第章标准与协议PPT课件.ppt

第4章IEEE802 15 4标准与ZigBee协议 1 内容提纲 4 1概述4 2IEEE802 15 4网络简介4 3ZigBee协议4 4本章小结思考题 2 4 1概述 WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接 把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起 使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet 1998年3月 IEEE标准化协会正式批准成立了IEEE802 15工作组 这个工作组致力于WPAN网络的物理层 PHY 和媒体访问控制子层 MAC 的标准化工作 目标是为在个人操作空间 personaloperatingspace POS 内相互通信的无线通信设备提供通信标准 在IEEE802 15工作组内有四个任务组 taskgroup TG 分别制定适合不同应用的标准 四个任务组各自的主要任务是 任务组TG1 制定IEEE802 15 1标准 又称蓝牙无线个人区域网络标准 这是一个中等速率 近距离的WPAN网络标准 通常用于手机 PDA等设备的短距离通信 任务组TG2 制定IEEE802 15 2标准 研究IEEE802 15 1与IEEE802 11 无线局域网标准 WLAN 的共存问题 任务组TG3 制定IEEE802 15 3标准 研究高传输速率无线个人区域网络标准 该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用 追求更高的传输速率与服务品质 任务组TG4 制定IEEE802 15 4标准 针对低速无线个人区域网络 low ratewirelesspersonalareanetwork LR WPAN 制定标准 该标准把低能量消耗 低速率传输 低成本作为重点目标 旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准 3 4 1概述 LR WPAN网络是一种结构简单 成本低廉的无线通信网络 IEEE802 15 4标准为LR WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议 其定义的LR WPAN网络具有如下特点 1 在不同的载波频率下实现了20kbps 40kbps和250kbps三种不同的传输速率 2 支持星型和点对点两种网络拓扑结构 3 有16位和64位两种地址格式 其中64位地址是全球惟一的扩展地址 4 支持冲突避免的载波多路侦听技术 carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance CSMA CA 5 支持确认 ACK 机制 保证传输可靠性 4 4 2IEEE802 15 4网络简介 4 2 1IEEE802 15 4网络拓扑结构4 2 2IEEE802 15 4网络协议栈4 2 3物理层4 2 4MAC层 5 4 2IEEE802 15 4网络简介 IEEE802 15 4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE802 15 4标准相互通信的一组设备的集合 又名LR WPAN网络 根据设备所具有的通信能力 可以分为全功能设备 full functiondevice FFD 和精简功能设备 reduced functiondevice RFD FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信 RFD设备之间不能直接通信 只能与FFD设备通信 或者通过一个FFD设备向外转发数据 这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器 coordinator RFD设备主要用于简单的控制应用 如灯的开关 被动式红外线传感器等 传输的数据量较少 对传输资源和通信资源占用不多 这样RFD设备可以采用非常廉价的实现方案 PAN网络协调器 PANcoordinator 的FFD设备 是LR WPAN网络中的主控制器 PAN网络协调器 以后简称网络协调器 除了直接参与应用以外 还要完成成员身份管理 链路状态信息管理以及分组转发等任务 6 图4 1是IEEE802 15 4网络的一个例子 给出了网络中各种设备的类型以及它们在网络中所处的地位 图4 1LR WPAN网络组件和拓扑关系 7 4 2 1IEEE802 15 4网络拓扑结构 IEEE802 15 4网络根据应用的需要可以组织成星型网络 也可以组织成点对点网络 如图4 2所示 在星型结构中 所有设备都与中心设备的网络协调器通信 在这种网络中 网络协调器一般使用持续电力系统供电 而其他设备采用电池供电 星型网络适合家庭自动化 个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用 图4 2网络的拓扑结构 8 4 2 2IEEE802 15 4网络协议栈 IEEE802 15 4网络协议栈基于开放系统互连模型 OSI 如图4 3所示 每一层都实现一部分通信功能 并向高层提供服务 IEEE802 15 4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层 MAC子层以上的几个层次 包括特定服务的聚合子层 servicespecificconvergencesublayer SSCS 链路控制子层 logicallinkcontrol LLC 等 IEEE802 15 4标准上层协议 并不在IEEE802 15 4标准的定义范围之内 SSCS为IEEE802 15 4的MAC层接入IEEE802 2标准中定义的LLC子层提供聚合服务 LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE802 15 4网络 为应用层提供链路层服务 图4 3IEEE802 15 4协议层次图 9 4 2 3物理层 1 物理层概述 物理层的主要功能是通过射频固件以及射频硬件 在MAC层与物理射频信道之间提供接口 物理层数据服务包括以下五方面的功能 激活和休眠射频收发器 信道能量检测 energydetect 信道能量检测为网络层提供信道选择依据 它主要测量目标信道中接收信号的功率强度 由于这个检测本身不进行解码操作 所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和 检测接收数据包的链路质量指示 linkqualityindication LQI 链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息 与信道能量检测不同的是 它要对信号进行解码 生成的是一个信噪比指标 这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理 空闲信道评估 clearchannelassessment CCA 空闲信道评估判断信道是否空闲 IEEE802 15 4定义了三种空闲信道评估模式 第一种简单判断信道的信号能量 当信号能量低于某一个门限值就认为信道空闲 第二种是通过判断无线信号的特征 这个特征主要包括两方面 即扩频信号特征和载波频率 第三种模式是前两种模式的综合 同时检测信号强度和信号特征 给出信道空闲判断 收发数据 10 4 2 3物理层 1 物理层概述 IEEE802 15 4协议提供了2 4GHZ和868 915MHZ两种物理层标准 工作于2 4GHz频段的物理层提供250kbps的数据传输率 适用于高吞吐量 低时延或低作业周期的场合 工作于868 915MHz频段的物理层提供20 40kbps的数据传输率 适用于低速率 高灵敏度和大覆盖面积的场合 IEEE802 15 4协议物理层定义了27个信道 编号0 26 跨越3个频段 具体包括2 4GHzISM频段的16个信道 915MHz频段的10个信道 以及868MHZ频段的1个信道 物理层参数如表4 1所示 11 4 2 3物理层 2 物理层的帧结构 表4 2描述了IEEE802 15 4标准物理层数据帧格式 物理层数据帧由同步头 物理帧头和物理层负荷三部分组成 同步包头 由前导码和数据包帧起始分隔符组成 其中前导码被收发机用来从输入码流中获得同步 它由32个二进制 0 组成 帧起始分隔符 start of framedelimiter SFD 字段长度为一个字节 其值固定为0 xA7 标识一个物理帧的开始 收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步 通过搜索SFD字段的值0 xA7才能同步到字节上 物理帧头 占1个字节 其中7bit用来表示帧的长度 1bit保留 帧长度取值范围为0到物理层最大分组长度 值为5时 表示该MAC层业务数据单元 MPDU 的负载类型为MAC确认帧 为8到物理层最大分组长度时 表示为一般数据分组 物理层负荷 即物理层业务数据单元 PSDU 也即MAC帧 长度可变 最大127字节 12 4 2 4MAC层 1 MAC层功能 IEEE802系列标准把数据链路层分为MAC层和逻辑链路控制 LogicalLinkControl LLC 两个子层MAC层提供了特定服务汇聚子层与物理层之间的接口 它处理所有接入到物理射频信道的工作 并负责以下任务 协调器产生并发送信标帧 普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步 支持PAN网络的关联 association 和取消关联 disassociation 操作 支持无线信道通信安全 使用CSMA CA机制访问信道 支持时槽保障 guaranteedtimeslot GTS 机制 支持不同设备的MAC层间可靠传输 13 4 2 4MAC层 2 MAC层的帧格式和帧类型 一个MAC帧通常由MAC层帧头 MAC负载 MAC层帧尾构成 MAC层帧头包含帧控制 帧序列号以及地址域 MAC层帧头中的顺序是一定的 MAC负荷中包含了一些特定帧的信息 它的长度是可变的 MAC层帧尾中包含帧校验序列域 FCS MAC层的帧格式如表4 3所示 帧控制 占2个字节 包含了帧的类型 寻址 安全等信息 帧序号 占1个字节 表示发送帧的序号 协调器使用某种算法选择一个随机值并存储下来 在帧发送的时候将存储的随机值复制到帧序号 随着每一帧的发送 依次加1 目的PAN标识符 占2个字节 表示接收方所在PAN的标识符 目的地址 表示帧发送目的节点的地址 根据地址模式 占2个字节或8个字节 源PAN标识符 占2个字节 为发送方所在PAN的标识符 源地址 表示帧发送源节点的地址 根据地址模式 占2个字节或8个字节 帧负荷 MAC帧传送的数据 帧校验序列 占2个字节 采用循环冗余校验 14 4 2 4MAC层 2 MAC层的帧格式和帧类型 IEEE802 15 4中规定的MAC帧包括四种类型 信标帧 数据帧 确认帧 命令帧 信标帧用于节点请求加入网络时 网络协调器对本PAN的信息发布 供节点选择是否加入本网络 此外 信标帧在需要进行同步的PAN中又具有传送时隙分配信息及同步信息的功能 数据帧用于向对等的MAC层实体传送上层递交来的数据信息 确认帧仅当上次接收到的数据帧或命令帧需要进行接收确认时才发送 命令帧用于发送各种MAC层相关命令 包括关联请求 数据发送请求 协调者重分配请求 信标请求等 15 1 信标帧 信标帧的负载数据单元由四部分组成 超帧描述字段 GTS分配字段 待转发数据目标地址 pendingaddress 字段和信标帧负载数据 如图4 5所示 16 信标帧中超帧描述字段规定了这个超帧的持续时间 活跃部分持续时间以及竞争访问时段持续时间等信息 GTS分配字段将无竞争时段划分为若干个GTS 并把每个GTS具体分配给了某个设备 待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 一个设备如果发现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里 则意味着协调器存有属于它的数据 所以它就会向协调器发出请求传送数据的MAC命令帧 信标帧负载数据为上层协议提供数据传输接口 例如在使用安全机制的时候 这个负载域将根据被通信设备设定的安全通信协议填入相应的信息 通常情况下 这个字段可以忽略 17 2 数据帧 数据帧用来传输上层发到MAC子层的数据 它的负载字段包含了上层需要传送的数据 数据负载传送至MAC子层时 被称为MAC服务数据单元 MACservicedataunit MSDU 它的首尾被分别附加了MHR头信息和MFR尾信息后 就构成了MAC帧 如图4 6所示 18 MAC帧传送至物理层后 就成为了物理帧的负载PSDU PSDU在物理层被 包装 其首部增加了同步信息SHR和帧长度PHR字段 同步信息SHR包括用于同步的前导码和SFD字段 它们都是固定值 帧长度字段PHR标识了MAC帧的长度 为一个字节长而且只有其中的低7位是有效位 所以MAC帧的长度不会超过127个字节 19 3 确认帧 如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧 并且帧的控制信息字段的确认请求位被置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 并且负载长度应该为零 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 如图4 7所示 20 4 命令帧 MAC命令帧用于组建PAN网络 传输同步数据等 目前定义好的命令帧有九种类型 主要完成三方面的功能 把设备关联到PAN网络 与协调器交换数据 分配GTS 命令帧在格式上和其他类型的帧没有太多的区别 只是帧控制字段的帧类型位有所不同 帧头的帧控制字段的帧类型为011b b表示二进制数据 表示这是一个命令帧 命令帧的具体功能由帧的负载数据表示 负载数据是一个变长结构 所有命令帧负载的第一个字节是命令类型字节 后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义 如图4 8所示 21 4 3ZigBee协议 4 3 1ZigBee协议框架4 3 2ZigBee协议主要特征4 3 4ZigBee网络层4 3 5ZigBee应用层 22 4 3 1ZigBee协议框架 相对于常见的无线通信标准 ZigBee协议比较紧凑 简单 从总体框架来看 可以分为三个基本层次 物理层 数据链路层 ZigBee堆栈层和应用层 物理层 数据链路层位于最底层 应用层位于最高层 ZigBee协议的架构如图4 4所示 各层的基本功能如下 1 物理层 数据链路层物理层与物理传输媒介 这里主要指无线电波 相关 负责物理媒介与数据比特的相互转化 以及数据比特与上层 数据链路层数据帧的相互转化 数据链路层负责寻址功能 发送数据时决定数据发送的目的地址 接收数据时判定数据的源地址 此外也负责数据包或数据帧的装配以及接收到的数据帧的解析 2 ZigBee堆栈层ZigBee堆栈层由网络层与安全平台组成 提供应用层与IEEE802 15 4物理层 数据链路层的连接 由与网络拓扑结构 路由 安全相关的几个堆栈层次组成 3 应用层应用层包含在网络节点上运行的应用程序 赋予节点自己的功能 应用层的主要功能是将输入转化为数字数据 或者将数字数据转化为输出 23 24 4 3 2ZigBee协议主要特征 1 省电 ZigBee网络节点设备工作周期较短 收发信息功率低 并且采用了休眠模式 当不传送数据时处于休眠状态 当需要接收数据时由ZigBee网络中称作 协调器 的设备负责唤醒他们 所以ZigBee技术特别省电 避免了频繁更换电池或充电 从而减轻了网络维护的负担 2 可靠 由于采用了可碰撞避免机制并为需要固定宽带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 而且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收方的确认信息 因此从根本上保证了数据传输的可靠性 3 廉价 由于ZigBee协议栈设计简练 因此它的研发和生产成本相对较低 普通网络节点硬件上只需8位处理器 如80C51 最小4KB 最大32KB的ROM 软件实现上也较简单 随着产品产业化 ZigBee通信模块价格预计能降到1 5 2 5美元 4 短时延 ZigBee技术与蓝牙技术的时延指标都非常短 ZigBee节点休眠和工作状态转换只需15ms 入网约30ms 而蓝牙为3 10s 5 大网络容量 ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备 一个区域内最多可以同时存在100个ZigBee网络 6 安全 ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴别功能 加密算法采用AES 128 并且其应用可以灵活的确定其安全属性 使网络安全能够得到有效的保障 25 4 3 4ZigBee网络层 1 网络层功能网络层在MAC层与应用层之间提供合适的接口 通过激发MAC层的动作执行寻址和路由功能 主要任务包括 发起一个网络并且分配网络地址 网络协调器 向网络中添加设备或者从网络中移除设备 将消息路由到目的节点 对发送的数据进行加密 在网状网络中执行路由寻址并且储存路由表 26 2 网络层服务规范网络层包含网络层数据实体 NLDE 和网络层管理实体 NLME NLDE通过网络层数据实体服务接入点 NLDE SAP 提供数据传输服务 NLME通过网络层管理实体服务接入点 NLME SAP 提供管理服务 NLME利用NLDE完成一些管理任务和维护网络信息库 NIB 网络层的结构与接口如图4 5所示 27 1 网络层数据实体 NLDE NLDE提供数据服务以允许一个应用在两个或多个设备之间传输应用协议数据 APDU 这些设备必须在同一个网络中 NLDE会提供以下服务类型 通用的网络层协议数据单元 NPDU NLDE可以通过一个附加的适当的协议头从应用支持子层PDU中产生NPDU 特定的拓扑路由 NLDE能够传输NPDU给一个适当的设备 这个设备可以是最终的传输目的设备 也可以是通往最终目的设备的下一个设备 2 网络层管理理实体 NIME NLME提供一个管理服务允许一个应用和ZigBee堆栈相连接 NLME提供以下服务 配置一个新设备 NLME可以依据应用操作的要求配置新的设备 包括 启动设备作为ZigBee协调器 加入一个己存在的网络 建立一个网络 ZigBee协调器可以通过NLME建立一个新的网络 加入或离开一个网络 ZigBee协调器和路由器通过NLME能够让终端设备加入或离开网络 分配地址 ZigBee协调器和路由器通过NLME分配地址给加入网络的设备 发现临近表 发现 记录和报告设备的一跳临近表的相关信息 发现路由 通过NLME可以发现及记录传输路径 对信息进行有效的路由 接收控制 NLME可以控制接收时间长短并使能MAC子层同步或直接接收 28 3 网络层数据帧格式在ZigBee网络层中 存在着以下几种帧 数据帧 路由请求命令帧 路由回答命令帧 路由失败命令帧和离开网络命令帧 其一般帧结构如表4 4所示 帧控制 标识了帧的类型 所用的协议类型以及是否采取了安全措施 目的地址 源地址 此帧接收节点和发送节点的16位网络地址 16位网络地址在网络或连接建立时己经分配好 广播半径 表示节点发信机发射信号可以被接收到的范围 广播序列号 表示广播帧的序列号 随着帧的广播序列号递增 帧负荷 网络层帧所承载的有用信息 29 4 3 5ZigBee应用层 ZigBee协议的应用层由应用支持子层 ApplicationSupportSoblayer APS 应用框架 AppliCationFramework AF ZigBee设备对象 ZigBeeDeviceobject ZDO 以及ZigBee设备对象管理平台组成 APS子层的作用包括 维护绑定表 绑定表作用是基于两个设备的服务和需要把它们绑定在一起 在绑定的设备之间来传输信息 ZDO的作用包括 在网络中定义一个设备的作用 如定义设备为协调器 路由器或终端设备 发现网络中的设备并确定它们能提供何种应用的服务 起始或回应绑定需求以及在网络设备中建立一个安全的连接 30 图4 6应用层结构与接口 31 1 应用支持子层 APS 应用支持子层在网络层和应用层之间 通过ZDO和应用设备共同使用的一套通用的服务机制提供两层间的接口 应用支持子层包含两个实体 APS数据实体 APSDE 和APS管理实体 APSME APSDE通过APS数据实体服务接入点 APSDE SAP 在同一网络的两个或多个设备之间提供数据传输服务 APSME通过APS管理实体服务接入点 APSME SAP 提供服务机制 以发现和绑定设备 并维护一个管理对象的数据库 称为APS信息库 AIB 32 2 应用框架 AF ZigBee应用层框架是应用设备和ZigBee设备连接的环境 在应用层框架中 应用对象 ApplicationObject 发送和接收数据通过APSDE SAP实现 而对应用对象的控制和管理则通过ZDO公用接口来实现 APSDE SAP提供的数据服务包括请求 确认 响应以及数据传输的指示信息 用户可以定义多达240个不同的应用对象 每个应用对象由端口 Endpoint 1到端口240来标识 端口241 254保留作将来使用 此外 还有两个附加的端口 端口0用于ZDO的数据接口 端口255用于所有应用对象的广播数据的数据接口 使用APSDE一SAP提供的服务 应用层框架提供了应用对象的两种数据服务类型 键值对 KeyvaluePair KV