IEEE_802.15.4协议解析

IEEE802.15.4低速无线个人区域网络（LR-WPAN）提纲一三IEEE802.15.4概述IEEE802.15.4物理层规范二ZigBee与IEEE802.15.4四IEEE802.15.4MAC层规范IEEE802.15.4概述IEEE802.15.4工作组致力于定义一种供廉价固定的、便携或移动设备使用的，低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术，并在2003年12月通过了第一个IEEE802.15.4标准。随着无线个域网的推广，无线通信网络越来越关注于如何扩展WLAN的能力以及开发出一种新的通信方法来适应不断增长的业务需求。由此就产生了低速率无线个域网标准的概念，而随着无线传感器网络技术的发展，这个也适用于无线传感器网络的标准也得到了快速的发展。IEEE802.15.4标准定义了在个人局域网中通过射频方式在设备间进行互相通信的方式与协议。作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准，IEEE802.15.4在无线电频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、安全考虑等方面都做出了说明。协议模型划分为物理层(PHY)和I媒体访问控制层(MAC)两个子层进行实现。IEEE802.15.4与ZigBeeZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层、安全层应用层、以及各种应用产品的架构;而由IEEE所定制的802.15.4标准，则是定义了物理层及MAC层。ZigBee每层基本功能物理层指定了网络的接口组成、参数和运算。MAC层遵循IEEE802．15．4协议，负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑结构。网络层建立新的网络、处理节点的进入和离开网络、根据网络类型设置节点的协议堆栈、使网络协调器对节点分配地址、保证节点之间的同步、提供网络的路由。安全层依靠相称性密匙保护、应用保护机制、合适的密码机制以及相关的保密措施。应用层ZigBee的应用层由应用子层(APS)、设备对象(ZDO)以及制造商定义的应用设备对象组成。APS子层的作用包括维护绑定表、在绑定设备间传输信息。ZDO的作用包括在网络中定义一个设备的作用、发现网络中的设备并确定它们能提供何种服务、起始或回应绑定需求以及在网络设备中建立一个安全的连接。制造商定义的应用对象根据ZigBee定义应用说明执行实际的应用。IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4的物理层定义了物理信道和MAC子层间的接口，提供数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库。在IEEE802.15.4的MAC层中引入了超帧结构和信标帧的概念。这两个概念的引入极大了方便了网络管理，我们可以选用以超帧为周期组织LR-WPAN网络内设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。MAC子层提供两种服务：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正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议相关信息的数据库。物理层频带参数在IEEE802.15.4，无线电线路可以运转在无需执照的三个频带上：868MHz，902到928MHz和2.4GHz。在868MHz和915MHz这两个频段上，信号处理过程相同，只是数据速率不同。处理过程，首先将数据单元的二制数据差分编码，然后再将差分编码后的每一个位转换为长度为15的片序列，最后BPSK调制到信道上。2．4GHz频段的处理过程，首行将数据单元的二进制数据中每4位转换为一个符号（symbol），然后将每个符号转换成长度为32的片序列。在把符号转换片序列时，用符号在16个近似正交的伪随便噪声序列的映射表，这是一个直接序列扩频的过程。扩频后，信号通过O-QPSK调制方式调制到载波上。物理帧格式前导码（4字节）：用于符号同步。起始分隔符（1字节）：用于帧同步。物理头端（1字节）：指定了物理服务数据单元的长度。物理服务数据单元（=127字节）：用于负载数据。前导码起始分隔符物理头端物理服务数据单元(PSDU)6字节0-127字节MAC层网络设备与网络拓扑MAC层帧类型超帧结构信标使能和信标不使能模式CSMA/CA算法MAC层网络设备两种设备类型:精简功能设备(RFD)全功能设备(FFD)FFD与RFD的差别：FFD有能力成为协调者并选取一个频道建立新的网络，而RFD只能透过向协调者注册并连结后才能使用网络；另一个差别在于，并不是任何节点都有资格向协调者提出GTS使用申请，此节点必须属于FFD才可向协调者要求保证传输时槽使用权。三种设备角色:端设备Enddevice(RFDorFFD)：只具有简单的收发功能，不能进行分组的转发。协调器Coordinator(FFD)：通常通过发送信标实现与周围节点的同步，且具有转发分组的功能。网络协调器PANCoordinator(FFD)：为整个网络的主控节点，并且每个IEEE802.15.4网络只能有一个网络协调点网络拓扑结构星型网状型簇状型网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD):只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。MAC帧格式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。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。超帧结构在IEEE802.15.4中，可以选用超帧为周期组织LR-WPAN网络内设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧开始，在信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到包含超帧结构的信标帧后，就可以根据其中的配置信息安排自己的任务。超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。信标使能与信标不使能信标使能模式下，协议引入超帧的概念，实现协调器和设备的时间同步、识别PAN及实现设备之间的通信。PAN通过定义信标帧的内容来实现对超帧的控制，并周期性的广播。网络采用严格的时间同步，分时隙进行通信。可以在CAP采用时隙CSMA/CA协议进行通信，在CFP采用时隙GTS机制进行通信。在信标不使能模式下，协议较为简单，并不采用超帧结构，设备通过无时隙的CSMA/CA机制发送数据。信标使能通信设备发送数据给协调器协调器发送数据给设备CSMA/CA当某个节点有数据发送时，就采用时隙或者非时隙的ＣＳＭＡ/ＣＡ进行数据传输。在信标使能网络中，采用的是时隙ＣＳＭＡ/ＣＡ，要求设备的退避时隙的边界必须在超帧时隙的边界上，如果ＣＳＭＡ/ＣＡ机制的动作没有在超帧时隙的边界上完成，下一动作将延时到下一个超帧时隙的开始边界进行。在非信标使能网络中，采用的是非时隙ＣＳＭＡ/ＣＡ，此模式不需要设备在退避时隙同其他设备的退避时隙同步。NB(后退次数，NumberOfBack)记录的是已执行backoff的次數，每执行一次此值就会加1。如果遇到使用CCA去侦测频道为忙碌时，就必须要重新去随机取一个backoff，而此时NB就会增加。NB最大值为4如果在这四次中侦测频道都为忙碌的话就放弃传送此资料，其是为了避免系统有过大的负担。。CW(碰撞窗口的长度，contentwindowlength)其单位为backoffperiod在IEEE802.15.4中的默认值为20个symbols。其含义是必须执行几次侦测频道皆为闲置时才可将数据送出，初始值为2会随着侦测到频道闲置而递减。BE(后退指数，Backoffexponent)是用來计算Backoff时间的一个参数。其公式为：BackoffTime=2BE–1。取值范围为0～5，协议推荐的默认值为3，最大值为5。当BE设为0时，则只进行一次碰撞检测。》》谢谢观看