短距离无线通信系统及仿真课件 第二十讲 ZigBee技术

ZigBee协议栈在网络中，为了完成通信，必须使用多层上的多种协议。这些协议按照层次顺序组合在一起，构成了协议栈(ProtocolStack)。协议栈是指网络中各层协议的总和，一套协议的规范。它形象的反映了一个网络中文件传输的过程：由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。使用最广泛的是因特网协议栈，由上到下的协议分别是：应用层（HTTP，TELNET，DNS，EMAIL等），运输层（TCP，UDP），网络层（IP），链路层（WI-FI，以太网，令牌环，FDDI等）ZigBee协议栈ZigBee协议栈各层的功能PHY:定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务，主要是在驱动程序的基础上，实现数据传输和管理。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，管理服务包括信道能量监测(ED)，链接质量指示(LQI)，载波检测（CS）和空闲信道评估(CCA)等，维护一个由物理层相关数据组成的数据库。MAC:MAC层数据服务和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，而后者从事MAC层的管理活动，并维护一个信息数据库。NWK:加入和退出网络，申请安全结构，路由管理，在设备之间发现和维护路由，发现邻设备，储存邻设备信息。APL:包括APS和ZDO。APS:维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息；ZDO:定义设备在网络中的角色、发起和响应绑定请求、在网络设备之间建立安全机制。ZigBee协议栈ZigBee协议栈结构由一组被称作层的模块组成。每一层为上面的层执行一组特定的服务：数据实体提供了数据传输服务，管理实体提供了所有其它的服务。每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为上层提供一个接口，每个SAP支持多种服务原语来实现要求的功能。物理层物理层是整个协议栈最基础的部分，包括物理信号的接收和发送处理，信号测量，以及收发机状态调整和参数设置等基本功能。以下从基带处理、无线电规格、物理层功能三方面加以介绍。IEEE802.15.4标准基带处理之一：IEEE802.15.4一共定义了三种物理层基带方式，分别工作在868MHz（868－868.6MHz），915MHz（902－928MHz），2.4GHz(2.4-2.4835GHz)。每一频段宽度不同，其分配信道的个数也不相同，IEEE 802.15.4规范标准定义了27个物理信道，信道编号从0到26，在不同的频段其带宽不同。其中，2400 MHz频段定义了16个信道，915 MHz频段定义了10个信道，868 MHz频段定义了1个信道。工作频段这些信道的中心频率定义如下:fc=868.3MHz(k=0)

fc=906+2(k－1)MHz(k=1，2，…，10)fc=2405+5(k－11)MHz(k=11，12，…，26)其中，k是信道编号。由于各个国家和地区采用的工作频率范围不同，为提高数据传输速率，IEEE802.15.4规范标准对于不同的频率范围，规定了不同的调制方式，因而在不同的频率段上，其数据传输速率不同，具体调制和传输速率如表所示。频段/MHz扩展参数数据参数码片速率/kc·s-1调制比特速率/kb·s-1符号速率/kBaud·s-1符号868～868.6300BPSK2020二进制902～928600BPSK4040二进制2400～2483.52000O-QPSK25062.516相正交基带处理之二：

物理层帧包括同步包头、物理层包头和物理层净荷3个部分物理层帧结构允许接收设备锁定在比特流上，并且与该比特流保持同步包含帧长度的信息长度变化的净荷，携带MAC层的帧信息收发机根据前同步码引入的消息，可获得码同步和符号同步的信息帧定界符由一个字节组成，用来说明前同步码的结束和数据包数据的开始帧长度占7个比特，它的值是PSDU中包含的字节数(即净荷数)帧定界符的格式基带处理之三：物理层帧形成之后会按照发送顺序进行发射端的基带处理，在ZigBee中，分为3个射频频段，并采用不同的编码方式。868－868.6MHz(在该频段上仅仅有1个信道，编号为信道“0”，其中心频率为868.3M)的发射基带处理过程如图：基带的规定物理层帧数据比特的原始速率为20Kbps，先进行差分编码，然后进行比特到码片的变换，最后经BPSK调制形成基带输出。差分编码的方法是每个原始比特与前一个已编码的比特进行模二加运算操作（或以相邻码元的极性改变表示信码1，极性不变表示信码0）。比特到码片的变换则是把比特“0”变换为包含15个码片的码片序列“111101011001000”（从左到右分别是码片0到码片14），比特“1”变换为取反的码片序列。这个变换实际也是一个直接序列扩频的过程，码片变换后的码片速率为300Kchip/s。在形成码片序列后，对码片序列进行BPSK调制。902－928M：该频段一共有10个信道，信道编号从信道“1”到“10”，信道k的中心频率为[906＋2（k-1）]MHz)。该频段的发射基带的处理与868M频段的完全相同，只不过物理层帧数据比特的原始速率为40Kbps，扩频后的码片速率为600K。2.4-2.4835GHz：该频段一共有16个信道，信道编号从信道“11”到信道“26”，信道K的中心频率为[2405+5(k-11)]MHz，信道间隔为5M。该频段发射基带的处理过程如图：物理层帧数据比特的原始速率为250Kbps，先进行比特到符号的变换，每4个比特映射为1个符号，这样每个字节的低4比特和高4比特分别映射成1个符号。然后每个符号又进行符号到码片的变换，每个符号对应一个32个码片的序列，例如符号“0”，即比特组“0000”对应码片序列“110110011100001101010010001011110”，经过扩频因子为32的扩频后，码片速率变成2M。在形成码片序列后，对码片序列进行O－QPSK调制。扩展后的码元序列通过采用半正弦脉冲形式的O-QPSK调制方法，将符号数据信号调制到载波信号上。其中，编码为偶数的码元调制到I相位的载波上，编码为奇数的码元调制到Q相位的载波上，为了使I相位和Q相位的码元调制存在偏移，Q相位的码元相对于I相位的码元要延迟Tc（单位为秒）发送。半正弦脉冲形式的基