無線傳感器網(wǎng)絡：第02章 IEEE 802.15.4ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信標準

1、2022/7/141無線傳感器網(wǎng)絡講義IEEE 802.15.4/ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信標準2022/7/142無線技術比較ZigBee市場定位：“ wireless sensor networking and control ”2022/7/143紅外技術實現(xiàn)和操作相對簡單，成本低廉，但紅外光線易受遮擋，可移動性差，只支持點對點視距連接，無法靈活地構(gòu)建網(wǎng)絡藍牙技術工作在2.4 GHz頻段的無線技術目前在計算機外設方面應用較廣泛，但由于其協(xié)議本身較復雜、開發(fā)成本高、節(jié)點功耗大等缺點，從而限制了其在工農(nóng)業(yè)方面的進一步推廣Wi - Fi技術通信速率為11 Mbit/s通信距離為50100

2、m，適合于多媒體的應用，但其本身實現(xiàn)成本高，功耗大安全性能低，從而在WSN中應用較少；ZigBee技術以其經(jīng)濟、可靠、高效等優(yōu)點在WSN中有著廣泛的應用前景。無線技術比較2022/7/144定義ZigBee技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網(wǎng)絡技術，是一組基于IEEE 802. 15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的通信技術。歷史2000年12月，IEEE 802 無線個域網(wǎng)（WPAN，Wireless Personal Area Network）小組成立，致力于WPAN無線傳輸協(xié)議的建立。2002年， ZigBee聯(lián)盟誕生。200

3、3年12月，IEEE正式發(fā)布了LR-WPAN物理層和MAC層所采用的標準協(xié)議，即IEEE 802.15.4協(xié)議標準。2004年12月，ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4 的基礎上定義了網(wǎng)絡層和應用層，正式發(fā)布了基于IEEE 802.15.4的ZigBee標準協(xié)議，稱為Zigbee2004，存在錯誤，已作廢。2006年,推出zigbee 2006,比較完善. 2007年底,Zigbee 2007及Zigbee PRO推出。ZigBee技術概述2022/7/145ZigBee協(xié)議棧版本演化2022/7/146ZigBee協(xié)議棧分層結(jié)構(gòu)2022/7/147一個典型的ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點

4、路由器協(xié)調(diào)器2022/7/1481. IEEE 802.15.4標準2022/7/149 IEEE 802.15.4標準 需求和目標需求：隨著通信技術的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求因此就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡(personal area network，PAN)和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(wireless personal area net-work，WPAN)的概念。WPAN網(wǎng)絡為近距離范圍內(nèi)的設備建立無線連接，把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個設備通過無線方式連接在一起，使他們可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。目標：IEEE 802. 15.4是IEEE針對低速率無線個人區(qū)

5、域網(wǎng)(low - rate wireless personal area networks - LR-WPAN)制定的無線通信標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標旨在為個人或者家庭內(nèi)不同設備之間低速率無線互連提供統(tǒng)一標準。2022/7/1410IEEE 802.15.4標準 -協(xié)議棧架構(gòu)2022/7/1411IEEE 802.15.4標準 拓撲結(jié)構(gòu)星型拓撲 點到點拓撲2022/7/1412IEEE 802.15.4標準特點1)工作頻段和數(shù)據(jù)速率 IEEE 802. 15.4工作在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段，它定義了兩種物理層，即2.4 GHz頻段和868/915 MHz頻段

6、物理層。兩種物理層都基于直接序列擴頻(direct sequence spread spectrum,DSSS)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。總共分配了27個具有三種速率的信道：在2.4 GHz頻段有16個速率為250 kbit/s的信道，在915 MHz頻段有10個40kbit/s 的信道，在868MHz頻段有1個20 kbit/s的信道?，F(xiàn)在市場上應用大多數(shù)是2.4 GHz頻段。2022/7/14132)支持簡單器件定義了14個物理層基本參數(shù)和35個媒體接入控制層基本參數(shù)，總共為49個，僅為藍牙的1/3。這使它非常適用于存儲能力和計算能力

7、有限的簡單器件。定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數(shù)。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。 一個FFD可以與RFD和其他FFD通話，可以按三種方式工作，即用做個域網(wǎng)(PAN)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡化功能器件RFD只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應用。IEEE 802.15.4標準特點2022/7/1414IEEE 802.15.4標準 -超幀結(jié)構(gòu)3)信標方式和超幀結(jié)構(gòu)在信標使能方式中，協(xié)調(diào)器定期廣播信標，以達到相關器件同步及其他目的。使用超幀結(jié)構(gòu)，超幀結(jié)構(gòu)的格式由協(xié)調(diào)器來定義一般包括活躍部分和

8、任選的不活躍部分。在非信標使能方式中，協(xié)調(diào)器不去定期廣播信標，而是在器件請求信標時向它單播信標。4)自配置在媒體接入控制層中加入了關聯(lián)和分離功能，以達到支持自配置的目的。自配置不僅能自動建立起一個星形網(wǎng)，而且還允許創(chuàng)建自配置的對等網(wǎng)。在關聯(lián)過程中可以實現(xiàn)各種配置，例如為個域網(wǎng)選擇信道和識別符(ID)，為器件指配1 6位短地址，設定電池壽命延長選項等。2022/7/1415IEEE 802.15.4標準特點(續(xù))5)數(shù)據(jù)傳輸有三種不同的數(shù)據(jù)傳輸方向：從器件到協(xié)調(diào)器；從協(xié)調(diào)器到器件；在對等網(wǎng)絡中從一方到另一方。 為了突出低功耗的特點，數(shù)據(jù)傳輸分為如下三種方式：直接數(shù)據(jù)傳輸：適用于以上所有三種數(shù)據(jù)傳

9、輸方向，采用無槽載波檢測多址與碰撞避免(CSMA /CA)或有時槽CSMA/CA的數(shù)據(jù)傳輸方法。間接數(shù)據(jù)傳輸：間接傳輸數(shù)據(jù)僅適用于從協(xié)調(diào)器到器件。在這種方式中, 數(shù)據(jù)幀由協(xié)調(diào)器保存在事務處理列表中，等待相應的器件來提取。通過檢查來自協(xié)調(diào)器的信標幀，器件就能發(fā)現(xiàn)在事務處理列表中是否掛有一個屬于它的數(shù)據(jù)分組。有時，在非信標使能方式中也可能發(fā)生間接數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)提取過程中也使用無槽CSMA/CA或有時槽CSMA/CA。有保證時隙(GTS)數(shù)據(jù)傳輸。GTS數(shù)據(jù)傳輸僅適用于器件與其協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移既可以從器件到協(xié)調(diào)器，也可以從協(xié)調(diào)器到器件。在GTS數(shù)據(jù)傳輸中不需要CSMA/CA。2022/7/14

10、16IEEE 802.15.4標準特點(續(xù))6)低功耗 引入了幾種延長器件電池壽命或節(jié)省功率的機制, 多數(shù)是基于信標使能的方式，主要是限制器件或協(xié)調(diào)器之收發(fā)信機的開通時間，或者在無數(shù)據(jù)傳輸時使它們處于休眠狀態(tài)。7) 安全性 可選擇三級安全性之一：第一級實際是無安全性方式。第二級安全性，使用接入控制清單(ACL)來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。第三級安全性在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標準(AES)的對稱密碼。AES可以用來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，但它不能防止攻擊者在通信雙方交換密鑰時通過竊聽來截取對稱密鑰。為了防止這種攻擊，可以采用公鑰加密。2022/7/1417I

11、EEE 802.15.4標準1.1 物理層(PHY)規(guī)范2022/7/1418 IEEE 802. 15.4規(guī)范的物理層定義了三個載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)：868 868.6MHz、902928MHz和24002483.5MHz。在這三個頻段上發(fā)送數(shù)據(jù)使用的速率、信號處理過程以及調(diào)制方式等方面都存在著一定的差異，其中2400MHz頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbit/s，910 MHz、868 MHz分別為40 kbit/s和20 kbit/s。 物理層規(guī)范 - 無線信道的分配2022/7/1419IEEE 802. 15.4規(guī)范定義了2 7個物理信道，信道編號從0至26每個具體的信道對應著一個中

12、心頻率，這2 7個物理信道覆蓋了以上3個不同的頻段。不同的頻段所對應的寬度不同，標準規(guī)定868 MHz頻段定義了1個信道（0號信道）；915 MHz頻段定義了10個信道(110號信道)；2400MHz頻段定義了16個信道（1126號信道）。這些信道的中心頻率定義如下： F= 868.3 MHz k=0 F= 906+2(k-1)MHz k=1,2.1 0 F= 2405+5(k-1l)MHz k=11,12,.,26式中：k為信道編號, F為信道對應的中心頻率。 通常，ZigBee硬件設備不能同時兼容兩個工作頻段。在選擇時，應符合當?shù)責o線電管理委員會的規(guī)定。由于868868.6 MHz頻段主要

13、用于歐洲，902928 MHz頻段用于北美，而24002483.5 MHz頻段可以用于全球，因此在中國所采用的都是2 400 MHz的工作頻段。物理層規(guī)范 - 無線信道的分配2022/7/1420 物理層定義了物理無線信道和與MAC層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務是從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務維護一個由物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。物理層規(guī)范 -物理層功能物理層參考模型RF-SAP是由驅(qū)動程序提供的接口;PD-SAP是PHY層提供給MAC.層的數(shù)據(jù)服務接口;PLME - SAP是PHY層給VIAC層提供的管理服務接口。2022/7/1421 物理層功能

14、相對簡單，主要是在硬件驅(qū)動程序的基礎上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和物理信道的管理。數(shù)據(jù)傳輸包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。管理服務包括:激活休眠無線收發(fā)設備.頻道選擇.信道能量監(jiān)測(Energy Detect，ED)： 信道能量檢測為上層提供信道選擇的依據(jù)，主要是測量目標信道中接收信號酌功率強度。該檢測本身不進行解碼操作，檢測結(jié)果為有效信號功率和噪聲信號功率之和。鏈路質(zhì)量指示(Link Quality Indication，LQI)：為上層服務提供接收數(shù)據(jù)時無線信號的強度和質(zhì)量信息它要對檢測信號進行解碼，生成一個信噪比指標。為載波檢測多址與碰撞避免(CSMA-CA)進行空閑頻道評估(Clear Channel As

15、sessment，CCA): 判斷信道是否空閑。IEEE 802. 15.4定義了三種空閑信道評估模式：第一種簡單判斷信道的信號能量，當信號能量低于某一門限值就認為信道空閑：第二種通過判斷無線信號的特征，該特征包含兩個方面即擴頻信號特征和載波頻率：第三種是前兩種模式的綜合。物理層規(guī)范 -物理層功能2022/7/1422在PHY層的有關參數(shù)中，有以下四個重要的參數(shù)。傳輸能量( power)：約1mW的能量；傳輸中心頻率的兼容性即頻率穩(wěn)定度（標識了無線解碼器工作頻率的穩(wěn)定程度）: 約40 ppm（part per million百萬分比）； 接收器之感度：- 85dBm( 2450 MHz)- 9

16、2 dBm( 868/910 MHz)，1%分組差錯率( PSDU=20B)； 接收信號強度指示的測量(RSSI)。物理層規(guī)范 -物理層參數(shù)2022/7/1423 2.4 GHz物理層將數(shù)據(jù)(PPDU)每字節(jié)的低四位與高四位分別映射組成數(shù)據(jù)符號(symbol)。 每種數(shù)據(jù)符號又被映射成32位偽隨機噪聲數(shù)據(jù)碼片(chip)，見后表。 數(shù)據(jù)碼片序列采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控技術(O-QPSK)調(diào)制。對偶數(shù)序列碼片進行同相調(diào)制，而對奇數(shù)序列碼片進行正交調(diào)制。 物理層規(guī)范 調(diào)制與擴頻2022/7/1424物理層規(guī)范 調(diào)制與擴頻數(shù)據(jù)符號數(shù)據(jù)碼片映射表2022/7/1425物理幀格式物理層規(guī)范

17、PPDU格式PPDU報文數(shù)據(jù)由用于數(shù)據(jù)流同步的同步頭(SHR)、含有幀長度信息的物理層報頭(PHR)以及承載有MAC幀數(shù)據(jù)的凈荷組成。前同步碼域用來為后續(xù)數(shù)據(jù)的收發(fā)提供碼片或數(shù)據(jù)符號的同步；幀定界符用來標識同步域的結(jié)束及報文數(shù)據(jù)的開始；幀長度域用7 bit定義物理層凈荷的字節(jié)數(shù)；物理層數(shù)據(jù)域長度根據(jù)情況可變（長度為5字節(jié)或大于7字節(jié)）,承載了物理層報文數(shù)據(jù), 包含有MAC層數(shù)據(jù)幀。 2022/7/1426分層協(xié)議標準的關鍵術語 -通信原語 在分層的通信協(xié)議中，層與層之間是通過服務接入點( service access point, SAP)相連接的。每一層都可以通過本層與下一層的SAP調(diào)用下層

18、所提供的服務同時通過與上層的SAP為上層提供相應服務。SAP是層與層之間的唯一接口，而具體的服務是以通信原語的形式供上層調(diào)用的。 Request：請求原語用于上層向本層請求指定的服務。 Confirm：確認原語本層用于響應上層發(fā)出的請求原語。 Indication：指示原語由本層發(fā)給上層用來指示本層的某一內(nèi)部事件。 Response：響應原語用于上層響應本層發(fā)出的指示原語。2022/7/1427物理層通信原語 物理層中通過兩個服務接入點提供兩種服務：通過物理層數(shù)據(jù)服務接入點(PD-SAP)為物理層數(shù)據(jù)提供服務，物理層數(shù)據(jù)服務原語： 物理層數(shù)據(jù)請求原語PD-DATA.request; 物理層數(shù)據(jù)

19、確認原語PD-DATA.confirm; 物理層數(shù)據(jù)指示原語PD-DATA.Indication。通過物理層管理實體(PLME)服務接入點(PLME-SAP)為物理層管理提供服務，物理層管理服務原語： 請求清除信道評估原語PLME-CCA.request； 清楚信道估計的確認原語PLME-CCA.confirm; 能量檢測請求原語PLME-ED.request; 能量檢測確認原語PLME-ED.confirm； 屬性請求原語PLME-GET.request; 屬性確認原語PLME-GET.confirm； 設置設備收發(fā)狀態(tài)請求原語PLME-SET-TRXSTATE.request; 設置設備收

20、發(fā)狀態(tài)確認原語PLME-SET-TRXSTATE.confirm; PIB屬性設置請求原語PLMESET.request; PIB屬性設置確認原語PLMESET.confirm2022/7/1428IEEE 802.15.4標準1.2 媒體介質(zhì)訪問層(MAC)規(guī)范2022/7/1429MAC層概述 MAC層提供兩種服務：MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中的正確收發(fā)而后者從事MAC層的管理活劭，并維護一個信息數(shù)據(jù)庫。 IEEE 802.15.4定義的MAC層協(xié)議，提供數(shù)據(jù)傳輸服務(MCPS)和管理服務(MLME)PD-SAP是PHY層提供給MAC的數(shù)

21、據(jù)服務接口；PLME-SAP是PHY層給MAC層提供的管理服務接口；MLME-SAP是由MAC層提供給網(wǎng)絡層的管理服務接口；MCPS-SAP是MAC層提供給網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)服務接口；2022/7/1430MAC層功能MAC層的數(shù)據(jù)傳輸服務主要是實現(xiàn)MAC數(shù)據(jù)幀的傳輸；MAC層的管理服務主要有：信道的訪問，PAN的開始和維護，節(jié)點加入和退出PAN、設備間的同步實現(xiàn)、傳輸事務管理等。MAC層的主要功能包括如下7個方面： 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者產(chǎn)生并發(fā)送信標幀(beacon)； 設備與信標同步； 支持PAN網(wǎng)絡的關聯(lián)(association)和取消關聯(lián)(disassociation)操作； 為設備的安全性提供支持；

22、 信道接入方式采用免沖突載波檢測多路訪問(CSMA - CA)機制； 處理和維護保護時隙(GTS)機制； 在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路。關聯(lián)操作是指一個設備在加入一個特定網(wǎng)絡時，向協(xié)調(diào)器注冊以及身份認證的過程。LR-WPAN網(wǎng)絡中的設備有可能從一個網(wǎng)絡切換到另外一個網(wǎng)絡這時就需要進行關聯(lián)和取消關聯(lián)操作。 時槽保障機制(GTS)和時分復用(time division multiple access，TDMA)機制相似但它可以動態(tài)地為有收發(fā)請求的設備分配時槽。使用時槽保障機制需要設備間的時間同步IEEE 802.15.4中的時間同步通過“超幀”機制實現(xiàn)。2022/7/1431有

23、信標網(wǎng)絡和無信標網(wǎng)絡IEEE 802.15.4基本上是應用CSMACA方式競爭溝通，其中可以分為有信標網(wǎng)絡(beacon-enabled network)與無信標網(wǎng)絡(nonbeacon-enabled network)。無信標網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器(coordinator)一直處在聽的狀態(tài), 在設備要回傳信息時會先彼此競爭，等通知協(xié)調(diào)器后，再傳送資料給協(xié)調(diào)器。有信標網(wǎng)絡中, 含有超幀( superframe)的結(jié)構(gòu)，其固定將包含信標及超幀分為16個時隙(slots)超幀以有無使用保證時隙(guaranteed time slots)來區(qū)別，有保證時隙的超幀可分成兩部分：一是競爭存取周期(conten

24、- tion access period，CAP)，二是無競爭周期(contention free period，CFP 包含guaranteed timeslots，GTSs )，CFP采用預先請求的方式，讓在CFP中配置到GTS的設備可以不用競爭就可以直接傳送。信標幀信標幀無競爭訪問時段(CFP)競爭訪問時段(CAP )超幀持續(xù)時間長度(SD)信標幀周期(BI)不活躍時段(Inactive)GTSGTS2022/7/1432數(shù)據(jù)傳送模式 (1)數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器 在信標使能方式中，器件必須先去取得信標(beacon)來與協(xié)調(diào)器同步，之后使用開槽載波檢測多址與碰撞避免(slotted CSMA

25、/CA)方式傳送資料。 在非信標使能方式中器件簡單的利用無槽載波檢測多址與碰撞避免(unlotted CSMA-CA)來傳送資料。數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器的流程如圖所示。2022/7/1433數(shù)據(jù)傳送模式 (2)數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出 在信標使能方式中，協(xié)調(diào)器會利用信標中的字段來告知有資料要傳送。而終端器件則是周期性的監(jiān)聽信標，如果自己是協(xié)調(diào)器傳送對象，則利用有槽CSMA/CA)將MAC命令請求控制信息傳給協(xié)調(diào)器。 在非信標使能方式中，終端器件利用無槽CSMA/CA傳送MAC命令請求控制信息給協(xié)調(diào)器，若協(xié)調(diào)器有數(shù)據(jù)要傳送，則利用Unslotted CSMA/CA方式將資料給送出。 (3)對等數(shù)據(jù)傳送 在星型

26、網(wǎng)絡中無 在對等PAN中，任一器件可同其射頻范圍內(nèi)的其他器件通信。需要通信的器件要么定時接收，要么彼此完全同步。前者簡單地使用無槽載波檢測多址與碰撞避免傳輸數(shù)據(jù)，后者需要實現(xiàn)同步。2022/7/1434MAC層通用幀格式 MAC幀格式主要是指MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)的格式，主要包括MAC幀頭(MHR)，MAC負載和MAC幀尾(MFR) 2022/7/1435MAC層幀類型 幀控制域，長度為16 bit，定義了幀類型、地址域及其他控制標志幀類型子域，長度為3 bit，應用中應設置下表中的某一值2022/7/1436Ocets:214/100/5/6/10/142可變可變可變2幀控制域(Fr

27、ameControl)幀序列號(SeqNum)地址域附加安全頭部超幀描述GTS分配釋放信息待發(fā)數(shù)據(jù)目標地址信息幀負載FCS 校驗幀頭(MHR)MAC負載幀尾(MFR)Ocets:214/200/5/ 6/10/ 142幀控制域(FrameControl)幀序列號(Seq No)地址域附加安全頭部數(shù)據(jù)幀負載FCS 校驗幀頭(MHR)MAC負載幀尾(MFR)數(shù)據(jù)幀格式信標幀格式MAC層幀類型 2022/7/1437Ocets:214/200/5/6/10/141可變2幀控制域(FrameControl)幀序列號(Seq No)地址域附加安全頭部命令幀ID命令幀負載FCS 校驗幀頭(MHR)MAC負

28、載幀尾(MFR)Ocets:212幀控制域(Frame Control)幀序列號(Seq Num)FCS 校驗幀頭(MHR)幀尾(MFR) 命令幀格式 確認幀格式MAC層幀類型 2022/7/1438IEEE 802.15.4標準設備關聯(lián)的消息流程設備高層設備MLME協(xié)調(diào)器MLME協(xié)調(diào)器高層Data requestAckowledgementAssociation responseAckowledgementMLME-ASSOCIATE .requestAssociation requestAckowledgementMLME-ASSOCIATE .indicationMLME-ASSOCIA

29、TE .responseMLME-COMM -STATUS .indicationmacResponseWaitTimeMLME-ASSOCIATE .confirm2022/7/1439IEEE 802.15.4標準 設備發(fā)起取消關聯(lián)的消息流程設備高層設備MLME協(xié)調(diào)器MLME協(xié)調(diào)器高層MLME-DISASSOCIATE .confirmMLME-DISASSOCIATE .indicationMLME-DISASSOCIATE .requestDisassociation notificationAckowledgement2022/7/1440IEEE 802.15.4標準設備高層設備M

30、LME協(xié)調(diào)器MLMEData RequestMLME-SYNC .request(FALSE)Beacon frame(data pending)a)MLME-SYNC .request(TRUE)b)Beacon frameTimer to expire beforethe next beaconBeacon frame 與協(xié)調(diào)器同步消息流程(信標使能網(wǎng)絡)2022/7/1441IEEE 802.15.4標準設備高層設備MLME協(xié)調(diào)器MLME協(xié)調(diào)器高層MLME-GTS .requestGTS requestAckowledgementMLME-GTS .indicationBeacon (w

31、ith GTS descriptor)MLME-GTS .confirm GTS分配過程消息流程圖2022/7/1442IEEE 802.15.4標準協(xié)調(diào)器MLME協(xié)調(diào)器高層Ackowledgement設備MLMEMLME-GTS .requestGTS request設備高層a)b)MLME-GTS .confirmMLME-GTS .indicationMLME-GTS .requestMLME-GTS .confirmBeacon (with GTS descriptor)MLME-GTS .indication GTS釋放消息流程2022/7/14432. ZigBee標準ZigBee

32、聯(lián)盟在IEEE 802.15.4基礎上定義了網(wǎng)絡層(network layer, NWK)、應用層(application layer, APL)架構(gòu)，形成ZigBee標準。在應用層內(nèi)提供了應用支持子層(application support sub - layer, APS)和ZigBee設備對象(ZigBee device object, ZDO)。應用框架中則加入了用戶自定義的應用對象。2022/7/14442022/7/1445Zigbee標準2.1 網(wǎng)絡層(NWK)規(guī)范2022/7/1446ZigBee網(wǎng)絡層功能:網(wǎng)絡層負責拓撲結(jié)構(gòu)的建立和維護網(wǎng)絡連接，主要功能包括:設備連接和斷開網(wǎng)

33、絡時所采用的機制網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)傳輸及所采用的安全性機制。設備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護和轉(zhuǎn)交。一跳(one-hop)鄰居設備的發(fā)現(xiàn)和相關結(jié)點信息的存儲。網(wǎng)絡層要求能夠很好地完成在IEEE 802. 15.4標準中MAC子層所定義的功能，同時，又要為應用層提供適當?shù)姆战涌?。網(wǎng)絡層中定義了兩種服務實體來實現(xiàn)必要的功能：數(shù)據(jù)服務實體( NLDE)和管理服務實體(NLME)。網(wǎng)絡層模型2022/7/1447ZigBee網(wǎng)絡層服務NLDE通過數(shù)據(jù)服務實體服務訪問點(NLDE - SAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務。NLME通過管理服務實體服務訪問點(NLME - SAP)來提供管理服務。數(shù)據(jù)（路由）接口 數(shù)據(jù)實體(NL

34、DE) 數(shù)據(jù)（路由）接口 管理接口管理實體NLME管理接口2022/7/1448ZigBee網(wǎng)絡層服務NLME可以利用NLDE來激活它的管理工作，它還具有對網(wǎng)絡層信息數(shù)據(jù)庫(NIB)進行維護的功能。NLDE提供的數(shù)據(jù)服務允許在處于同一應用網(wǎng)絡中的兩個或多個設備之間傳輸應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)。NLDE提供的服務有：產(chǎn)生網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)和選擇通信路由。NLME需要提供以下服務：配置一個新的設備：ZigBee協(xié)調(diào)器的開始操作，加入一個現(xiàn)有的網(wǎng)絡等。建立一個新網(wǎng)絡(starting a network)。加入和離開一個網(wǎng)絡(joining and leaving a network)

35、。2022/7/1449ZigBee網(wǎng)絡層服務尋址( addressing)。由ZigBee協(xié)調(diào)器或ZigBee路由器來給新加入網(wǎng)絡的設備分配地址。鄰近設備發(fā)現(xiàn)(neighbor discovery)：發(fā)現(xiàn)、記錄并報告一跳范圍內(nèi)設備。路由發(fā)現(xiàn)(route discovery)。具有發(fā)現(xiàn)并記錄路徑的能力，并在這條路徑上信息可能被有效發(fā)送。 接收控制( reception control)。具有控制接收器何時處于激活狀態(tài)及其持續(xù)時間的能力，使得MAC子層同步或直接接收。2022/7/1450圖 Coordinator功能模塊示意圖路由發(fā)現(xiàn)路由維護數(shù)據(jù)收發(fā)處理加入網(wǎng)絡地址分配鄰居列表維護路由表維護路

36、由算法建立網(wǎng)絡ZigBee標準網(wǎng)絡層初始化2022/7/1451圖 Router功能模塊示意圖路由發(fā)現(xiàn)路由維護數(shù)據(jù)收發(fā)處理加入網(wǎng)絡地址分配鄰居列表維護路由表維護路由算法ZigBee標準網(wǎng)絡層初始化發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡加入網(wǎng)絡離開網(wǎng)絡2022/7/1452圖 End Device功能模塊示意圖數(shù)據(jù)收發(fā)鄰居列表維護ZigBee標準網(wǎng)絡層初始化路由發(fā)現(xiàn)路由維護發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡加入網(wǎng)絡離開網(wǎng)絡2022/7/1453ZigBee網(wǎng)絡的形成過程與設備的維護網(wǎng)絡建立設備加入設備短地址分配設備離開鄰居列表的維護2022/7/145416位短地址的分配Lm - 網(wǎng)絡最大深度; Cm 每個父節(jié)點擁有的子節(jié)點最大數(shù)目;Rm 子節(jié)點中路

37、由器的最大 數(shù)目。 Cskip(d) - 地址偏移量： 設備分給其具有路由能力的子設備的地址塊的大小位于深度d的父節(jié)點負責給新加入的節(jié)點分配地址 父節(jié)點分配的第1個路由器地址=父親設備地址+1; 父節(jié)點分配的第2個路由器地址=父親設備地址+1+Cskip(d); 父節(jié)點分配的第3個路由器地址=父親設備地址+1+2*Cskip(d); 依次運算規(guī)則可以很容易地計算出網(wǎng)絡中各個設備的節(jié)點地址。2022/7/1455Cskip=5,Addr=43ZigBee coordinatorCskip=21,Addr=0Cskip=5,Addr=1Cskip=5,Addr=64Cskip=1,Addr=70C

38、skip=1,Addr=2Cskip=1,Addr=65Cskip=0,Addr=66圖 地址分配Cskip=1,Addr=28Cskip=1,Addr=23Cskip=5,Addr=22在網(wǎng)絡中的深度 (d)偏移量Cskip021152130表 偏移量計算16位短地址的分配2022/7/1456ZigBee網(wǎng)絡路由 ZigBee網(wǎng)絡路由機制 路由消耗(Routing Cost)的計算 路由表維護 路由發(fā)現(xiàn) 樹形路由過程2022/7/1457路徑總的路由花費：每個子路段l計算出的內(nèi)部鏈接花費函數(shù)：ZigBee網(wǎng)絡路由2022/7/1458名稱大小描述目的地址2字節(jié)該路徑的目的設備地址狀態(tài)3比特

39、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)通往目的設備路徑上的下一跳設備地址 路由表ZigBee網(wǎng)絡路由2022/7/1459圖 樹形路由Depth3Depth2Depth1Depth0Address 0 x00 x7FFF0 xFFFFFor a ZigBee router with address A at depth d, if the following logical expression is true, then a de

40、stination device with address D is a descendant:ZigBee網(wǎng)絡路由2022/7/1460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，當設備每發(fā)起一個路由請求時，該序列號加1源設備地址2 bytes發(fā)起路由請求設備的地址發(fā)送設備地址2 bytes最后一次發(fā)送最小路由損耗路由請求命令幀的設備地址，用來確定路由回復命令幀最終的路徑前向損耗1 byte從路由請求的源設備到當前設備的累積路由損耗剩余損耗1 byte從當前設備到目的設備的累積路由損耗定時時間2 bytes路由發(fā)現(xiàn)倒計時定時器路由發(fā)現(xiàn)表2022/7/1461Depth0D

41、epth1Depth2Depth3圖 通過路由發(fā)現(xiàn)得到的路徑Address 0 x00 x7FFF0 xFFFFZigBee網(wǎng)絡路由2022/7/1462Zigbee標準2.2 應用層(APL)規(guī)范2022/7/1463在ZigBee協(xié)議中,應用層是由應用支持子層(APS)、ZigBee設備配置層(ZDO)和用戶應用程序(APP)來組成的。應用層提供高級協(xié)議棧管理功能，用戶應用程序由各制造商自己來規(guī)定，它使用應用層來管理協(xié)議棧。2022/7/1464圖 APS參考模型應用支持子層APS2022/7/1465應用支持子層APSAPS子層所提供的服務由數(shù)據(jù)服務實體(APSDE)和管理服務實體(APSME)來實現(xiàn)。A