第4章国际标准WSN芯片

1、1第4章 国际标准与WSN芯片2国际标准与WSN芯片提纲l无线标准与无线标准与IEEE 802.15.4lZigbee标准与标准与802.15.4lZigbee芯片功能介绍芯片功能介绍l其他其他WSN芯片介绍芯片介绍3无线接入标准概述无线通信技术的发展呈现三大趋势：无线通信技术的发展呈现三大趋势：宽带化、移动化和宽带化、移动化和IPIP化化4无线接入标准概述（续）5无线接入3G标准6无线WiFi国际标准802.11n802.11a/g802.11b802.117无线wifi标准比较8无线标准WIFI频段使用ISM频段频段802.11a802.11n9无线标准WIFI MIMO核心是Spatia

2、l Division Multiplexing利用空间上独立的多组收发天线来发送和接收多条数据流（spatial streams），从而以数据流倍数提高了吞吐。802.11n标准定义了最高可支持4条空间流。AP侧典型的是33，网卡侧典型的是22.10无线标准WIFI MIMO效能33、23和22的性能差异三根天线岂不是要比两根天线整整快50%？没有那么多，因为实际速率受其它参数的影响，但是由于33用的发射天线更多，可以使实际性能比23最多高20%左右。注：增加天线的个数可以提高空间分集的正交性。 11无线标准WIFI MIMO效能33主流的原因33天线是性价比最高的选择。 如果继续增加发送和接

3、收天线的数目，对传输速率的影响很小，从上图可以看出，如果使用34甚至44模式，系统的性能增加的很少，但系统的成本却直线上升，这个成本的增加体现在两方面，一方面是硬件系统复杂度增加，另一方面是系统耗电的增加和功耗增加带来的散热问题等。12无线标准WIFI OFDMOFDM技术是一种多载波调频技术，其主要思想是：将信道分为若干个正交子信道，然后将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，并调制到每个子信道上进行传输，在接收端分开正交信号并减少子信道间干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，所以它们的频谱是相互重叠的，这样一来不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率与数据传输率。

4、 11a/g所使用的OFDM提供48个子通道（可用的），MIMOOFDM提供了52个子通道（可用的），从而将速率从54Mbps提高到65Mbps.13无线标准WIFI APWA2612-AGN室内型室内型WA2610X-GN室外型室外型WA2610E-AGN 复杂型复杂型WA2620E-AGN WA2610-AGN14无线蓝牙国际标准n蓝牙的概念蓝牙的概念n 蓝牙(Bluetooth)是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数字通信的技术标准。 n 其目标是实现最高数据传输速度1Mbs(有效传输速度为721kbs)、最大传输距离为10米，用户不必经过申请

5、便可利用2.4GHz的ISM(工业、科学、医学)频带，在其上设立79个带宽为1MHz的信道，用每秒钟切换1600次的频率、滚齿方式的频谱扩散技术来实现电波的收发。15无线蓝牙协议栈16无线蓝牙国际标准4.0n蓝牙4.0为蓝牙3.0的升级标准 n蓝牙4.0最重要的特性是省电科技，极低的运行和待机功耗可以使一粒纽扣电池连续工作数年之久。此外，低成本和跨厂商互操作性，3毫秒低延迟、100米以上超长距离、AES-128加密等诸多特色，可以用于计步器、心律监视器、智能仪表、传感器物联网等众多领域，大大扩展蓝牙技术的应用范围。 n蓝牙4.0依旧向下兼容，包含经典蓝牙技术规范和最高速度24Mbps的蓝牙高速

6、技术规范。三种技术规范可单独使用，也可同时运行。 n现在的蓝牙4.0已经走向了实用，在最新款的MacBook Air上已经应用了蓝牙4.0技术。 17无线蓝牙标准4.0n超低的峰值、平均和待机模式功耗 n 使用标准纽扣电池可运行一年乃至数年 n 低成本 n 不同厂商设备交互性 n 无线覆盖范围增强 18无线标准802.15.4系列标准IEEE802.15.4系列标准简介系列标准简介IEEE802.15.4-2006国际标准主要对IEEE802.15.4-2003国际标准的物理层进行修改，在868/915Mhz频带上 传输O-QPSK和ASK调制，允许在信标为起始的PAN中队广播信息进行同步，确

7、保传输作为重要的工作方式的选择以及网络建立等。威讯紫晶公司拥有基于 该标准的MAC层软件。IEEE 802.15.4c国际标准主要是针对中国市场而制定的物理层和介质链路层技术规范，是对原IEEE 802.15.4标准的补充。在物理层和介质链路层的核心技术规范上，专门针对中国无线管理委员会开放的780MHz频段进行了补充。在物理层技术规范 上，支持O-QPSK和MPSK两种调制方式，数据率支持250kbps，总共信道带宽共计10MHz，分为四个子信道，每个子信道占用2MHz带宽。在 介质连路曾技术规范上，沿用IEEE 802.15.4标准的技术规范。IEEE 802.15.4e国际标准主要是对I

8、EEE 802.15.4国际标准的介质连路层技术规范进行了补充了修改，进一步改善CSMA机制的性能，利用新规范的超帧结构来加强网络通信信能和对网络变化的鲁棒性。19无线标准802.15.4系列标准（续）IEEE 802.15.4g国际标准将在介质连路层技术规范上得到进一步加强，更加针对特定行业应用进行网络通信技术的升级。标准的创新点：IEEE 802.15.4c国际标准在物理层和介质链路层的核心技术规范上，专门针对中国无线管理委员会开放的780MHz频段，除了将原有IEEE 802.15.4标准的物理层和介质链路层技术为该频段进行修改外，还经过多次讨论和论证，正式将中国无线个域网国际标准采纳为

9、可选标准，在国际标准的层 面正式全面接受包含自主知识产权的中国国家标准和核心技术。主要内容体现在物理层技术规范上，同时支持基于原IEEE 802.15.4标准的O-QPSK调制方式，还支持中国国家标准规定的MPSK调制方式。这是中国标准首次被国际标准采纳为其核心技术规范体系。IEEE 802.15.4e标准在介质链路层方面通过对超帧的进一步定义和优化，增强了网络通信对网络规模变化的鲁棒性，更加高效的调整网络来适应新节点的加入和网络拓扑的变化，并保证数据传输的可靠性。IEEE 802.15.4g标准则是针对无线传感器网络在绿色电网行业方面的应用，对介质层技术规范提出改进，以适应特性应用需求的网络

10、层技术实现。20无线标准802.15.4系列标准（续）中国相关企业主导制定通过的国际和国家标准中国相关企业主导制定通过的国际和国家标准IEEE802.15.4b于2006年正式发布并被定为IEEE802.15.4-2006IEEE 802.15.4c标准编号是IEEE Std 802.15.4c-2009，已于2009年3月正式颁布GB/T15629.15.2010 国家标准已于2010年10月正式颁布中国相关企业正在参与制定的国际标准中国相关企业正在参与制定的国际标准IEEE 802.15.4e标准已于2008年3月正式立项，预计2012年正式完成出版IEEE 802.15.4g标准已于20

11、09年底完成立项，预计2012年正式完成出版IEEE 802.15.4K标准在2010年底完成立项IEEE 802.15.4j标准在2010年底完成立项无线医用传感网频谱使用规范21无线标准802.15.4概述22无线标准802.15.4特点n数据传输速率低：数据传输速率低：10KB/秒秒250KB /秒，专注于低传输应用秒，专注于低传输应用n功耗低：功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用号电池可使用624个月个月 n成本低：成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本 n网络容量大：网络容

12、量大：网络可容纳网络可容纳65,000个设备。个设备。n时延短：时延短：通常时延都在通常时延都在15ms30msn安全：安全： ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）n有效范围小：有效范围小：有效覆盖范围有效覆盖范围1075米，具体依据实际发射功率大小米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定和各种不同的应用模式而定n工作频段灵活：工作频段灵活：使用频段为使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和（欧洲）和91

13、5MHz（美国），均为免执照（美国），均为免执照（免费）的（免费）的频段频段n传输可靠：传输可靠：采用碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的业务预留专采用碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的业务预留专用时隙。用时隙。23IEEE 802.15.4标准n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。nIEEE 802.15任务组TG1：制定IEEE 802.15.1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IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与IEEE 802.11（无线局域网标准）的共存问题TG3：制定IEEE 8

14、02.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准。TG4：制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准。24IEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准的主要特征：n实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率；n支持星型和点到点两种拓扑结构；n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；n采用可选的时槽保障（Guaranteed Time Slots，GTS）机制；n采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access w

15、ith collision avoidance，CSMA-CA）的信道访问机制；n支持ACK机制以保证可靠传输；n低功耗机制；n信道能量检测（Energy Detection，ED）；n链路质量指示（Link quality indication，LQI）；n工作在ISM频段上，其中在2450 MHz 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；n数据安全策略。25IEEE 802.15.4标准nIEEE 802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的设备集合。n全功能设备（FFD）和精简功能设备（R

16、FD）n协调器：与RFD相关联的FFD设备nPAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发26IEEE 802.15.4标准星型拓扑结构 n所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯n网络协调器持续供电，其他设备电池供电n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27IEEE 802.15.4标准点到点拓扑结构 n任何两个设备之间都可以通讯n网络协调器负责管理链路状态信息、认证设备身份等功能n允许多跳路由的方式传输数据n适合于设备分布范围广的应用（工业检测与控制）28IEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4 协议栈架构n基于开放系统互连模型（OSI

17、）n每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务n物理层由射频收发器和底层的控制模块组成n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n特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务nLLC为应用层提供链路层服务29IEEE 802.15.4标准nIEEE 802.15.4标准功能概述n超帧结构n数据传输模型nMAC层帧结构n数据可靠传输机制n低功耗策略n数据的安全服务 30IEEE 802.15.4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

18、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；31802.15.4标准解读802.15.4-2006802.15.4a-2007802.15.4a-200732无线标准802.15.4特点局限：局限：n普通的普通的CSMA-CA的空口效率低，的空口效率低，吞吐量小，即使吞吐量小，即使GTS模式，也模式，也相对较低。相对较低。n节点睡眠调度简单，省电有限；节点睡眠调度简单，省电有限；n路由发现复杂，路由开销大；路由发现复杂，路由开销大；nMAC协议栈相对复杂，对

19、动态协议栈相对复杂，对动态组网的支持有限；组网的支持有限；n完整安全框架实现复杂；完整安全框架实现复杂；优点：优点：n有现成的标准依托；有现成的标准依托；n开发厂商多，有参考协议栈；开发厂商多，有参考协议栈；n芯片成熟且比较丰富；芯片成熟且比较丰富；n信息安全框架较为完善；信息安全框架较为完善；33国际标准与WSN芯片提纲l无线标准与无线标准与IEEE 802.15.4lZigbee标准与标准与802.15.4lZigbee芯片功能介绍芯片功能介绍l其他其他WSN芯片介绍芯片介绍34Zigbee协议栈与802.15.4标准IEEE 802.15.4definedZigBeeTMAlliance

20、definedEnd manufacturerdefinedLayerfunctionLayerinterfacePhysical (PHY) LayerMedium Access Control (MAC) LayerNetwork (NWK) Layer-Application Support Sublayer (APS)APS MessageBrokerManagementAPS SecurityManagementReflectorManagementApplicationObject 240ApplicationObject 1Application (APL) LayerZigBe

21、e Device Object (ZDO)Endpoint 240APSDE-SAPEndpoint 1APSDE-SAPEndpoint 0APSDE-SAPNLDE-SAPMLDE-SAPMLME-SAPPD-SAPPLME-SAPSecurityManagementMessageBrokerRoutingManagementNetworkManagement2.4 GHz Radio868/915 MHz RadioSecurityServiceProviderZDO PublicInterfacesApplication FrameworkZDO Management PlaneAPS

22、ME-SAPNLME-SAPNLME-SAP35什么是zigbeeq ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。无线网络技术。q 主要用于近距离无线连接。它依据主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。感器之间相互协调实现通信。802.15.4强调的就是省电、简单、成本又低的规强调的就是省电、简单、成本又低的规格。格。802.15.4的物理层（的物理层（PHY）采用直接序列展频（）采用直接序列展频（DSSS，Di

23、rect Sequence Spread Spectrum）技术，将一个）技术，将一个bitbit符号扩展为多个符合，再经由成帧后发符号扩展为多个符合，再经由成帧后发送。在媒体存取控制（送。在媒体存取控制（MAC）层方面，主要是沿用）层方面，主要是沿用WLAN中中802.11系列标准系列标准的的CSMA/CA方式。所谓的方式。所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作，若有产生碰撞，则据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作，若有产生碰撞，则稍后重新再传。可使用的频段有稍后重新再传。可使用的频

24、段有3个，分别是个，分别是2.4GHz的的ISM频段、欧洲的频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。个。 q 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。动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。36zigbee标准解读zigbee-2008详细讲述标准的文档结构37Zigbee与802.15.4qZigBee是一组基于是一组基于IEEE批准的批准的 802.1

25、5.4无线标准研制开发的、有关组网、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。安全和应用软件方面的技术。 IEEE 802.15.4仅处理仅处理MAC层和层和物理层协议，物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和联盟对其网络层协议和API进行了标准化。进行了标准化。q一个真正的一个真正的ZigBee，由，由ZigBee Alliance所主导的标准，定义了网络层所主导的标准，定义了网络层（Network Layer）、）、安全层（安全层（Security Layer）、）、应用层（应用层（Application Layer）、）、以及各种应用产品的资料（以及各种应用产品的资料（

26、Profile）；）；而由国际电子电机工程而由国际电子电机工程协会（协会（IEEE）所制订的所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（标准，则是定义了物理层（PHY Layer）及媒体存取层（及媒体存取层（Media Access Control Layer；MAC Layer）。）。qZigBee协议套件的基本需求：协议套件的基本需求： 8位处理器位处理器 协议套件软件需要协议套件软件需要32K字节的字节的ROM 最小协议套件软件需要最小协议套件软件需要4K字节字节的的ROM 通常，网络主节点需要更多的通常，网络主节点需要更多的RAM，以容纳网络内所有节点的设备以容纳网络内所有节点的设

27、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信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等38Zigbee联盟简介nZigBee联盟组成成立于2001年9月成员为半导体厂商、无线IP供应商、OEM厂商及终端用户拥有150个成员，包括飞思卡尔、菲利普、三菱、三星、IBM及华为等nZigBee联盟的宗旨在一个开放式全球标准的基础上使稳定的、低成本的、低功耗的、无线联网的监控和控制产品成为可能39Zigbee联盟CompXs 为了推动为了推动ZigBeeZigBee技术的发展，技术的发展，ChipconChipcon、EmberEmber、FreescaleFreescale、HoneywellHoneywell、MistubishiMistubishi、MotorolaMotorola、PhilipsPhilips和和SamsungSamsung等公司共同成立了等公司共同成立了ZigBeeZigBee联盟联盟(ZigBee (ZigBee Alliance)Alliance)，包括有许多，包括有许多IC设计、家电、通讯设备、设计、家电、通讯设备、IP服务提供、玩具等厂商相继加服务提供、玩具等厂商相继加入入, ,目前该联盟目前该联盟已经包含已经包含150150多家会