zigbee物理层

Zigbee技术及应用 (小学期) 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 far.away 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 IEEE802.15.4标准物理层规范IEEE802.15.4标准物理层规范 物理层概述1 物理层服务规范2 物理层数据格式3 物理层的常量和属性4 2.4GHz频段的物理层技术5 868/915MHz频段的物理层技术6 通用射频规范7 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 一、物理层概述一、物理层概述 IEEE802.15.4物理层主要完成以下任务 ?开启和关闭无线收发信机 ?能量检测ED ?链路质量检测LQI ?空闲信道评估CCA ?信道选择 ?数据发送 ?数据接收 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 IEEE802.15.4频段IEEE802.15.4频段 共三个频段，27个信道，信道编号从0-26. ?K=0：863.3MHz ?K=1,2 10：906+2(k-1)MHz ?K=11,1226 ：2405+5(k-11)MHz 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 二、物理层服务规范二、物理层服务规范 物理层通过射频固件和硬件提供MAC层与物 理无线信道之间的接口。 物理层还包括物理层管理实体PLME，提供调 用物理层管理功能的管理服务接口，并负责 维护物理层PAN信息库（PHY PIB）。 物理层通过物理层数据服务访问点数据服务访问点提供物理 层数据服务，通过物理层管理实体服务访问 点 管理实体服务访问 点提供物理层管理服务。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 物理层参考模型物理层参考模型 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 1、物理层数据服务1、物理层数据服务 PD-SAP支持在两个对等MAC层实体间传输MAC 协议数据单元 MAC 协议数据单元MPDU。 PD-SAP支持三种原语 ?PD-DATA.request：由MAC层送给本地物理层，请求 发送MPDU。 ?PD-DATA.confirm：由物理层实体发送给MAC层实 体，作为对PD-DATA.request的响应。 ?PD-DATA.indication：指示一个MPDU（即PSDU）从 物理层传送到本地MAC层实体。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （1）PD-DATA.request（1）PD-DATA.request PD-DATA.request（psduLength，psdu） ?Psdu的长度，无符号整数，单位是字节。 ?MAC层请求物理层发送的实际数据。 物理层收到此原语时，如设备处在 ?发射使能（TX_ON），则物理层把PSDU封装成物理层 协议数据单元PPDU后开始发送。发射成功后，物理 层向MAC层发出状态为SUCCESS的证实原语PD- DATA.confirm。 ?接收使能（RX_ON）或收发都关闭（TRX_OFF），则 向MAC层发出状态为RX_ON或TRX_OFF的证实原语PD- DATA.confirm。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （2）PD-DATA.confirm（2）PD-DATA.confirm PD-DATA.confirm（status） ?参数表示MAC层请求发送数据的结果。 ?参数为枚举变量，可以为SUCCESS、RX_ON或 TRX_OFF。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （3）PD-DATA.indication（3）PD-DATA.indication PD-DATA.indication（psduLength，psdu， ppduLinkQuality） ?psdu长度，如接收到的该参数值为0或超过内部常数 aMaxPHYPacketSize，则物理层不产生该服务原语。 ?psdu ?根据接收的ppdu测得的链路质量，取值为整数0 x00- 0 xff。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 2、物理层管理服务2、物理层管理服务 PLME-SAP允许在MLME和PLME之间传送管理命 令，支持以下原语： ?PLME-CCA：请求PLME执行空闲信道评估CCA。 ?PLME-ED：请求PLME执行能量检测ED。 ?PLME-GET：向PLME请求物理层PIB中相关属性的值。 ?PLME-SET-TRX-STATE：向PLME请求改变收发信机的 内部工作状态。 ?PLME-SET：向PLME请求设置或改变PIB属性的值。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （1） PLME-CCA（1） PLME-CCA 每当MAC层的CSMA/CA算法需要评估物理信道时， MLME就产生PLME-CCA.request原语并发送给PLME。 语法如下： PLME-CCA.request() 收到该原语后，如设备处于 ?接收使能，PLME就指示物理层进行信道评估，然后向MLME发送 PLME-CCA.confirm原语，在参数中指出信道繁忙BUSY或空闲 IDLE ?收发关闭状态TRX_OFF或发送状态TX_ON，无法进行信道评估， 则向MLME发送PLME-CCA.confirm原语，在参数中指出CCA失败 原因：TRX_OFF或TX_ON 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （1） PLME-CCA（续）（1） PLME-CCA（续） PLME向MLME报告CCA结果的证实原语，语法 如下： PLME-CCA.confirm(status) ?参数取值分别为：BUSY、IDLE、TRX_OFF或TX_ON 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （2） PLME-ED（2） PLME-ED 由MLME产生，请求PLME执行能量检测，语法 如下： PLME-ED.request() 收到该原语后，如设备处于 ?接收使能，PLME就指示物理层进行能量检测，然后 向MLME发送PLME-ED.confirm原语，报告能量检测成 功SUCCESS和检测到的信道能量等级。 ?收发关闭状态TRX_OFF或发送状态TX_ON，无法进行 能量检测，则向MLME发送PLME-ED.confirm原语，在 参数中指出ED失败原因：TRX_OFF或TX_ON 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （2） PLME-ED（续）（2） PLME-ED（续） PLME-ED.confirm原语语法如下： PLME-ED.confirm(status、EnergyLevel) ?检测结果状态，取值为SUCCESS、TRX_OFF或TX_ON 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （3） PLME-GET（3） PLME-GET 由MLME产生，向PLME请求物理层PIB中相关 的属性值。语法如下： PLME-GET.request(PIBAttribute) ?参数代表属性标识 收到该原语后，PLME到数据库中检索该信 息，然后向MLME发回证实原语。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （3） PLME-GET（续）（3） PLME-GET（续） 证实原语，语法如下： PLME-GET.confirm(Status， PIBAttribute，PIBAttributeValue) ?参数不支持的属性(UNSUPPORTED_ATTRIBUTE)、成功 SUCCESS ?属性名 ?属性值 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （4） PLME-SET-TRX-STATE（4） PLME-SET-TRX-STATE 由MLME产生，向PLME请求改变收发信机的状 态，语法如下： PLME-SET-TRX-STATE.request(stutas) ?参数取值可为：RX_ON、TRX_OFF、FORCE_TRX_OFF或 TX_ON. 收到该原语后，PLME将回送证实原语给MLME. 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （4） PLME-SET-TRX-STATE（续）（4） PLME-SET-TRX-STATE（续） 由PLME产生，向MLME报告请求原语的结果，语法如 下： PLME-SET-TRX-STATE.confirm(stutas) ?如状态改变成功，为SUCCESS ?如当前状态就是请求状态，则为RX_ON、TRX_OFF、或TX_ON. ?如请求改变到RX_ON或者TRX_OFF，而设备正在发送，无法改 变，则为BUSY_TX，发送完后改变。 ?如请求改变到TX_ON或者TRX_OFF,而设备正在接收，并已接收 到有效的帧开始符，则无法改变，则为BUSY_RX，接收完后改 变。 ?如请求原语参数为FORCE_TRX_OFF，则不管物理层处在什么状 态，收发信机都被强制改变到FORCE_TRX_OFF状态。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （5） PLME-SET（5） PLME-SET 由MLME产生，向PLME请求改变或设置PIB属 性的值，语法如下： PLME-SET.request(PIBAttribute， PIBAttribbuteValue) 收到该原语后，PLME将回送证实原语给MLME. 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 （5） PLME-SET（续）（5） PLME-SET（续） 由PLME产生，向MLME报告请求原语的结果， 语法如下： PLME-SET.confirm(status， PIBAttribute） ?Status取值为SUCCESS、UNSUPPORTED_ATTRIBUTE、 INVALID_PARAMETER。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 3、物理层数据格式3、物理层数据格式 物理层协议数据单元PPDU由三部分组成： ?同步头SHR：允许接收设备同步并锁定比特流 ?物理层帧头：包含帧长信息 ?有效载荷：PSDU ?引导序列自动：32个0 ?帧开始符SFD：E5H 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 4、物理层的常量和属性4、物理层的常量和属性 物理层常量依赖于硬件，不可更改，如下： ?aMaxPHYPacektSize：物理层能接收的PSDU的最大长 度，用字节表示，值为127 ?aTurnaroundTime：发送和接收之间切换的最大时 间，12个符号周期 物理层的属性存在于PIB中，可用PLME-GET 和PLME-SET原语进行读写 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 物理层属性物理层属性 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 5、2.4GHz频段的物理层技术5、2.4GHz频段的物理层技术 IEEE802.15.4标准2.4GHz频段处理层支持 250kbps的数据速率。在每个符号每个符号周期内，4个信 息位 4个信 息位映射为一个32位32位的准正交伪随机序列，所以 其符号速率为62.5ksymbol/s,码片速率为 2000kchip/s。 比特速率符号速率码片速率 250kbps62.5ksymbols/s2000kchip/s 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 比特-符号-码片映射比特-符号-码片映射 从PPDU引导序列的第一个字节开始，每个字节的低 4位和高4位分别映射为一个符号，低位在前，高位 在后。每个符号再映射为一个32位长度的PN序列。 码片序列采用半正弦脉冲程序的O-QPSK载波调制。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 6、868/915频段的物理层技术6、868/915频段的物理层技术 868MHz频段物理层支持20kbps数据速率， 915MHz频段物理层支持40kbps数据速率。 采用直接序列扩频（DSSS）结合差分编码和 BPSK调制的传输方案。 每个位映射为15位的PN编码，码片速率分别 为300kchip/s和600kchip/s。 大连理工大学 软件学院 赖晓晨 7、通用射频规范7、通用射频规范 802.15.4物理层通用规范同时适用于三个频 段物理层，包括以下三类 ?能量检测ED：在8个符号周期内对信道带宽内的接收 信号功率进行估计，用于网络层的信道选择算法。 取值为0 x00-0 xff。 ?链路质量指示LQI：用于指示接收数据包的质量，通 过接收机ED、信噪比估计来测量。物理层对每个接 收包都执行LQI，并通过PD-DATA.indication原语连 同数据帧一起报告给MAC层。取值为0 x00-0 xf