第2章 IEEE 802154无线传感器网络通信标准

1、IEEE 802.15.4无线传无线传感器网络通信标准感器网络通信标准 传感器网络中的应用一般并不需要很高的信道传感器网络中的应用一般并不需要很高的信道带宽，却要求具有较低的传输延时和极低的功带宽，却要求具有较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能在有限的电池寿命内完成任率消耗，使用户能在有限的电池寿命内完成任务。务。IEEE 802.15.4/ZigBee标准把低功耗标准把低功耗、低成本作为主要目标，为传感器网络提供了、低成本作为主要目标，为传感器网络提供了一种互联互通的平台，各个射频芯片厂商也陆一种互联互通的平台，各个射频芯片厂商也陆续推出支持该标准的无线收发芯片。续推出支持该标准的无线收

2、发芯片。 本章主要介绍了当前工业界已有的或正在制定本章主要介绍了当前工业界已有的或正在制定的与无线传感器网络协议想过的通信标准。包的与无线传感器网络协议想过的通信标准。包括括IEEE 802.15.4/ZigBee协议标准。协议标准。3本章内容简介IEEE802.15.4标准概述标准概述网络组成和拓扑结构网络组成和拓扑结构协议栈架构协议栈架构物理层物理层PHY规范规范MAC规范规范MAC/PHY信息交互流程信息交互流程基于基于IEEE802.15.4标准的无线传感器标准的无线传感器网络网络42.1 IEEE802.15.4标准概述标准概述 IEEE802.15.4通信协议是短距离无线通信的IE

3、EE标准，它是无线传感器网络通信协议中物理层与MAC层的一个具体实现。 IEEE 802.15.4标准，即IEEE用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范。该协议支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。LR-WPAN中的器件既可以使用在关联过程中指配的16位短地址，也可以使用64位IEEE地址。一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。5 IEEE 802.15.4标准具有如下特点： （1）支持简单器件。 （2）工作频段和数据速率。 （3）数据传输和低功耗。 （4）信标方式和超帧结构。 （5）自配置。 （6）安全性。2.1 IEEE8

4、02.15.4标准概述标准概述2.2 网络组成和拓扑结构网络组成和拓扑结构 IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可以组织成两种拓扑结构：星型网络拓扑结构和点对点网络拓扑。 在星型结构中，整个网络的形成以及数据的传输由中心的网络协调者集中控制，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。各个终端设备（FFD或RFD）直接与网络协调者进行关联和数据传输。2.2 网络组成和拓扑结构网络组成和拓扑结构 IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可以组织成两种拓扑结构：星型网络拓扑结构和点对点网络拓扑。 点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。但与星型网络不同

5、，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之都可以直接通信。2.3 协议栈架构协议栈架构 IEEE 802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型（OSI），每一层都实现一部分通信功能，并向高层提供服务。 IEEE 802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。 2.3 协议栈架构协议栈架构 MAC子层以上的几个层次，包括特定服务的聚合子层（Service Specific Convergence Sublayer， SSCS），链路控制子层（logical li

6、nk control，LLC）等，只是IEEE 802.15.4标准可能的上层协议，并不在IEEE 802.15.4标准的定义范围之内。 SSCS为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2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IEEE 802.15.4网络，为应用层提供链路层服务。 2.3 协议栈架构协议栈架构2.3 协议栈架构协议栈架构2.4.物理层物理层PHY规范规范 在OSI参考模型中，物理层处于最底层，是保障信号传输的功能层，因此物理层涉及与信号传输有关的各个方面，包括信号发生、发送与接收电路，数据信号的传输编码、同步与异步传输

7、等。物理层的主要功能是在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流。它为链路层提供服务包括：物理连接的建立、维持与释放、物理服务数据单元的传输、物理层管理、数据编码。 2.4.物理层物理层PHY规范规范 物理层数据服务包括以下五方面的功能： （1）激活和休眠射频收发器。 （2）信道能量检测（energy detect）。 （3）检测接收数据包的链路质量指示（link quality indication，LQI）。 （4）空闲信道评估（clear channel assessment，CCA）。 （5）收发数据。2.5.MAC规范规范 MAC子层提供两种服务：MAC层数

8、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的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。MAC 子层的参考模型如图所示。2.5.MAC规范规范 MAC子层主要功能包括下面八个方面： （1）如果设备是协调器，那么就需要产生网络信标； （2）信标的同步； （3）支持个域网络（PAN）的关联（association）和取消关联（disassociation）操作； （4）支持无线信道通信安全；（5）使用CSMA-CA机制访问物理信道；（6）支持时槽保障（guaranteed time slot， GTS）机制；（7）支持不同设备的MAC层间可靠传输。 （

9、8）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议器同步；2.6 MAC/PHY信息交互流程信息交互流程 无线网关的通信模型如图所示。2.6 MAC/PHY信息交互流程信息交互流程 模型主要包括以下3个方面： 无线通信机制。现场设备与无线网关之间数据通信采用了ZigBee无线通信技术。ZigBee无线通信技术采用CSMACA接入方式，有效避免了无线电载波之间的冲突，保证了数据传输的可靠性。其MAC层和物理层由IEEE802.15.4工作小组制定，NWK和APS则由ZigBee联盟来制定，其他部分ZDO（ZigBee设备对象）和ZAO（ZigBee应用对象），由用户根据不同应用来完成。

10、2.6 MAC/PHY信息交互流程信息交互流程 以太网协议转换。无线网关的接入功能主要体现在协议转换，即将ZigBee无线通信协议转换为以太网有线协议，通过以太网接入控制网络。IEEE802.3PHY和IEEE802.3 MAC为标准的以太网物理层和介质访问层，IEEE802.2 LLC提供以太网帧与IP层接口，传输层为标准TCP/UDP协议。2.6 MAC/PHY信息交互流程信息交互流程 上层服务接口（high layer service interface）。针对工业应用，无线网关要求提供上层服务及接口，使用户可以通过无线网关对现场设备进行组态、调校。上层服务接口位于ZigBee APS层与TCP/IP层之间，为系统实现各种服务提供通用接口。2.7 基于基于IEEE802.15.4标准标准的无线传感器网络的无线传感器网络 1.组网类型组网类型 本实例中，无线传感器网络采用星形拓扑结构，由一个与计算机相连的无线模块作为中心节点，可以跟任何一个普通节点通信。普通节点可以由一组传感器节点组成，如温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等，它们对周围环境中的各个参数进行测量和采样，并将采集到的数据发往中心节点，由中心节点对发来的数据和命令进行分析处理，完成相应操作。普通节点只能接受从中心节点传来的数据，与中心节点进行数据交换。2.7 基于基于IEEE802