ZigBee无线网络和收发器MAC

第1页/共31页1第三章ZigBee和IEEE802.15.4协议层——————————————————————物理层的全部内容由outman翻译1.1ZigBee和IEEE802.15.4网络层1.2ZigBee和IEEE802.15.4物理层这个图含的信息量可能需要贯穿在我们的整个学习过程中了，此处先不详解，只是先作为“上方宝剑”挂出来，这个是整个这一章的脉络。不过，还是要来认识下这里面的几位关键“人物”的：第一位叫“PHY”――物理层，他是最底层的员工，最终把这些“0”和“1”送到空气中的活就是他干的；第二位叫“MAC”――介质读取第2页/共31页控制层（这个家伙肯定是老外，连个像样的中文名都没有）；第三位叫“NWK”――网络层，这是个中层干部，属于实干家型（就是公司里电话最多的那种领导）；第四位叫“APL”――应用层，有同学问了，这层里面怎么这么复杂？说实话，我也还没弄明白呢，不过按常理来说，高层复杂是应该的，到我们的政府机关看看就知道啦~~~另外，下面两层是由IEEE802.15.4来定义的，而中层领导上的就是由Zigbee组织来定义的，那什么是我们定义的呢？就是这个“协议栈”上面的，那就是最高最高的领导啦~~~第三章，第一层――“PHY”――物理层1.2.1频率安排首先，我们从干活的这个小兄弟开始认识。他要把一个比特送到空中，是有几条航线可以选的，就这是所谓的“频道”，每一个频道对应一个频率，而每一个频道又有几种调制方式，我们可以理解为坐不同的“飞机”。下图是IEEE802.15.4中对频道的安排：对于这里面的“频道页”的定义，不是太清楚为什么要这样定义，不过我觉得用前面说的“飞机”的概念，更容易理解些。有三种不同的飞机，每种飞机都可以第3页/共31页走0-26，共27条航线，这就是“物理层”在送数据的时候要做出的选择。其中，0号航线的频率是868MHZ，915M上有10条航线，其频率可以通过下面公式计算：中心频率(MHz)＝906+2×(频道号–1)同样，2.4G波段上的频率值为：中心频率(MHz)＝2405+5×(频道号–1)1.2.2能量检测——ED就像航空公司一样，“比特”想要“飞”起来，也是有“航空管制”的，在起飞前要确认下航道有没有被占用，这可不能像开车，塞车了就等会，飞机要在空中停了，那不得掉下来（我小时候总这么想~）。能量检测就是用来实现这个目的的，当然，这只是个“能量”检测，它不会去区分到底是谁在占用“航道”，它只检测有或者没有。当然，这也是物理层的上级――MAC层给他的任务之一，不过允许他不用百分百准确，允许10db的误差，结果会以一个8比特的字节向上报告。1.2.3载波检测――CS载波检测也是检测当前频道能不能用的，但与ED不同，上面说了ED不会去区分到底是谁在占用“航道”，但是CS会的，它会根据载波的特征去判断当前占用“航道”的是不是与自己一样的IEEE802.15.4物理层信号，如果是，那不管ED值是多少，都会返回一个“频道忙”的信息。1.2.4连接质量指示――LQI还记得电脑的WIFI指示吧，我也不了解WIFI协议，但我想这应该是相同的东西吧。在802.15.4中，有两种检测连接质量的方法，一个是检测“接收信号强度”――RSS，另外一个是检测“信噪比”――SNR。RSS值是通过检测接收到的信号的全部能量情况来判断的。又有人举手了？这位同学有什么问题？――什么，这是怎么做到的？呃、、、这个我真不懂，不过我知道肯定有个寄存器来读的。至于这个值是怎么来的，你还是问下做IC的人，或者你找个不是那么忙的教授，说不定他知道~~~不过这位小同学啊，看你问这个问题，我得多说你几句了。你这么“叫真”不第4页/共31页好，倒不是打击你，我知道你说不定能成个人物，不过，学习是要讲“深度”和“广度”并举的，如果什么事情都一头钻进去，你会迷路的。。。我们继续，那“信噪比”SNR，顾名思义，就是信号除以噪声的比率了。当然，值越大表示信号质量越好。每一个接收到的数据包都会做一个LQI的测量，它至少有八个等级。这个测量是物理层很重要的一个任务，因为这个值不但他的直属领导－MAC层要用到，他的上几层领导－网络层和应用层都用得到。比如说网络层（NWK）在选择路由的时候，LQI就是一个很重要的指标，LQI值高的路径当然要优先考虑，当然，这也只是一个因素，比如说这个LQI高的路径里的设备都是电池供电的，那么在频繁选择这个路径的同时，必然会导致这些设备电池寿命缩短。所以，一定要多方面权衡――这就体现了“领导”的作用。。。1.2.5空闲频道评估――CCA（注：本教程里的中文名称可能不符合标准，只是方便笔者说明问题，如对名称有异议，欢迎在本教程论坛－中讨论）这里有一个很重要的名词叫“CSMA-CA”，听起来就像高科技，不知道和CDMA有没什么关系（做通讯的朋友开始扔砖头了~~~）它有一个不太帅的中文名字叫“载波侦听多点接入/冲突避免”，笔者现在还无法对这个概念做个定义，不过倒是可以用“白话”翻译一下。在上文中我们看到，当我们的“PHY层”小弟要发送一个比特的时候，要面临那么多选择，走哪个航线，选什么样的飞机等等，那这么复杂的决策，“小弟”能搞得定吗？要两个“小弟”都在争一个位置，打架了怎么办？按社会常理来看，这应该不是哪个人决定的，而是有个“制度”，这样说，能理解不？当然，制度也是要人来执行的，一个最底层的工作叫“空闲频道评估”――CCA，这个也是由我们的小弟“物理层”来做的。他要告诉MAC层，当前频率有没有被其它设备占用。而且这个工作不能只做一次就汇报，要检测8个符号周期。在IEEE802.15.4物理层协议中，有三种CCA模式：1.只检测ED值。只要ED值高于一个门限就认为当前频道被占用。这个门限值可以由设计者来定义。2.只由CS结果来决定。只要CS的检测结果为:当前频道被IEEE802.15.4定义的设备占用，则返回频道忙。3.由上述两个值的“与”或者“或”逻辑来决定。也说是说●ED值高于门限“并且”有802.15.4设备占用，则认为频道忙●ED值高于门限“或者”有802.15.4设备占用，则认为频道忙第5页/共31页那究竟采用哪种CCA模式呢？这个可以通过PHY属性值phyCCAMode来设置。这个值也是PHY-PIB值的一部分，下面的章节会对这个概念进行介绍。1.2.6物理层常量和属性首先说明一下“常量”和“属性”这两个词，所谓的常量就是说在“编译”好之后不能变的量；而属性则是可以改变的。在Zigbee协议栈中，每一层都有自己的常量和属性。如表3.2所示，物理层中只有两个常量，aMaxPHYPacketSize指示“物理层服务数据单元”――PSDU不能超过127字节；而aTurnaroundTime说明一个设备由接收状态转为发送状态的最大时间，也就是说一个接收器必须在12个符号周期内完成接收任务。同时要说明的一点是，PHY和MAC层的所有常量都有一个前缀“a”，这是Zigbee协议的规定，NWK和APL层分别以前缀“nwkc”和“apsc”开始。物理层的“属性”包含在“物理层PAN信息基准表”――PHY-PIB中，这个表是专门用来管理物理层服务的，详细信息在表3.3中，其中有（+）标志的为只读属性，上层只可以对此类属性进行“读”操作，只有物理层自己才能“写”；而有（*）标志的属性，其个别指定位为“只读”；其余的属性则可读可写。后面章节会对每个属性详细阐述。第6页/共31页1.2.7物理层服务我们研究了半天物理层是怎么工作的，下面看下我们到底怎么“吩咐”他，他到底提供了哪些“服务”。物理层提供了两种类型的服务，一种是数据服务，一种叫物理层管理服务。顾名思义，数据服务通过无线电波对“物理协议层数据单元”――PPDU进行发送和接收，说简单点就是收发数据；另外，物理层中包含了一个叫“物理层管理实体”――PLME的一个管理单元，如下图所示，数据服务是通过PD-SAP实现的，而物理层管理服务是通过PLME-SAP来实现的，其中PLME也包含上文所述的PHY-PIB。第7页/共31页1.2.7.1物理层数据服务咦，这个图是不是上错位置啦？怎么还是1.11呢？不会啦，像俺这么仔细的人，咋会犯这种低级错误呢~~~感觉这个地方应该补补课了，这个图里面有一个很重要的概念，就是“Payload”，字面理解，就是要付费的信息，那其他的信息不用“付费”吗？恩，可以这样理解，除了Payload之外的信息都是些辅助信息，免费赠送啦~~PHY的Payload就是整个MAC层数据，MAC层的Payload就是整个NWK层数据，以此类推。从上图中我们也容易看出，每一层都会增加一些本层的辅助信息，然后传递给下层去传输。回到这节的主题，物理层的数据服务到底可以做哪些事情呢？简单地来说，就是为MAC层提供了“MAC协议层数据单元”――MPDU的传输，这个名字不陌生吧，前面我们不是刚讲了一个PPDU吗？当然还会有NPDU和APDU啦，道理都一样，就不一一介绍啦。不过，不要忘记那些“免费赠送”的信息哦，那也是很重要的，比如LQI信息等等。如果传输服务失败，会返回下面几种原因之一1、发送器工作不正常2、发送器在接收模式，一个设备同时只能在接收和发送中的一种状态3、发送器忙再上一个图来直观表示下各层间的通讯第8页/共31页这个图貌似复杂，但谁让咱都是“炎黄子孙”呢，用老祖宗的一句话就能理解这个图了――兵对兵，将对将。。。1.2.7.2物理层管理服务如图3.2，此服务名为PLME-SAP，它会在PLME和MLME中传递命令信息。它提供的服务有如下几种：1、空闲频道评估――CCA2、能量检测――ED3、打开/关闭发送器4、从PHY-PIB中获取信息5、设置PHY-PIB属性1.2.7.2.1空闲频道评估――CCA其概念已在前面讲解过，这里看下它可能返回的结果：第9页/共31页1.发送器异常，那CCA就没意义了2.频道空闲，可以传输3.频道或者发送器忙，这两种情况PLME不再做区分，均返回“忙”1.2.7.2.2能量检测――EDED检测请求由MLME发出，由PLME执行，最终结果返回MLME。1.2.7.2.3打开/关闭发送器MLME可以通过PLME让发送器进入以下三种状态之一：发送器关闭、发送器打开和接收器打开1.2.7.2.4从PHY-PIB中获取信息同样，读取请求由MLME发出，由PLME执行，最终属性返回MLME1.2.7.2.5设置PHY-PIB属性除了只读属性外，MLME可通过PLME设置PHY－PIB的属性1.2.8服务原语在802.15.4和Zigbee协议中，用“原语”的概念来描述相邻两个层间的服务，层间调用函数或者传递信息，都可以用原语来表示。虽然，在整个系统中，有很第10页/共31页多不同的层，但是层间的通讯方式是非常相似的。比如PHY、MAC与NWK层都为他们的上一级提供数据服务，其请求数据服务的机制类似：高层通过D－SAP向下级请求传输，下级传输成功后将状态返回给上级。正是由于这种相似性，才让“服务原语”这种方式显得格外重要。每一个原语要么执行一个指令，要么返回一个之前指令的运行结果。原语也会带着指令运行需要的参数。上图描述了某层为其上层提供服务的一般方法，如图所示，有四种类型的原语：请求、指示、响应和确认。换句话说，在802.15.4和Zigbee标准中的所有服务都可以归类为上述四种原语之一。原语用下面的格式来描述：(注：出于本文读者多数为现在或者未来的软件工程师，后面直接用英文名称来表述四种原语)Theprimitive.requestTheprimitive.indicationTheprimitive.responseTheprimitive.confirm首先，由N+1层向N层用request原语申请一个服务，比如说MAC层向PHY层请求一个MPDU传输服务，它必须要向PHY层申请一个PD-Data.request的原语。而N层会向其服务用户（经常是N+1层）发出一个indicati