5--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协议栈架构•基于开放系统互连模型（OSI）•每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务•物理层由射频收发器和底层的控制模块组成•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•特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE802.15.4的MAC层接入IEEE802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务•LLC为应用层提供链路层服务IEEE802.15.4标准•IEEE802.15.4标准功能概述•超帧结构•数据传输模型•MAC层帧结构•数据可靠传输机制•低功耗策略•数据的安全服务IEEE802.15.4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；不活跃时段(Inactive)信标帧信标帧超帧持续时间长度(SD)信标帧周期(BI)GTSGTS竞争访问时段(CAP)无竞争访问时段(CFP)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标准信道分配和调制方式频段(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：*项为可选项目，系802.15.4-2006新增内容IEEE802.15.4标准物理帧格式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•物理层功能实现•数据的发送与接收•物理信道的能量检测(ED：EnergyDetection)•射频收发器的激活与关闭•空闲信道评估(CCA：clearchannelassessment)•链路质量指示(LQI：linkqualityindication)•物理层属性参数的获取与设置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标准的MAC子层功能•采用CSMA-CA机制来访问物理信道；•协调器对网络的建立与维护；•支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）；•协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；•间接传输的实现(Transactionhandling)；•在两个MAC实体之间提供数据可靠传输；•可选的GTS支持；•支持安全机制；IEEE802.15.4标准中间协调器接收和发送信标帧不活跃时段不活跃时段接收信标帧发送信标帧接收(incoming)超帧发送(outgoing)超帧接收信标帧超帧持续时间长度(SD)超帧持续时间长度(SD)开始时间SD信标帧周期(BI)IEEE802.15.4标准MAC负载帧尾(MFR)帧头(MHR)Ocets:210/20/2/80/20/2/80/5/6/10/142可变帧控制域(FrameControl)帧序列号(SeqNum)地址域目标PANID目标地址源PANID源地址附加安全头部帧负载FCS校验•MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输•帧组成•地址格式：16位短地址和64位扩展地址•帧控制字段的内容指示地址类型•帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧IEEE802.15.4标准MAC负载帧尾(MFR)帧头(MHR)Ocets:214/100/5/6/10/142可变帧控制域(FrameControl)帧序列号(SeqNum)地址域附加安全头部帧负载FCS校验可变可变2超帧描述GTS分配释放信息待发数据目标地址信息信标帧格式•超帧字段：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问时断持续时间•GTS分配释放信息：将无竞争时断划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给某个设备•转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址•信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口IEEE802.15.4标准数据帧格式MAC负载帧尾(MFR)帧头(MHR)Ocets:214/200/5/6/10/14帧控制域(FrameControl)帧序列号(SeqNo)地址域附加安全头部数据帧负载FCS校验2可变•传输上层发送到MAC子层的数据•MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层•MAC帧：MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息IEEE802.15.4标准确认帧格式帧尾(MFR)帧头(MHR)Ocets:21帧控制域(FrameControl)帧序列号(SeqNum)FCS校验2•如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位设置为1，设备需要回应一个确认帧。•确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。•确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。IEEE802.15.4标准命令帧格式MAC负载帧尾(MFR)帧头(MHR)Ocets:214/200/5/6/10/14帧控制域(FrameControl)帧序列号(SeqNo)地址域附加安全头部命令帧负载FCS校验1命令帧ID2可变•命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。•命令帧有9种类型。•命令帧的功能：把设备关联到PAN；与协调器交换数据；分配GTS。•命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。IEEE802.15.4标准•MAC子层功能实现•PAN的建立与维护•关联请求与取消•与信标帧的同步•数据的间接传输方式•数据的发送，接收与重传•GTS的分配与管理•MAC子层PIB的维护•MAC子层的安全策略IEEE802.15.4标准设备关联的消息流程设备高层设备MLME协调器MLME协调器高层AckowledgementAckowledgementAckowledgementAssociationresponseDatarequestAssociationrequestMLME-ASSOCIATE.requestMLME-ASSOCIATE.confirmMLME-ASSOCIATE.indicationMLME-ASSOCIATE.responseMLME-COMM-STATUS.indicationmacResponseWaitTimeIEEE802.15.4标准设备发起取消关联的消息流程设备高层设备MLME协调器MLME协调器高层AckowledgementMLME-DISASSOCIATE.requestMLME-DISASSOCIATE.confirmMLME-DISASSOCIATE.indicationDisassociationnotificationIEEE802.15.4标准与协调器同步消息流程(信标使能网络)设备高层设备MLME协调器MLMEBeaconframeTimertoexpirebeforethenextbeaconBeaconframeMLME-SYNC.request(TRUE)MLME-SYNC.request(FALSE)DataRequestBeaconframe(datapending)a)b)IEEE802.15.4标准GTS分配过程消息流程图设备高层设备MLME协调器MLME协调器高层AckowledgementMLME-GTS.requestMLME-GTS.confirmMLME-GTS.indica