无线传感器网络IEEE802154-LZY.ppt

无线传感器网络技术 讲义 第五章 通信标准 内容提要 IEEE802 15 4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献 内容提要 IEEE802 15 4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献 IEEE802 15 4标准 IEEE802 15 4标准概述网络组成及拓扑结构协议栈架构功能概述物理层规范信道分配及调制方式物理层帧格式物理层功能实现MAC子层规范MAC子层的信道访问方式MAC子层的帧格式MAC子层的功能实现 IEEE802 15 4标准 IEEE802 15 4标准概述网络组成及拓扑结构协议栈架构功能概述物理层规范信道分配及调制方式物理层帧格式物理层功能实现MAC子层规范MAC子层的信道访问方式MAC子层的帧格式MAC子层的功能实现 IEEE802 15 4标准 目标 为在个人操作空间 POS 内相互连通的无线设备提供通信标准 IEEE802 15任务组TG1 制定IEEE802 15 1标准 蓝牙无线个人区域网络标准 中等速率 近距离的WPAN网络标准 TG2 制定IEEE802 15 2标准 研究IEEE802 15 1与IEEE802 11 无线局域网标准 的共存问题TG3 制定IEEE802 15 3标准 研究高传输速率WPAN标准 TG4 制定IEEE802 15 4标准 研究低速WPAN标准 IEEE802 15 4标准 IEEE802 15 4标准的主要特征 实现20kbps 40kbps 100kbps 250kbps四种不同的传输速率 支持星型和点到点两种拓扑结构 在网络中采取两种地址方式 16位地址和64位地址 其中16位地址是有协调器分配的 64位地址是全球唯一的扩展地址 采用可选的时槽保障 GuaranteedTimeSlots GTS 机制 采用带冲突避免的载波侦听多路访问 Carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance CSMA CA 的信道访问机制 支持ACK机制以保证可靠传输 低功耗机制 信道能量检测 EnergyDetection ED 链路质量指示 Linkqualityindication LQI 工作在ISM频段上 其中在2450MHz波段上有16个信道 在915MHz波段上有30个信道 在868MHz上有3个信道 数据安全策略 IEEE802 15 4标准 IEEE802 15 4标准网络 在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE802 15 4标准相互通信的设备集合 全功能设备 FFD 和精简功能设备 RFD 协调器 与RFD相关联的FFD设备PAN网络协调器 成员身份管理 链路信息管理 分组转发 IEEE802 15 4标准 所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯网络协调器持续供电 其他设备电池供电适合家庭自动化 个人计算机外围设备 个人康护护理等小范围的室内应用 星型拓扑结构 IEEE802 15 4标准 任何两个设备之间都可以通讯网络协调器负责管理链路状态信息 认证设备身份等功能允许多跳路由的方式传输数据适合于设备分布范围广的应用 工业检测与控制 点到点拓扑结构 IEEE802 15 4标准 基于开放系统互连模型 OSI 每一层都实现部分通信功能 并向高层提供服务物理层由射频收发器和底层的控制模块组成数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通讯的服务接口特定服务的聚合子层 SSCS 为IEEE802 15 4的MAC层接入IEEE802 2标准中定义的链路控制子层 LLC 子层提供聚合服务LLC为应用层提供链路层服务 IEEE802 15 4协议栈架构 IEEE802 15 4标准 IEEE802 15 4标准功能概述超帧结构数据传输模型MAC层帧结构数据可靠传输机制低功耗策略数据的安全服务 IEEE802 15 4标准 以超帧为周期组织LR WPAN内设备间的通讯信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分不活跃阶段 设备进入休眠状态活跃阶段 信标帧发送时段 竞争访问时段和非竞争访问时段 划分为16个等长时槽CSMA CA访问机制 IEEE802 15 4标准 IEEE802 15 4标准概述网络组成及拓扑结构协议栈架构功能概述物理层规范信道分配及调制方式物理层帧格式物理层功能实现MAC子层规范MAC子层的信道访问方式MAC子层的帧格式MAC子层的功能实现 IEEE802 15 4标准 信道分配和调制方式 注 项为可选项目 系802 15 4 2006新增内容 IEEE802 15 4标准 物理帧格式 IEEE802 15 4标准 物理层功能实现数据的发送与接收物理信道的能量检测 ED EnergyDetection 射频收发器的激活与关闭空闲信道评估 CCA clearchannelassessment 链路质量指示 LQI linkqualityindication 物理层属性参数的获取与设置 IEEE802 15 4标准 IEEE802 15 4标准概述网络组成及拓扑结构协议栈架构功能概述物理层规范信道分配及调制方式物理层帧格式物理层功能实现MAC子层规范MAC子层的信道访问方式MAC子层的帧格式MAC子层的功能实现 IEEE802 15 4标准 IEEE802 15 4标准的MAC子层功能采用CSMA CA机制来访问物理信道 协调器对网络的建立与维护 支持PAN网络的关联 association 与取消关联 disassociation 协调器产生信标帧 普通设备根据信标帧与协调器同步 间接传输的实现 Transactionhandling 在两个MAC实体之间提供数据可靠传输 可选的GTS支持 支持安全机制 IEEE802 15 4标准 中间协调器接收和发送信标帧 IEEE802 15 4标准 MAC层帧结构目标 用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输帧组成地址格式 16位短地址和64位扩展地址帧控制字段的内容指示地址类型帧的类型 信标帧 数据帧 确认帧 MAC命令帧 IEEE802 15 4标准 信标帧格式 超帧字段 持续时间 活跃部分持续时间 竞争访问时断持续时间GTS分配释放信息 将无竞争时断划分为若干个GTS 并把每个GTS具体分配给某个设备转发数据目标地址 列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址信标帧负载数据 为上层协议提供数据传输接口 IEEE802 15 4标准 数据帧格式 传输上层发送到MAC子层的数据MAC服务数据单元 数据负载传送至MAC子层MAC帧 MAC服务数据单元 MHR头信息 MFR尾信息 IEEE802 15 4标准 确认帧格式 如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧 并且帧的确认请求位设置为1 设备需要回应一个确认帧 确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同 并且负载长度为0 确认帧紧接着被确认帧发送 不需要使用CSMA CA机制竞争信道 IEEE802 15 4标准 命令帧格式 命令帧用于组建PAN 传输同步数据等 命令帧有9种类型 命令帧的功能 把设备关联到PAN 与协调器交换数据 分配GTS 命令帧的具体功能由帧的负载数据表示 IEEE802 15 4标准 MAC子层功能实现PAN的建立与维护关联请求与取消与信标帧的同步数据的间接传输方式数据的发送 接收与重传GTS的分配与管理MAC子层PIB的维护MAC子层的安全策略 IEEE802 15 4标准 设备关联的消息流程 IEEE802 15 4标准 设备发起取消关联的消息流程 IEEE802 15 4标准 与协调器同步消息流程 信标使能网络 IEEE802 15 4标准 GTS分配过程消息流程图 IEEE802 15 4标准 GTS释放消息流程 内容提要 IEEE802 15 4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献 ZigBee技术简介 什么是ZigBee ZigBee是一种新兴的短距离 低功耗 低数据速率 低成本 低复杂度的无线网络技术 ZigBee采取了IEEE802 15 4强有力的无线物理层所规定的全部优点 省电 简单 成本又低的规格 ZigBee增加了逻辑网络 网络安全和应用层 ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制 消费性电子设备 汽车自动化 家庭和楼宇自动化 医用设备控制等 ZigBee技术简介 短程无线网络标准 WWAN WMAN WLAN WPAN 传输范围 0 01 10 1 0 1 100 1000 数据传输率 Mbps ZigBee技术简介 短程无线网络标准 文本 因特网 声音 压缩图片 多通道数字图像 低高 短程长程 ZigBee技术简介 无线网络标准的比较 ZigBee技术简介 ZigBee与IEEE802 15 4 ZigBee是一组基于IEEE802 15 4无线标准研制开发的 有关组网 安全和应用软件方面的技术 IEEE802 15 4仅处理MAC层和物理层协议 ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化 ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准 定义了网络层 NetworkLayer 安全层 SecurityLayer 应用层 ApplicationLayer 以及各种应用产品的资料 Profile 而由国际电子电机工程协会 IEEE 所定制的802 15 4标准 则是定义了物理层 PHYLayer 及媒体存取层 MediaAccessControlLayer MACLayer ZigBee技术简介 ZigBee协议栈 8位处理器协议栈简介紧凑4K 32k网络主节点容纳网络内所有节点的设备信息 数据包转发表 设备关联表 与安全有关的密钥存储等 ZigBee技术简介 ZigBee频带和数据传输率 ZigBee技术简介 ZigBee物理信道 ZigBee技术简介 ZigBee网络拓扑结构 星型 网状型 簇状型 网络协调器 全功能设备 FFD Router 可以支持任何一种拓扑结构 可以作为网络协商者和普通协商者 并且可以和任何一种设备进行通信 精简功能设备 RFD 只支持星型结构 不能成为任何协商者 可以和网络协商者进行通信 实现简单 ZigBee技术简介 ZigBee网络设备类型 网络协调器 包含所有的网络消息 是3种设备类型中最复杂的一种 存储容量最大 计算能力最强 发送网络信标 建立一个网络 管理网络节点 存储网络节点信息 寻找一对节点间的路由消息 不断地接收信息 全功能设备 FFD 可以担任网络协调者 形成网络 让其他的FFD或是精简功能装置 RFD 连结 FFD具备控制器的功能 可提供信息双向传输 附带由标准指定的全部802 15 4功能和所有特征 更多的存储器 计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用 也能用作终端设备精简功能设备 RFD RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息 附带有限的功能来控制成本和复杂性 在网络中通常用作终端设备 ZigBee相对简单的实现自然节省了费用 RFD由于省掉了内存和其他电路 降低了ZigBee部件的成本 而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本 ZigBee技术简介 ZigBee网络设备类型 ZigBee技术简介 ZigBee网状 MESH 网络 MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能 网络可以通过多级跳的方式来通信 该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络 网络还具备自组织 自愈功能 ZigBee技术简介 ZigBee网状 MESH 网络 Mesh是一种特殊的 按接力方式传输的点对点的网络结构 其路由可自动建立和维护 通过以上ZigBeeMesh结构图可以得知 一个ZigBee网络只有一个网络协调器 但可以有若干个路由器 协调器负责整个网络的建网 同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点 网关 构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件 FFD 而构成终端设备的器件可以是全功能器件 也可是简约功能器件 RFD ZigBee技术简介 ZigBee网状 MESH 网络 ZigBee采用按需路由算法AODV 在节能和网络性能上都有着很大的优势 AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法 只保持需要的路由 而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由 节点仅记住下一跳 而非像源节点路由那样记住整个路由 它能在网络中的各移动节点之间动态地 自启动地建立逐跳路由 当链路断开时 AODV会通知受影响的节点 从而使这些节点能被确认为无效路由 AODV允许移动节点响应链路的破损情况 并以一种及时的方式更新网络拓扑 AODV操作是无还回的 并避免了当Adhoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题 特别是当一个节点进入网络时 ZigBee技术简介 ZigBee通信可靠性保证 物理层RF通信连接 直序扩频采用高处理增益 明晰的信道检测 对干扰能量进行检测协议 基于CRC的误码监测 校正 采取了避免冲突的策略CSMA CA 为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙 发送的数据包都有待于接收方的确认 如出现问题进行重发 保持数据包的及时传输Packetdatafreshness ZigBee技术简介 ZigBee通信可靠性保证 通信可靠机制 ZigBee采用了CSMA CA的碰撞避免机制 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙 避免了发送数据时的竞争和冲突 明晰的信道检测 MAC层采用了完全确认的数据传输机制 每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息 网络的自组织自语能力强 ZigBee的自组织功能 无需人工干预 网络节点能够感知其他节点的存在 并确定连结关系 组成结构化的网络 ZigBee自愈功能 增加或者删除一个节点 节点位置发生变动 节点发生故障等等 网络都能够自我修复 并对网络拓扑结构进行相应的调整 无需人工干预 保证整个系统仍然能正常工作 ZigBee技术简介 ZigBee通信可靠性保证 在低信噪比的环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能 误码率 信噪比dB bluetooth ZigBee技术简介 ZigBee通信可靠性保证 ZigBee技术简介 ZigBee技术优势 数据传输速率低 10KB 秒 250KB 秒 专注于低传输应用功耗低 在低功耗待机模式下 两节普通5号电池可使用6 24个月成本低 ZigBee数据传输速率低 协议简单 所以大大降低了成本网络容量大 网络可容纳65000个设备时延短 典型搜索设备时延为30ms 休眠激活时延为15ms 活动设备信道接入时延为15ms 网络的自组织 自愈能力强 通信可靠数据安全 ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能 采用AES 128加密算法 美国新加密算法 是目前最好的文本加密算法之一 各个应用可灵活确定其安全属性工作频段灵活 使用频段为2 4GHz 86MHz 欧洲 和915MHz 美国 均为免执照 免费 的频段 ZigBee技术简介 ZigBee应用条件 低功耗 低成本 较低的报文吞吐率 需要支持大型网络接点的数量级 对通信服务质量QoS要求不高 甚至无QoS 需要可选择的安全等级 采用AES 128 加密 发送鉴别 报文的完整性需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用 要求高的网络自组织 自恢复能力 ZigBee技术简介 ZigBee应用场合 无线传感器网络WSN 带负载管理功能的自动抄表 AMR 系统 智能交通 油气生产遥测遥控通信系统 监控照明 HVAC和写字楼安全 农田耕作 环境监测 水利水文监测无线通信 工业制造 过程控制遥测遥控 对患病 设备及设施进行医疗和健康监控 家庭监控 HVAC 安防报警系统运用 有源RFID应用 用于产品运输 产品跟踪 存储较大物品和财产管理 军事应用 包括战场监视和机器人控制 汽车应用 配合传感器网络报告汽车所有系统的状态 内容提要 IEEE802 15 4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献 6LowPan草案 动机与存在的问题协议报文转换适配层和帧格式地址管理机制Mesh网络下的多跳传输方法及路由邻居发现协议 6LowPan草案 协议栈结构 底层采用IEEE802 15 4规定的PHY层和MAC层 网络层采用IPv6协议 由于IPv6中 MAC支持的载荷长度远于6LowPan底层所能提供的载荷长度 为了实现MAC层与网络层的无缝链接 6Low Pan工作组建议在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层 用来完成包头压缩 分片与重组以及网状路由转发等工作 6LowPan的优势 普及性 IP网络应用广泛 作为下一代互联网核心技术的IPv6 也在加速其普及的步伐 在LR WPAN网络中使用IPv6更易于被接受 适用性 IP网络协议栈架构受到广泛的认可 LR WPAN网络完全可以基于此架构进行简单 有效地开发 更多地址空间 IPv6应用于LR WPAN最大亮点就是庞大的地址空间 这恰恰满足了部署大规模 高密度LR WPAN网络设备的需要 支持无状态自动地址配置 IPv6中当节点启动时 可以自动读取MAC地址 并根据相关规则配置好所需的IPv6地址 这个特性对传感器网络来说 非常具有吸引力 因为在大多数情况下 不可能对传感器节点配置用户界面 节点必须具备自动配置功能 易接入 LR WPAN使用IPv6技术 更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网 使其可以充分利用IP网络的技术进行发展易开发 目前基于IPv6的许多技术已比较成熟 并被广泛接受 针对LR WPAN的特性对这些技术进行适当的精简和取舍 简化了协议开发的过程 6LowPan的关键技术 IPv6和IEEE802 15 4的协调 IEEE802 15 4标准定义的最大帧长度是127字节 MAC头部最大长度为25字节 剩余的MAC载荷最大长度为102字节 而在IPv6中 MAC载荷最大为1280字节 IEEE802 15 4帧不能封装完整的IPv6数据包 因此 要协调二者之间的关系 就要在网络层与MAC层之间引入适配层 用来完成分片和重组的功能 地址配置和地址管理 IPv6支持无状态地址自动配置 相对于有状态自动配置的来说 配置所需开销比较小 这正适合LR WPAN设备特点 同时 由于LR WPAN设备可能大量 密集地分布在人员比较难以到达的地方 实现无状态地址自动配置则更加重要 网络管理 由于在IEEE802 15 4上转