IEEE-802.15.4协议解析.ppt

IEEE802 15 4低速无线个人区域网络 LR WPAN 提纲 一 三 IEEE802 15 4概述 IEEE802 15 4物理层规范 二 ZigBee与IEEE802 15 4 四 IEEE802 15 4MAC层规范 IEEE802 15 4概述 IEEE802 15 4工作组致力于定义一种供廉价固定的 便携或移动设备使用的 低复杂度 低成本 低功耗 低速率的无线连接技术 并在2003年12月通过了第一个IEEE802 15 4标准 随着无线个域网的推广 无线通信网络越来越关注于如何扩展WLAN的能力以及开发出一种新的通信方法来适应不断增长的业务需求 由此就产生了低速率无线个域网标准的概念 而随着无线传感器网络技术的发展 这个也适用于无线传感器网络的标准也得到了快速的发展 IEEE802 15 4标准定义了在个人局域网中通过射频方式在设备间进行互相通信的方式与协议 作为支持低速率 低功耗 短距离无线通信的协议标准 IEEE802 15 4在无线电频率和数据率 数据传输模型 设备类型 网络工作方式 安全考虑等方面都做出了说明 协议模型划分为物理层 PHY 和I媒体访问控制层 MAC 两个子层进行实现 IEEE802 15 4与ZigBee ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准 定义了网络层 安全层应用层 以及各种应用产品的架构 而由IEEE所定制的802 15 4标准 则是定义了物理层及MAC层 ZigBee每层基本功能 物理层指定了网络的接口组成 参数和运算 MAC层遵循IEEE802 15 4协议 负责设备间无线数据链路的建立 维护和结束 确认模式的数据传送和接收 可选时隙 实现低延迟传输 支持各种网络拓扑结构 网络层建立新的网络 处理节点的进入和离开网络 根据网络类型设置节点的协议堆栈 使网络协调器对节点分配地址 保证节点之间的同步 提供网络的路由 安全层依靠相称性密匙保护 应用保护机制 合适的密码机制以及相关的保密措施 应用层ZigBee的应用层由应用子层 APS 设备对象 ZDO 以及制造商定义的应用设备对象组成 APS子层的作用包括维护绑定表 在绑定设备间传输信息 ZDO的作用包括在网络中定义一个设备的作用 发现网络中的设备并确定它们能提供何种服务 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 制造商定义的应用对象根据ZigBee定义应用说明执行实际的应用 IEEE802 15 4标准 IEEE802 15 4的物理层定义了物理信道和MAC子层间的接口 提供数据服务和物理层管理服务 物理层数据服务从无线物理信道上收发数据 物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库 在IEEE802 15 4的MAC层中引入了超帧结构和信标帧的概念 这两个概念的引入极大了方便了网络管理 我们可以选用以超帧为周期组织LR WPAN网络内设备间的通信 每个超帧都以网络协调器发出信标帧为始 在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息 网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后 就可以根据其中的内容安排自己的任务 例如进入休眠状态直到这个超帧结束 MAC子层提供两种服务 MAC层数据服务和MAC层管理服务 前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发 后者维护一个存储MAC子层协议相关信息的数据库 物理层频带参数 在IEEE802 15 4 无线电线路可以运转在无需执照的三个频带上 868MHz 902到928MHz和2 4GHz 在868MHz和915MHz这两个频段上 信号处理过程相同 只是数据速率不同 处理过程 首先将数据单元的二制数据差分编码 然后再将差分编码后的每一个位转换为长度为15的片序列 最后BPSK调制到信道上 2 4GHz频段的处理过程 首行将数据单元的二进制数据中每4位转换为一个符号 symbol 然后将每个符号转换成长度为32的片序列 在把符号转换片序列时 用符号在16个近似正交的伪随便噪声序列的映射表 这是一个直接序列扩频的过程 扩频后 信号通过O QPSK调制方式调制到载波上 物理帧格式 前导码 4字节 用于符号同步 起始分隔符 1字节 用于帧同步 物理头端 1字节 指定了物理服务数据单元的长度 物理服务数据单元 127字节 用于负载数据 MAC层 网络设备与网络拓扑MAC层帧类型超帧结构信标使能和信标不使能模式CSMA CA算法 MAC层网络设备 两种设备类型 精简功能设备 RFD 全功能设备 FFD FFD与RFD的差别 FFD有能力成为协调者并选取一个频道建立新的网络 而RFD只能透过向协调者注册并连结后才能使用网络 另一个差别在于 并不是任何节点都有资格向协调者提出GTS使用申请 此节点必须属于FFD才可向协调者要求保证传输时槽使用权 三种设备角色 端设备Enddevice RFDorFFD 只具有简单的收发功能 不能进行分组的转发 协调器Coordinator FFD 通常通过发送信标实现与周围节点的同步 且具有转发分组的功能 网络协调器PANCoordinator FFD 为整个网络的主控节点 并且每个IEEE802 15 4网络只能有一个网络协调点 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 MAC帧格式 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 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 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 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 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 超帧结构 在IEEE802 15 4中 可以选用超帧为周期组织LR WPAN网络内设备间的通信 每个超帧都以网络协调器发出信标帧开始 在信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息 网络中的普通设备接收到包含超帧结构的信标帧后 就可以根据其中的配置信息安排自己的任务 超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分 信标使能与信标不使能 信标使能模式下 协议引入超帧的概念 实现协调器和设备的时间同步 识别PAN及实现设备之间的通信 PAN通过定义信标帧的内容来实现对超帧的控制 并周期性的广播 网络采用严格的时间同步 分时隙进行通信 可以在CAP采用时隙CSMA CA协议进行通信 在CFP采用时隙GTS机制进行通信 在信标不使能模式下 协议较为简单 并不采用超帧结构 设备通过无时隙的CSMA CA机制发送数据 信标使能通信 设备发送数据给协调器 协调器发送数据给设备 CSMA CA 当某个节点有数据发送时 就采用时隙或者非时隙的 进行数据传输 在信标使能网络中 采用的是时隙 要求设备的退避时隙的边界必须在超帧时隙的边界上 如果 机制的动作没有在超帧时隙的边界上完成 下一动作将延时到下一个超帧时隙的开始边界进行 在非信标使能网络中 采用的是非时隙 此模式不需要设备在退避时隙同其他设备的退避时隙同步 NB 后退次数 NumberOfBack 记录的是已执 backoff的次 每执 一次此值就会加1 如果遇到使用CCA去侦测频道为忙 时 就必须要重新去随机取一个backoff 而此时NB就会增加 NB最大值为4如果在这四次中侦测频道 为忙 的话就放弃传送此资 其是为 避免系统有过大的负担 CW 碰撞窗口的长度 contentwindowlength 其单位为backoffperiod在IEEE