zigbee协议栈

1、第六章 通信标准 lIEEE 802.15.4标准lZigBee标准第六章 通信标准lIEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4 是一种能量消耗少，结构简单且容易实现的无线通信网络协议，它主要致力于解决无线连接在能量值和网络吞吐量低的网络中应用。与WLAN相比，基本上不需要基础设施的支持。具体要求如下： 在不同的载波频率下实现20 kbps、40 kbps、100 kbps以及250 kbps四种不同的传输速率； 支持星状和点对点两种网络拓扑结构； 在网络中使用两种地址格式，16位和64位地址，16位地址由协调器分配，64位地址被用于全球唯一的扩展地址； 采用可选的时槽 保障（G

2、TS）机制； 采用冲突避免的载波多路侦听技术（CSMA/CA）； 支持ACK反馈机制，确保数据的可靠传输。第六章 通信标准IEEE 802.15.4网络又称为LR WPAN网络，在这个网络中，根据设备所具有的通信能力和硬件条件，可以将它分为全功能设备和精简功能设备。lIEEE 802.15.4标准第六章 通信标准LR WPAN： low-rate Wireless Personal Area Network 低速无线个人局域网IEEE 802.15.4的拓扑结构根据应用的场景可以分为两种，星状网络和点对点网络。在星状网络星状网络中，整个网络的数据传输都要经过网络协调器来进行控制，其余各个终端设

3、备只能与网络协调器进行数据的交换。在点对点网络点对点网络中，只要通信设备在对方的无线辐射范围内就可以与之通信。lIEEE 802.15.4标准第六章 通信标准IEEE 802.15.4网络协议栈定义了两个层：物理层和链路层，物理层是由射频收发器和底层控制模块组成，链路层为高层访问提供了访问物理信道的服务接口。lIEEE 802.15.4标准协议栈第六章 通信标准1物理层规范物理层规范在OSI参考模型中，物理层是模型的最底层，是保障信号传输的功能层，IEEE 802.15.4的物理层与OSI模型类似，主要负责信号的发送与接收，提供无线物理信道和MAC子层之间的接口等，它为链路层提供的服务包括物理

4、连接的建立、维持与释放，物理服务数据单元的传输，物理层管理和数据编解码。第六章 通信标准lIEEE 802.15.4标准物理层1）信道分配及调制方式2）物理层帧结构lIEEE 802.15.4标准物理层第六章 通信标准物理层的数据帧也可以称为物理层协议数据单元，每个PPDU帧由同步头、物理帧头和PHY负载组成，同步头包括1个前导码和1个帧起始分隔符（SFD），前导码由4个全0的字节组成，收发器在接收前导码期间会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步；帧起始分隔符SFD字段长度为1个字节，它的值固定为0 xA7，表明前导码已经完成了同步，开始接收数据帧。物理帧头中低7位用来表示帧长度，高位是保

5、留位。物理帧的负载长度可变，称为物理服务数据单元（PHY Service Data Unit，PSDU），一般用来承载MAC帧。lIEEE 802.15.4标准物理层第六章 通信标准3）物理层功能的实现所有的物理层服务均是通过物理层服务访问接口实现的，数据服务是通过物理层数据访问接口（PD-SAP）实现的，管理服务则是通过物理层管理实体访问接口（PLME-SAP）实现的，每个接口都提供了相关的访问原语。（1）信号的发送接收与编解码（2）物理信道的能量监测（Energy Detection，ED）（3）射频收发器的激活和关闭（4）空闲信道评估（Clear Channel Assessment，C

6、CA）（5）链路质量指示（LQI）（6）物理层属性参数的获取与设置lIEEE 802.15.4标准物理层第六章 通信标准IEEE 802.15.4标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即逻辑链路子层（LLC）和介质控制访问子层（MAC），MAC子层主要负责解决共享信道问题，IEEE 802.15.4标准规定MAC层实现的功能有： 采用CSMA/CA机制来解决信道冲撞问题； 网络协调器产生并发送信标帧，用于协调整个网络； 支持PAN网络的关联和取消关联操作； 支持时槽保障（CTS）机制； 支持不同设备的MAC层间可靠传输。lIEEE 802.15.4标准数据链路层第六章 通信标准1）信道

7、的时段分配）信道的时段分配首先来认识一个概念超帧。超帧是一种用来组织网络通信时间分配的逻辑结构，它将通信时间划分为活跃和不活跃两个时段：在不活跃期间，PAN网络中的设备不会相互通信，从而进入休眠状态来节省能量。网络的通信在活跃期间进行，活跃期间由可以分为三个阶段，即：信标帧发送时段、竞争访问时段（CAP）和非竞争访问时段（CFP）。lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准竞争访问时段竞争访问时段（CAP）: 设备通过CSMA/CA机制与网络协调器通信。非竞争访问时段非竞争访问时段（CFP）:又分为几个GTS，网络协调器在这个时段内只能与指定的设备进行通信。网络协调器在每

8、个超帧时段最多可以分配7个GTS，一个GTS可以占有多个时槽。lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准2）CSMA/CA算法算法lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准每个采用CSMA/CA算法的设备需要维护三个变量：NB、CW和BE。NB记录在当前帧传输时已经回退的次数，CW记录竞争窗口的尺寸，即监测到信道空闲后还需等待多长时间才能真正开始发送数据，BE是一个回退指数，是指在冲突后再次开始监测信道需要等待的时间（2BE1）。在 初 始 化 后 ， 对 于 基 于 时 槽 的CSMA/CA算法，先定位到回退时间的边界，然后等待指定的时间，开始信道

9、探测，直到信道为空闲，然后在等CW个回退周期长度，最后发送数据。发送程序必须确保当前的数据可以在CAP期间完成，才会进行发送，否则将保存到下一个超帧中发送。2）CSMA/CA算法算法lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准对于非时槽的CSMA/CA机制，监测到空闲信道后就可以直接发送数据。在发送过程中，如果多次探测信道的结果都一直为忙（NB大于某个设定的值），则需要向上层报告发送失败，由上层处理。为减少冲突以提高整个网络的吞吐量，有两种特殊情况时不采用CSMA/CA来进行数据的发送：一种是应答帧，另外一种就是紧接在数据请求帧之后的数据帧，它们可以直接发送。3）数据传输模

10、）数据传输模式式IEEE 802.15.4网络中存在三种数据传输模式：设备发送数据给网络协调器网络协调器发送数据给设备对等设备之间的数据传输lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准4）MAC子层的帧格式子层的帧格式MAC层帧结构的设计目标就是在保持低复杂度的前提下，实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。每个MAC子层的帧包括三个部分：帧头、负载和帧尾。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。负载长度大小可变，具体内容由帧类型决定。帧尾是一个16位的CRC效验码。 lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准MAC帧格式lZigee协议第六章 通信

11、标准ZigBee技术技术是一种面向自动化和无线控制的价格低廉、能耗小的无线网络协议，IEEE 802.15.4技术的出现推动了它在工业、农业、军事、医疗等专业领域的应用。ZigBee技术建立在IEEE 802.15.4协议之上，根据ZigBee联盟的规范，ZigBee在IEEE 802.15.4的基础上扩展了网络层和应用层，其协议栈如图 ZigBee协议中定义了三种设备：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备：ZigBee协调器协调器，它负责建立并启动一个网络，包括选择合适的射频信道、唯一的网络标识符等一系列操作。ZigBee路由器路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信

12、，能够拓展网络的范围，负责搜寻网络，并在任意两个设备之间建立端到端的传输。ZigBee终端设备终端设备作为网络中的终端节点，负责数据的采集。lZigee协议第六章 通信标准从功能上讲，网络层必须为IEEE 802.15.4的MAC子层提供支持，并为应用层提供合适的服务接口。为了实现与应用层的接口，网络层网络层从逻辑上被分为两个具有不同功能的服务实体：数据实体和管理实体。数据实体（数据实体（NIDE）接口）接口主要负责向上层提供所需的常规数据服务管理实体接口主要负责向上层提供访问接口参数、配置和管理数据的机制，包括配置新的设备、建立新的网络、加入和离开网络、地址分配、邻居发现、路由发现、接收控制

13、等功能。lZigee协议网络层第六章 通信标准lZigee协议网络层第六章 通信标准1网络建立：网络建立：ZigBee网络的建立是由某个节点开始的，只有一个未加入网络的协调器节点通过NLME-NETWORD-FORMATION.request原语来建立ZigBee网络，协调器利用MAC子层提供的扫描功能，设定合适的信道和网络地址后，发送信标帧，以吸引其他节点加入到网络中。2设备的加入：设备的加入：处于激活状态的设备可以直接加入网络，也可以通过关联操作加入到网络中。ZigBee网络层提供了NLME-JOIN.request原语来完成这个操作。网络层参考LQI值和网络深度两个指标来进行设备父设备的

14、选择，LQI即链路质量，网络深度表示该设备最少经过多少跳到达协调器，设备优先选择LQI值高、网络深度小的设备作为其父设备。确定好父设备后，设备向其父设备发送加入请求，经过父节点的同意后加入该网络，若父节点不接收该设备，则该设备重新选择一个父设备节点进行连接，直到最终加入网络。3. 设备段地址分配设备段地址分配：设备加入到网络之后，网络就会为其分配网络地址，网络地址的分配主要依据三个参数：最多子设备数、最大网络深度和最大路由数，其地址偏移量计算公式为：4. 设备的离开设备的离开：设备节点的离开有两种不同的情况：第一种是子设备向父设备请求离开网络，第二种是父设备要求子设备离开网络。当一个设备接收到

15、高层的离开网络的请求时，它首先请求其所有的子设备离开网络，所有子设备移出完毕后，最后通过取消关联操作向其父设备申请离开网络。lZigee协议网络层第六章 通信标准5邻居列表的维护邻居列表的维护邻居列表中包含传输范围内所有节点的信息，邻居列表的维护主要体现在以下几个方面： 节点接入网络时，从收到的信标帧中获取周围节点的信息，并添加到邻居列表中； Router和Coordinator将其子节点添加到邻居列表中； 当检测到节点离开其一跳范围时，并不是将节点的信息从邻居列表中移除，而是把Relationship项设置为0 x03，表示和该节点没有关系。lZigee协议网络层第六章 通信标准ZigBee的应用层由三个部分组成：应用支持子层、应用层框架和ZigBee应用对象（ZDO）。应用支持子层应用支持子层为网络层和应用层通过ZigBee设