无线传感器网络通信标准

《无线传感器网络技术》讲义第五章、通信标准2010年8月20日

内容提要IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献内容提要IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准概述网络组成及拓扑结构协议栈架构功能概述物理层规范信道分配及调制方式物理层帧格式物理层功能实现MAC子层规范MAC子层的信道访问方式MAC子层的帧格式MAC子层的功能实现IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准概述网络组成及拓扑结构协议栈架构功能概述

物理层规范信道分配及调制方式物理层帧格式物理层功能实现MAC子层规范MAC子层的信道访问方式MAC子层的帧格式MAC子层的功能实现IEEE802.15.4标准目标：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。IEEE802.15任务组TG1：制定IEEE802.15.1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IEEE802.15.2标准，研究IEEE802.15.1与IEEE802.11（无线局域网标准）的共存问题TG3：制定IEEE802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准。TG4：制定IEEE802.15.4标准，研究低速WPAN标准。IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准的主要特征：实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率；支持星型和点到点两种拓扑结构；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；采用可选的时槽保障（GuaranteedTimeSlots，GTS）机制；采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA-CA）的信道访问机制；支持ACK机制以保证可靠传输；低功耗机制；信道能量检测（EnergyDetection，ED）；链路质量指示（Linkqualityindication，LQI）；工作在ISM频段上，其中在2450MHz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；数据安全策略。IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE802.15.4标准相互通信的设备集合。全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）协调器：与RFD相关联的FFD设备PAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发IEEE802.15.4标准星型拓扑结构所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯网络协调器持续供电，其他设备电池供电适合家庭自动化、个人计算机外围设备、个人康护护理等小范围的室内应用IEEE802.15.4标准点到点拓扑结构任何两个设备之间都可以通讯网络协调器负责管理链路状态信息、认证设备身份等功能允许多跳路由的方式传输数据适合于设备分布范围广的应用（工业检测与控制）IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4协议栈栈架构基于开放系系统互连模模型（OSI）每一层都实实现部分通通信功能，，并向高层层提供服务务物理层由射射频收发器器和底层的的控制模块块组成数据链路层层的MAC子层为高高层访问物物理信道提提供点到点点通讯的服服务接口特定服务的的聚合子层层（SSCS）为IEEE802.15.4的MAC层接入IEEE802.2标准中中定义的链链路控制子子层（LLC）子层层提供聚合合服务LLC为应应用层提供供链路层服服务IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准功能能概述超帧结结构数据传传输模模型MAC层帧帧结构构数据可可靠传传输机机制低功耗耗策略略数据的的安全全服务务IEEE802.15.4标准准以超帧帧为周周期组组织LR-WPAN内设设备间间的通通讯信标帧帧包含含超帧帧将持持续的的时间间以及及对这这段时时间的的分配配等信信息超帧将将时间间划分分为活活跃和和不活活跃两两个部部分不活跃跃阶段段：设设备进进入休休眠状状态活跃阶阶段：：信标标帧发发送时时段、、竞争争访问问时段段和非非竞争争访问问时段段；划划分为为16个等等长时时槽CSMA-CA访问问机制制；IEEE802.15.4标准准IEEE802.15.4标准准概述述网络组组成及及拓扑扑结构构协议栈栈架构构功能概概述物理层层规范范信道分分配及及调制制方式式物理层层帧格格式物理层层功能能实现现MAC子层层规范范MAC子层层的信信道访访问方方式MAC子层层的帧帧格式式MAC子层层的功功能实实现IEEE802.15.4标准准信道分分配和和调制制方式式频段(MHz)扩频参数数据参数片速率(kchip/s)调制方式比特速率(kb/s)符号速率(ksymbol/s)符号868–868.6300BPSK2020二进制902–928600BPSK4040二进制868–868.6*400ASK25012.520-bitSPSS902–928*1600ASK250505-bitSPSS868–868.6*400O-QPSK1002516-ary正交902–928*1000O-QPSK25062.516-ary正交2400–2483.52000O-QPSK25062.516-ary正交注：*项为为可选选项目目，系系802.15.4-2006新新增内内容IEEE802.15.4标准准物理帧帧格式式Ocets：4字节1字节1字节可变前导码（preamble）SFD（帧起始分隔符）固定值：OXA7Framelength(7比特)Reserved(1比特)PSDU同步头(SHR)物理帧头(PHR)PHY负载IEEE802.15.4标准准物理层层功能能实现现数据的的发送送与接接收物理信信道的的能量量检测测(ED：：EnergyDetection)射频收收发器器的激激活与与关闭闭空闲信信道评评估(CCA：：clearchannelassessment)链路质质量指指示(LQI：：linkqualityindication)物理层层属性性参数数的获获取与与设置置IEEE802.15.4标准准IEEE802.15.4标准准概述述网络组组成及及拓扑扑结构构协议栈栈架构构功能概概述物理层层规范范信道分分配及及调制制方式式物理层层帧格格式物理层层功能能实现现MAC子层层规范范MAC子层层的信信道访访问方方式MAC子层层的帧帧格式式MAC子层层的功功能实实现IEEE802.15.4标准准IEEE802.15.4标准准的MAC子层层功能能采用CSMA-CA机制制来访访问物物理信信道；；协调器器对网网络的的建立立与维维护；；支持PAN网络络的关关联（（association））与取取消关关联（（disassociation）；；协调器器产生生信标标帧，，普通通设备备根据据信标标帧与与协调调器同同步；；间接传传输的的实现现(Transactionhandling)；在两个个MAC实实体之之间提提供数数据可可靠传传输；；可选的的GTS支支持；；支持安安全机机制；；IEEE802.15.4标准准中间协协调器器接收收和发发送信信标帧帧IEEE802.15.4标准准MAC层帧帧结构构目标标：用用最低低复杂杂度实实现多多噪声声无线线信道道环境境下的的可靠靠数据据传输输帧组成成地址格格式：：16位短短地址址和64位位扩展展地址址帧控制制字段段的内内容指指示地地址类类型帧的类类型：：信标标帧，，数据据帧，，确认认帧，，MAC命命令帧帧IEEE802.15.4标准准信标帧帧格式式超帧字字段：：持续续时间间；活活跃部部分持持续时时间；；竞争争访问问时断断持续续时间间GTS分配配释放放信息息：将将无竞竞争时时断划划分为为若干干个GTS，并并把每每个GTS具体体分配配给某某个设设备转发数数据目目标地地址：：列出出了与与协调调者保保存的的数据据相对对应的的设备备地址址信标帧帧负载载数据据：为为上层层协议议提供供数据据传输输接口口IEEE802.15.4标准准数据帧帧格式式传输上上层发发送到到MAC子子层的的数据据MAC服务务数据据单元元：数数据负负载传传送至至MAC子子层MAC帧：：MAC服务务数据据单元元+MHR头信信息+MFR尾尾信息息IEEE802.15.4标准准确认帧帧格式式如果设设备收收到目目的地地址为为其自自身的的数据据帧或或MAC命命令帧帧，并并且帧帧的确确认请请求位位设置置为1，设设备需需要回回应一一个确确认帧帧。确认帧帧的序序列号号应该该与被被确认认帧的的序列列号相相同，，并且且负载载长度度为0。确认帧帧紧接接着被被确认认帧发发送，，不需需要使使用CSMA-CA机制制竞争争信道道。IEEE802.15.4标准准命令帧帧格式式命令帧帧用于于组建建PAN，，传输输同步步数据据等。。命令帧帧有9种类类型。。命令帧帧的功功能：：把设设备关关联到到PAN；；与协协调器器交换换数据据；分分配GTS。命令帧帧的具具体功功能由由帧的的负载载数据据表示示。IEEE802.15.4标准准MAC子子层功能能实现PAN的的建立与与维护关联请求求与取消消与信标帧帧的同步步数据的间间接传输输方式数据的发发送，接接收与重重传GTS的的分配与与管理MAC子子层PIB的维维护MAC子子层的安安全策略略IEEE802.15.4标准设备关联联的消息息流程IEEE802.15.4标准设备发起起取消关关联的消消息流程程IEEE802.15.4标准与协调器器同步消消息流程程(信标标使能网网络)IEEE802.15.4标准GTS分分配过程程消息流流程图IEEE802.15.4标准GTS释释放消息息流程内容提要要IEEE802.15.4标准ZigBee标标准6LowPan草案主要参考考文献ZigBee技技术简介介-什么么是ZigBee?ZigBee是是一种新新兴的短短距离、、低功耗耗、低数数据速率率、低成成本、低低复杂度度的无线线网络技技术。ZigBee采采取了IEEE802.15.4强有力力的无线线物理层层所规定定的全部部优点：：省电、、简单、、成本又又低的规规格；ZigBee增加了了逻辑网网络、网网络安全全和应用用层。ZigBee联联盟预测测的主要要应用领领域包括括工业控控制、消消费性电电子设备备、汽车车自动化化、家庭庭和楼宇宇自动化化、医用用设备控控制等。。ZigBee技技术简介介-短程程无线网网络标准准WWANWMANWLANWPAN传输范围0.011010.11001000数据传输输率（Mbps）ZigBee技技术简介介-短程程无线网网络标准准文本因特网/声音压缩图片片多通道数数字图像像低<实际际数据传传输率>高短程<传传输范围围>长程程ZigBee技技术简介介-无线线网络标标准的比比较ZigBee技技术简介介-ZigBee与与IEEE802.15.4ZigBee是是一组基基于IEEE802.15.4无无线标准准研制开开发的，，有关组组网、安安全和应应用软件件方面的的技术，，IEEE802.15.4仅仅处理MAC层层和物理理层协议议，ZigBee联盟盟对其网网络层协协议和API进进行了标标准化。。ZigBee是是由ZigBeeAlliance所主主导的标标准，定定义了网网络层（（NetworkLayer)、、安全层层（SecurityLayer）、应应用层（（ApplicationLayer)、以及及各种应应用产品品的资料料（Profile））;而由由国际电电子电机机工程协协会（IEEE）所定定制的802.15.4标准准，则是是定义了了物理层层（PHYLayer)及及媒体存存取层（（MediaAccessControlLayer;MACLayer)。ZigBee技技术简介介-ZigBee协协议栈8位处理理器协议栈简简介紧凑凑4K-32k网络主节节点容纳纳网络内内所有节节点的设设备信息息、数据据包转发发表、设设备关联联表、与与安全有有关的密密钥存储储等。ZigBee技技术简介介-ZigBee频带带和数据据传输率率ZigBee技技术简介介-ZigBee物理理信道ZigBee技技术简介介-ZigBee网络络拓扑结结构星型网状型簇状型网络协调调器全功能设设备(FFD,Router):可可以支持持任何一一种拓扑扑结构，，可以作作为网络络协商者者和普通通协商者者，并且且可以和和任何一一种设备备进行通通信精简功能能设备(RFD):只只支持星星型结构构，不能能成为任任何协商商者，可可以和网网络协商商者进行行通信，，实现简简单。ZigBee技技术简介介-ZigBee网网络设备备类型网络协调调器：包含所有有的网络络消息，，是3种种设备类类型中最最复杂的的一种，，存储容容量最大大、计算算能力最最强。发发送网络络信标、、建立一一个网络络、管理理网络节节点、存存储网络络节点信信息、寻找一对对节点间的的路由消消息、不不断地接接收信息息。全功能设设备（FFD））：可以担任任网络协协调者，，形成网网络，让让其他的的FFD或是精精简功能能装置（（RFD）连结结，FFD具备备控制器器的功能能，可提提供信息息双向传传输。.附带由由标准指指定的全全部802.15.4功能和和所有特特征.更多的的存储器器、计算算能力可可使其在在空闲时时起网络络路由器器作用.也能用用作终端端设备精简功能能设备（（RFD）：RFD只只能传送送信息给给FFD或从FFD接接收信息息。.附带有有限的功功能来控控制成本本和复杂杂性.在网络络中通常常用作终终端设备备。.ZigBee相对简简单的实实现自然然节省了了费用。。RFD由于省省掉了内内存和其其他电路，，降低了了ZigBee部件的的成本，，而简单单的8位位处理器器和小协协议栈也有助助于降低低成本。。ZigBee技技术术简简介介-ZigBee网网络络设设备备类类型型ZigBee技技术术简简介介-ZigBee网网状状（（MESH））网网络络MESH网网状状网网络络拓拓扑扑结结构构的的网网络络具具有有强强大大的的功功能能，，网网络络可可以以通通过过多多级级跳跳的的方方式式来来通通信信；；该该拓拓扑扑结结构构还还可可以以组组成成极极为为复复杂杂的的网网络络；；网网络络还还具具备备自自组组织织、、自自愈愈功功能能。。ZigBee技技术术简简介介-ZigBee网网状状（（MESH））网网络络Mesh是是一一种种特特殊殊的的、、按按接接力力方方式式传传输输的的点点对对点点的的网网络络结结构构，，其其路路由由可可自自动动建建立立和和维维护护。。通过过以以上上ZigBeeMesh结结构构图图可可以以得得知知，，一一个个ZigBee网网络络只只有有一一个个网网络络协协调调器器，，但但可可以以有有若若干干个个路路由由器器。。协调调器器负负责责整整个个网网络络的的建建网网，，同同时时它它也也可可作作为为与与其其它它类类型型网网络络的的通通讯讯节节点点（（网网关关））。。构成成协协调调器器和和路路由由器器的的器器件件必必须须是是全全功功能能器器件件（（FFD）），，而而构构成成终终端端设设备备的的器器件件可可以以是是全全功功能能器器件件，，也也可可是是简简约约功功能能器器件件（（RFD).ZigBee技技术术简简介介-ZigBee网网状状（（MESH））网网络络ZigBee采采用用按按需需路路由由算算法法AODV，，在在节节能能和和网网络络性性能能上上都都有有着着很很大大的的优优势势。。AODV路路由由协协议议是是一一种种基基于于距距离离矢矢量量的的按按需需路路由由算算法法，，只只保保持持需需要要的的路路由由，，而而不不需需要要节节点点维维持持通通信信过过程程中中未未达达目目的的节节点点的的路路由由。。节节点点仅仅记记住住下下一一跳跳，，而而非非像像源源节节点点路路由由那那样样记记住住整整个个路路由由。。它它能能在在网网络络中中的的各各移移动动节节点点之之间间动动态态地地、、自自启启动动地地建建立立逐逐跳跳路路由由。。当链链路路断断开开时时，，AODV会会通通知知受受影影响响的的节节点点，，从从而而使使这这些些节节点点能能被被确确认认为为无无效效路路由由。。AODV允允许许移移动动节节点点响响应应链链路路的的破破损损情情况况，，并并以以一一种种及及时时的的方方式式更更新新网网络络拓拓扑扑。。AODV操操作作是是无无还还回回的的，，并并避避免免了了当当Adhoc网网络络拓拓扑扑变变化化时时快快速速收收敛敛的的无无限限计计算算问问题题（（特特别别是是当当一一个个节节点点进进入入网网络络时时））。。ZigBee技技术术简简介介-ZigBee通通信信可可靠靠性性保保证证物理理层层RF通通信信连连接接■直序序扩扩频频采采用用高高处处理理增增益益■明晰的信道道检测■对干扰能量量进行检测测协议■基于CRC的误码监监测/校正正■采取了避免免冲突的策策略CSMA/CA■为固定带宽宽的通信业业务预留了了专用的有有保证的时时隙■发送的数据据包都有待待于接收方方的确认，，如出现问问题进行重重发■保持数据包包的及时传传输PacketdatafreshnessZigBee技术简简介-ZigBee通信可可靠性保证证通信可靠机机制■ZigBee采用了了CSMA-CA的的碰撞避免免机制，同同时为需要要固定带宽宽的通信业业务预留了了专用时隙隙，避免了了发送数据据时的竞争争和冲突；；明晰的信信道检测■MAC层采采用了完全全确认的数数据传输机机制，每个个发送的数数据包都必必须等待接接受方的确确认信息。。网络的自组组织自语能能力强■ZigBee的自组组织功能：：无需人工工干预，网网络节点能能够感知其其他节点的的存在，并并确定连结结关系，组组成结构化化的网络；；■ZigBee自愈功功能：增加加或者删除除一个节点点，节点位位置发生变变动，节点点发生故障障等等，网网络都能够够自我修复复，并对网网络拓扑结结构进行相相应的调整整，无需人人工干预，，保证整个个系统仍然然能正常工工作。ZigBee技术简简介-ZigBee通信可可靠性保证证在低信噪比比的环境下下ZigBee具有有很强的抗抗干扰性能能。误码率信噪比dBbluetoothZigBee技术简简介-ZigBee通信可可靠性保证证ZigBee技术简简介-ZigBee技术优优势数据传输速速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注注于低传输输应用功耗低：在低功耗待待机模式下下，两节普普通5号电电池可使用用6-24个月成本低：ZigBee数据传传输速率低低，协议简简单，所以以大大降低低了成本网络容量大大：网络可容纳纳65000个设备备时延短：典型搜索设设备时延为为30ms，休眠激激活时延为为15ms，活动设设备信道接接入时延为为15ms。网络的自组组织、自愈愈能力强，，通信可靠靠数据安全：：ZigBee提供了了数据完整整性检查和和鉴权功能能，采用AES-128加密密算法（美美国新加密密算法，是是目前最好好的文本加加密算法之之一），各各个应用可可灵活确定定其安全属属性工作频段灵灵活：使用频段为为2.4GHz、86MHz（欧洲））和915MHz（（美国），，均为免执执照（免费费）的频段段ZigBee技术简简介-ZigBee应用条条件低功耗；低成本；较低的报文文吞吐率；；需要支持大大型网络接接点的数量量级；对通信服务务质量QoS要求不不高（甚至至无QoS）；需要可选择择的安全等等级（采用用AES-128）），+加密+发送鉴别别+报文的完完整性需要多方面面的较复杂杂的网络拓拓扑结构应应用；要求高的网网络自组织织、自恢复复能力。ZigBee技术简简介-ZigBee应用场场合无线传感器器网络WSN；带负载管理理功能的自自动抄表（（AMR））系统；智能交通、、油气生产产遥测遥控控通信系统统；监控照明、、HVAC和写字楼楼安全；农田耕作、、环境监测测、水利水水文监测无无线通信；；工业制造、、过程控制制遥测遥控控；对患病、设设备及设施施进行医疗疗和健康监监控；家庭监控、、HVAC、安防报报警系统运运用；有源RFID应用，，用于产品品运输、产产品跟踪、、存储较大大物品和财财产管理；；军事应用，，包括战场场监视和机机器人控制制；汽车应用，，配合传感感器网络报报告汽车所所有系统的的状态。内容提要IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案案主要参考文文献6LowPan草案案动机与存在在的问题协议报文转转换适配层层和帧格式式地址管理机机制Mesh网网络下的多多跳传输方方法及路由由邻居发现协协议6LowPan草案案协议栈结构构底层采用IEEE802.15.4规定的PHY层和和MAC层层，网络层层采用IPv6协议议。由于IPv6中，MAC支持持的载荷长长度远大干干6LowPan底底层所能提提供的载荷荷长度，为为了实现MAC层与与网络层的的无缝链接接，6Low-Pan工作组组建议在网网络层和MAC层之之间增加一一个网络适适配层，用用来完成包包头压缩、、分片与重重组以及网网状路由转转发等工作作。6LowPan的优优势普及性：IP网络络应用广泛泛，作为下下一代互联联网核心技技术的IPv6，也也在加速其其普及的步步伐，在LR-WPAN网络络中使用IPv6更更易于被接接受。适用性：IP网络络协议栈架架构受到广广泛的认可可，LR-WPAN网络完全全可以基于于此架构进进行简单、、有效地开开发。更多地址空空间：IPv6应用于LR-WPAN最大大亮点就是是庞大的地地址空间。。这恰恰满满足了部署署大规模、、高密度LR-WPAN网络络设备的需需要。支持无状态态自动地址址配置：IPv6中当节点点启动时，，可以自动动读取MAC地址，，并根据相相关规则配配置好所需需的IPv6地址。。这个特性性对传感器器网络来说说，非常具具有吸引力力，因为在在大多数情情况下，不不可能对传传感器节点点配置用户户界面，节节点必须具具备自动配配置功能。。易接入：LR-WPAN使使用IPv6技术，，更易于接接入其他基基于IP技技术的网络络及下一代代互联网，，使其可以以充分利用用IP网络络的技术进进行发展易开发：目前基于于IPv6的许多技技术已比较较成熟，并并被广泛接接受，针对对LR-WPAN的的特性对这这些技术进进行适当的的精简和取取舍，简化化了协议开开发的过程程。6LowPan的关关键技术IPv6和和IEEE802.15.4的协调调。IEEE802.15.4标准定义义的最大帧帧长度是127字节节．MAC头部最大大长度为25字节，，剩余的MAC载荷荷最大长度度为102字节。而而在IPv6中，MAC载荷荷最大为1280字字节。IEEE802.15.4帧帧不能封装装完整的IPv6数数据包。因因此，要协协调二者之之间的关系系，就要在在网络层与与MAC层层之间引入入适配层，，用来完成成分片和重重组的功能能。地址配置和和地址管理理。IPv6支持无状状态地址自自动配置，，相对于有有状态自动动配置的来来说，配置置所需开销销比较小，，这正适合合LR-WPAN设设备特点。。同时，由由于LR-WPAN设备可能能大量、密密集地分布布在人员比比较难以到到达的地方方，实