包含幀類型定義、 尋址域以及其他控制標志等； 幀序列號域長度為1字節(jié)， 用來為每個幀提供唯一的序列標識； 目標PAN標識域占2字節(jié)， 內容是指定接收方的唯一PAN標識； 目標地址域用來指定接收方的地址； 源PAN標識域占用2字節(jié)， 即數(shù)據發(fā)送端地址域， 是發(fā)送幀的

16、設備地址； 幀負載域長度可變， 不同的幀類型其內容也不相同； 幀檢驗序列域有16位長， 包含一個16位的CRC循環(huán)冗余校驗部分。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范26261） 信標幀信標幀由三部分構成。 其中， MAC負載部分是信標幀的有效信息， 由超幀規(guī)范描述字段、 同步時隙分配（GTS）字段、 待轉發(fā)數(shù)據目標地址字段和信標幀負載4個部分組成。 信標幀的結構如圖12.1.4所示。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2727圖12.1.4 信標幀結構第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范2828信標幀中超幀規(guī)范描述字段規(guī)定了這個超幀

17、的持續(xù)時間， 活躍部分持續(xù)時間以及競爭訪問持續(xù)時間等信息。 同步時隙分配(GTS）字段將無競爭的時段劃分為若干個GTS， 并把每個GTS分配給網絡中的一個具體設備。待轉發(fā)數(shù)據目標地址列出了工作協(xié)同設備的設備地址。 一個設備如果發(fā)現(xiàn)自己的地址出現(xiàn)在待轉發(fā)數(shù)據目標地址字段里， 即可確定協(xié)調器中存儲了該設備的數(shù)據， 于是就會向協(xié)調器發(fā)出請求發(fā)送數(shù)據的MAC命令幀。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范29292） 數(shù)據幀數(shù)據幀用來傳輸上層發(fā)送到MAC層的數(shù)據， 數(shù)據幀的負載字段包括了上層需要傳送的數(shù)據。 要傳輸?shù)臄?shù)據傳送到MAC層時， 成為MAC服務數(shù)據單元， 在數(shù)據的起始和結尾

18、部分分別附加了MHR頭信息和MFR信息后， 就構成了MAC幀。 MAC幀被傳送到物理層后， 成為物理幀的負載PSDU。 在物理層中， PSDU的首部增加了同步信息SHR和幀長度字段PHR字段后成為物理層幀。 數(shù)據幀的結構如圖12.1.5所示。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3030圖12.1.5 數(shù)據幀結構第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范31 313） 確認幀如果節(jié)點設備收到的目的地址為自己的數(shù)據幀， 并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認請求被置1， 那么此時節(jié)點設備需要回復一個確認幀。 確認幀的序列號應與被確認幀的序列號相同， 并且負載長度應為0。 確

19、認幀緊接著被確認的幀發(fā)送， 不需要采用CSMA-CA機制競爭信道。 確認幀的結構如圖12.1.6所示。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3232圖12.1.6 確認幀結構第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范33334. 超幀結構在低速率應用時， 無線個域網允許使用超幀結構。 超幀的格式由傳感器網絡的協(xié)調器定義， 超幀被分為16個大小相等的時隙， 由協(xié)調器發(fā)送， 如圖12.1.7所示。 采用網絡信標來分隔不同的超幀， 信標幀在超幀的第一個時隙傳輸。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3434圖12.1.7 超幀結構第12章IEEE

20、 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3535 12.2 ZigBee協(xié)議規(guī)范協(xié)議規(guī)范ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。 根據這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、 低功耗的無線通信技術。 這一名稱來源于蜜蜂的八字舞， 由于蜜蜂(Bee)靠飛翔和“嗡嗡”(Zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息， 也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3636ZigBee的特點是近距離、 低復雜度、 低功耗、 低數(shù)據速率、 低成本， 主要適用于自動控制和遠程控制領域， 可以嵌入各種設備。 ZigBee協(xié)議棧體系

21、結構由應用層、 應用匯聚層、 網絡層、 數(shù)據鏈路層和物理層組成， 如圖12.2.1所示。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3737圖12.2.1 ZigBee協(xié)議棧體系結構第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范3838應用層定義了各種類型的應用業(yè)務， 是協(xié)議棧的最上層用戶。 應用匯聚層負責把不同的應用映射到ZigBee網絡層上， 主要有安全與鑒權、 多個業(yè)務數(shù)據流的匯聚、 設備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務發(fā)現(xiàn)。 網絡層的功能包括拓撲管理、 MAC管理、 路由管理和安全管理。 數(shù)據鏈路層提供了可靠的數(shù)據傳輸、數(shù)據包的分段與重組、 數(shù)據包的順序傳輸功能。 物理層定義了無線通

22、信的頻段和各頻段的信道分配。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范393912.2.1 數(shù)據鏈路層與物理層和數(shù)據鏈路層與物理層和MAC層層1. 數(shù)據鏈路層數(shù)據鏈路層可分為邏輯鏈路控制 (Logic Link Control, LLC)子層和介質訪問控制子層(MAC)。 IEEE802.15.4的LLC子層具有可靠的數(shù)據傳輸、 數(shù)據包的分段與重組、 數(shù)據包的順序傳輸?shù)裙δ堋?IEEE802.15.4的MAC子層用于完成無線鏈路的建立、 維護和拆除， 確認幀的傳送與接收， 信道的接入控制以及幀校驗、 預留時隙和廣播信息的管理。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議

23、規(guī)范40402. 物理層和MAC層ZigBee采用了IEEE802.15.4標準中的物理層和MAC層。 ZigBee的工作頻段為三種， 即歐洲的868 MHz頻段、 美國的915 MHz頻段和全球通用的2.4 GHz頻段。 在868 MHz 頻段上， ZigBee分配了1個帶寬為0.6 MHz的信道； 在915 MHz的頻段上， 分配了10個帶寬為2 MHz的信道； 在2.4 GHz的頻段上， 分配了16個帶寬為5 MHz的信道。 這三種工作頻段均采用了DSSS（直接序列擴頻）技術， 但它們的調制方式有所不同。 868 MHz和915 MHz頻段采用的是DPSK， 2.4 GHz則采用的是Q-

24、QPSK調制方式。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范41 41DSSS技術具有較好的抗干擾能力， 同時在其他相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術。 在發(fā)射功率為0 dBm的情況下， 藍牙網絡的通信半徑通常只有10 m， 而基于IEEE802.15.4的ZigBee在室內通常能達到3050 m的通信距離； 在室外， 如果障礙物較少， 通信距離甚至可以達到100 m。 同時調相技術的誤碼性能要優(yōu)于調頻和調幅技術。 IEEE802.15.4的數(shù)據傳輸速率不高， 2.4 GHz頻段只有250 kb/s， 868 MHz頻段只有20 kb/s， 915 MHz頻段只有40 kb/s。

25、因此ZigBee及IEEE802.15.4為低速率的短距離無線通信技術。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4242ZigBee可以支持星型、 網型和復合型等多種網絡拓撲結構， 如圖12.2.2所示。圖12.2.2 ZigBee支持的網絡拓撲結構示例第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4343物理層的上層是MAC層， 其核心技術是信道接入技術和隨機接入信道技術CSMA/CA。 ZigBee及 IEEE802.15.4網絡中所有節(jié)點均工作在同一個信道上， 當某個節(jié)點要向另一個節(jié)點傳輸數(shù)據時， 如果網絡內其他節(jié)點間正在通信， 就有可能發(fā)生沖突。 第12章I

26、EEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4444為此， MAC層采用了CSMA/CD媒質訪問控制技術， 即當節(jié)點在發(fā)送數(shù)據之前， 先監(jiān)聽信道， 如果信道空閑， 則可以發(fā)送數(shù)據， 否則， 就要進行隨機的退避， 延遲一段隨機時間， 然后再進行監(jiān)聽， 這個退避的時間是指數(shù)增長的， 但有一個最大值， 即如果上一次退避之后再次監(jiān)聽信道忙， 則退避時間要增倍， 這樣做的原因是如果多次監(jiān)聽信道都忙， 有可能表明信道上的數(shù)據量較大， 因此節(jié)點需等待更長的時間， 以避免繁忙的監(jiān)聽。 通過這種信道接入技術， 所有節(jié)點競爭共享同一個信道。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4545在MA

27、C層當中還規(guī)定了兩種信道接入模式： 一種是信標(Beacon)模式， 另一種是非信標模式。 信標模式當中規(guī)定了“超幀”的格式， 在超幀的開始發(fā)送信標幀， 信標里面包含一些時序以及網絡的信息， 緊接著是競爭接入時期， 在這段時間內各節(jié)點以競爭方式接入信道， 再后面是非競爭接入時期， 節(jié)點采用時分復用的方式接入信道， 然后是非活躍時期， 節(jié)點進入休眠狀態(tài)， 等待下一個超幀周期的開始又發(fā)送信標幀。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4646非信標模式則比較靈活， 節(jié)點均以競爭方式接入信道， 不需要周期性地發(fā)送信標幀。 顯然， 在信標模式當中由于有了周期性的信標， 整個網絡的所有

28、節(jié)點都能同步通信， 但這種同步網絡的規(guī)模不會很大。 實際上， 在ZigBee當中用得更多的可能是非信標模式。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4747ZigBee的物理層和MAC層由IEEE802.15.4制定； 高層的網絡層、 應用支持子層(Application Support Layar, ASP)、 應用框架(Application Frame, AF)、 Zigbee設備對象(ZigBee Device Object, ZDO)和安全組件(SSP)均由ZigBee Alliance所制定， 它是一個為能源管理應用、 商業(yè)和消費應用創(chuàng)造無線解決方案、 橫跨全球的

29、公司聯(lián)盟。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范484812.2.2 網絡層網絡層1. 網絡拓撲結構ZigBee網絡層支持星型、 樹型和網型拓撲結構。 若采用星型拓撲結構組網， 整個網絡有一個ZigBee協(xié)調器設備來進行整個網絡的控制。 ZigBee協(xié)調器能夠啟動和維持網絡正常工作， 使網絡內的終端設備實現(xiàn)通信。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范4949若采用網型和樹型拓撲結構組網， ZigBee協(xié)調器則負責啟動網絡以及選擇關鍵的網絡參數(shù)。 在樹型網絡中， 路由器采用分級路由策略來傳送數(shù)據和控制信息。 網型網絡中， 設備之間使用完全對等的通信方式，

30、ZigBee路由器不發(fā)送通信信標。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范50502. 網絡層及路由算法ZigBee網絡層的功能為拓撲管理、 MAC管理、 路由管理和安全管理。 網絡層的主要功能是路由管理。 其中， 路由算法是網絡層的核心。 網絡層主要支持樹型路由和網型網路由兩種路由算法。 在樹型路由算法中， 整個網絡可看做是以協(xié)調器為主干的一棵樹， 整個網絡是在協(xié)調器的基礎上建立的。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范51 51樹型路由采用了一種特殊的地址分配算法， 使用深度、 最大深度、 最大子節(jié)點數(shù)和最大子路由器數(shù)四個參數(shù)來計算新節(jié)點的地址。 這樣

31、， 尋址時根據地址就能計算出路徑， 而路由只有“向子節(jié)點發(fā)送”或者“向父節(jié)點發(fā)送”兩個方向。 樹型路由算法及實現(xiàn)機制不需要路由表， 因此節(jié)省了存儲資源， 但存在靈活性不夠、 路由效率低的缺點。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5252ZigBee網絡的網型網路由是一種非常適合于低成本無線自組織網絡的路由。 當網絡規(guī)模較大時， 傳感器節(jié)點需要維護一個路由表， 這樣就需耗費傳感器節(jié)點的存儲資源， 但它能實現(xiàn)的路由效率高， 且使用靈活。 另外， 除了以上兩種路由機制及路由算法外， ZigBee網絡還可以采用鄰居表路由算法。鄰居表路由實質上是一個特殊的路由表， 數(shù)據傳輸不是通過

32、多跳， 而只需要一跳就可實現(xiàn)將數(shù)據向目的節(jié)點的傳輸發(fā)送。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范53533. 數(shù)據接口及網絡層服務ZigBee即網絡層的各個組成部分和彼此間的接口關系， 如圖12.2.3所示。 圖中NLDE-SAP為網絡層數(shù)據實體的服務接入點， MLME-SAP是網絡層管理實體的服務接入點， MCPS-SAP是媒體接入控制公共部分子層的服務接入點， MLME-SAP是MAC層管理實體的服務接入點。第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5454圖12.2.3 網絡層的各個組成部分及接口關系第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5

33、555網絡層通過兩種服務接入點提供網絡層數(shù)據服務和網絡層管理服務： 網絡層數(shù)據服務通過網絡層數(shù)據實體服務接入點接入， 網絡層管理服務通過網絡層管理實體服務接入點接入。 網絡層要為IEEE802.15.4的MAC層提供支持， 確保ZigBee的MAC層正常工作， 同時為應用層提供合適的服務接口。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5656為了向應用層提供其接口， 網絡層提供了兩個必需的功能服務實體， 它們分別為數(shù)據服務實體和管理服務實體。 網絡層數(shù)據實體(NIDE)通過網絡層數(shù)據實體服務接入點(NLDE-SAP)提供數(shù)據傳輸服務， 網絡層管理實體(NLME)通過網絡層管理實

34、體服務接入點(NLME-SAP)提供網絡管理服務。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5757網絡層數(shù)據實體提供以下服務： （1） 產生網絡層協(xié)議數(shù)據單元(NPDU)。 網絡層數(shù)據實體通過增加一個適當?shù)膮f(xié)議頭從應用支持層協(xié)議數(shù)據單元中生成網絡層的協(xié)議數(shù)據單元。 （2） 指定傳輸拓撲路由。 網絡層數(shù)據實體能夠發(fā)送一個網絡層的協(xié)議數(shù)據單元到一個數(shù)據傳輸?shù)哪繕私K端設備， 目標終端設備也可以是通信鏈路中的一個中間通信設備。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5858網絡層管理實體提供如下服務： （1） 配置新的設備。 為保證設備正常工作的需要， 設備應具有足

35、夠的堆棧， 以滿足配置的需要。 配置選項包括對一個ZigBee協(xié)調器和連接一個現(xiàn)有網絡設備的初始化操作。（2） 加入或離開網絡。 網絡層管理實體具有連接或者斷開一個網絡的能力， 以及為建立一個ZigBee協(xié)調器或者ZigBee路由器， 具有要求設備同網絡斷開的能力。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范5959（3） ZigBee協(xié)調器和ZigBee路由器具有為新加入網絡的設備分配地址能力。 （4） 具有發(fā)現(xiàn)、 記錄和匯報相關的一跳鄰居設備信息的能力。（5） 具有發(fā)現(xiàn)和記錄有效地傳送信息的網絡路由的能力。 （6） 具有控制設備接收機接收狀態(tài)的能力， 即控制接收機的接收時間、

36、 接收時間的長短， 以保證MAC層的同步或者正常接收等。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范60604. 原語在分層的通信協(xié)議中， 層與層之間通過服務訪問接入點SAP訪問， 每一層都可以通過本層和下層的SAP調用下層為本層提供相應的服務， 同時通過與上層的SAP為上層提供相應的服務。 訪問點SAP是通信協(xié)議中層與層之間的通信接口， 并以通信原語的形式供上層調用。在調用下層服務時， 只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范， 而不必了解下層是處理原語的細節(jié)。 這樣， 通過原語方式就可實現(xiàn)數(shù)據層與層之間的透明傳輸。 層與層之間的原語分成請求原語、 確認原語、 指示原語和響應原語。 第12章I

37、EEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范61 615. 網絡層管理服務網絡層管理實體服務接入點為其上層和網絡層管理實體之間傳送管理命令并提供通信接口。 網絡層管理實體支持NLME-SAP接口原語， 這些原語包括網絡的發(fā)現(xiàn)、 網絡的形成、 允許設備連路由器的初始化、 設備同網絡的連接等原語。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范62626. 網絡層幀格式ZigBee網絡層幀由幀報頭和可變長有效載荷組成。 網絡層幀報頭包含幀控制、 地址和序列信息； 網絡層幀的可變長有效載荷包含幀類型所指定的信息。 網絡層幀結構如圖12.2.4 所示。 第12章IEEE 802.15.4及

38、ZigBee協(xié)議規(guī)范6363圖12.2.4 網絡層幀一般格式第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范6464幀控制域由16 bit組成， 內容包括幀類型、 地址、 序列域以及其他的控制標記。 在網絡層幀中， 必須要有目的地址域， 該域長度為兩個字節(jié)， 用來存放目標設備的網絡地址或廣播地址(0 xFFFF)。 在網絡層幀中， 源地址域是必需的， 長度為兩個字節(jié)， 其值是16位的源設備網絡地址。 廣播半徑域在幀的目的地址為廣播地址(0 xFF17F)時才有效， 長度為一個字節(jié)， 用來設定傳輸半徑。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范656512.2.3 應用規(guī)范應用規(guī)范ZigBee網絡層的上一層是應用層， 應用層包括應用支持子層(APS)和ZigBee設備對象(ZDO)等部分， 主要規(guī)定了端點(Endpoint)、 綁定(Binding)、 服務發(fā)現(xiàn)和設備發(fā)現(xiàn)等一些和應用相關的功能。 綁定指的是根據兩個設備所提供的服務和它們的需求而將兩個設備關聯(lián)起來。 APS子層的任務包括了維護綁定表和綁定設備間的消息傳輸。 第12章IEEE 802.15.4及ZigBee協(xié)議規(guī)范6666