802.15.4技术详解

无线低速网络IEEE802.15.4/Zigbee技术无线通信的发展趋势大多数无线通信技术致力于提供更高的传输速率、更大的吞吐量。但很多应用场合只需要简单的无线连接，它们对吞吐量要求不高，通信距离也不远，但对功耗和成本非常敏感，例如：工业应用农业应用车载通信家居应用医疗设备ZigBee联盟Zigbee联盟是一个由多家企业建立的联合组织，其目标是以全球开放标准为基础，定义一个适用于监视和控制应用的低成本、低功耗、可靠的无线解决方案。Zigbee联盟的业务包括提供互操作性标准、进行认证与测试、授权使用Zigbee商标等。IEEE802.15工作组UWBZigbee无线个域网各项技术对比各种无线标准的市场定位SHORTRANGELONGLOWDATARATEHIGHPANLANTEXTGRAPHICSINTERNETHI-FIAUDIOSTREAMINGVIDEODIGITALVIDEOMULTI-CHANNELVIDEOBluetooth1Bluetooth2ZigBee802.11b802.11a/HL2&802.11gZigBee/IEEE802.15.4的市场定位低功耗低成本较低的吞吐量支持大规模网络（=65000个节点）对服务质量（QoS）不太敏感灵活的通信协议，能够适用于多种场合ZigBee技术应用场景PERSONALHEALTHCAREZigBeeLOWDATA-RATERADIODEVICESHOMEAUTOMATIONCONSUMERELECTRONICSTVVCRDVD/CDRemotecontrolsecurityHVAClightingclosuresPC&PERIPHERALSconsolesportableseducationalTOYS&GAMESINDUSTRIAL&COMMERCIALmonitorssensorsautomationcontrolmousekeyboardjoystickmonitorsdiagnosticssensors各种无线标准的技术定位101001,00010,000101001,00010,000100,000BandwidthkbpsGSM802.11a/gGPRSEDGE20002003-42005Bluetooth3GHiperLAN/2Bluetooth2.0RangeMeters802.11bZigBeeWiMediaBluetooth1.5ZigBee/802.15.4协议结构物理层MAC层网络层应用层IEEE802.15.4定义ZigBee联盟定义ZigBee协议栈ZigBee与IEEE802.15.4之间的关系ZigBee使用IEEE802.15.4所定义的物理层和MAC层技术。ZigBee在IEEE802.15.4的基础上添加网络层、应用层、安全等技术。Zigbee联盟在应用层定义了多个剖面（Profile），不同的Profile面向不同的应用进行定制。典型的Profile有：智能家居健康监护远程控制……ZigBee联盟与IEEE密切合作，一起提供完整的WPAN市场解决方案。ZigBee/802.15.4技术概况支持的数据传输速率：250kbps,20kbps和40kpbs星型或点对点传输支持低时延设备支持竞争式信道接入机制对入网设备进行动态地址分配支持确认帧机制，保障传输的可靠低功耗可工作在2.4GHzISM波段的16个频点，915MHzISM波段10个频点，欧洲868MHz频段的1个频点极低的占空比(0.1%)IEEE802.15.4基础802.15.4是为轻量级无线网络设计的一个简单的数据包传输协议。信道接入方法采用CSMA-CA机制（CarrierSenseMultipleAccesswithcollisionavoidance）和可选的时隙（timeslotting）机制。消息确认机制和可选的信标帧结构。多层次安全机制能够在电池供电的情况下长时间运行。IEEE802.15.4设备类型802.15.4中将设备分为两类：全功能设备：fullfunctiondevice(FFD)简化功能设备：reducedfunctiondevice(RFD)FFD能够在网络中承担三种角色普通设备协调器（或路由器）PAN协调器RFD在网络中只能承担一种角色：普通设备FFDvsRFD全功能设备(FFD)可以用来构建任意拓扑结构的网络能够担任网络协调器既能与RFD通信，也能与其它FFD通信简化功能设备(RFD)只能用来构建星型网络无法担任网络协调器只能与FFD进行通信实现起来非常简单，适合于能量和资源受限的设备星型拓扑结构全功能设备(FFD)简化功能设备(RFD)数据流主/从关系网络协调器点到点拓扑结构数据流全功能设备(FFD)点到点（Mesh型）树型混合拓扑结构簇型拓扑–例如在一个酒店部署无线控制系统，每个房间里有一个簇头，房间里的无线设备通过星型网连接到簇头，各个房间的簇头再通过树型网或Mesh网相互连接。全功能设备(FFD)简化功能设备(RFD)数据流网络实例FFDRFDRFDRFDFFDFFDRFDFFDRFDRFDRFDFFDFFDRFDPAN协调器设备地址（1）每个无线个域网（WPAN）至少需要包含一个FFD（担任PAN协调器）。每个独立的个域网将选定一个唯一的PANID（16位）。网络中的每个设备，其自身都携带一个64位的全球唯一地址：IEEEMAC扩展地址，也称为长地址，该地址可用于个域网内的直接通信。设备地址（2）当设备成功入网后，将会被分配一个16位的短地址。寻址模式：星型网:组网(64bits)+设备(16bits)点到点结构:源节点/目标节点(64bits)簇树结构：尚未明确定义IEEE802.15.4物理层IEEE802.15.4物理层概述（1）物理层要完成的功能：激活和关闭射频收发器信道能量检测（Energydetection）接收数据包的链路质量指示（Linkqualityindication）空闲信道评估（CCA）信道频率选择无线数据的发送和接收868MHz/915MHzPHY2.4GHz868.3MHzChannel0Channels1-10Channels11-262.4835GHz928MHz902MHz5MHz2MHz2.4GHzPHYIEEE802.15.4物理层概述（2）物理层工作的频率0.6MHz工作频段与数据速率标准定义了两类物理层：868MHz/915MHz直序扩频(DSSS)PHY(11个频点)欧洲868MHz频段有1个频点，速率为20Kb/s915(902-928)MHzISM频段有10个频点，速率为40Kb/s2450MHz直序扩频(DSSS)PHY(16个频点)2.4GHz频段有16个频点，速率为250Kb/s前导码SFD物理层头部PSDU4Octets0-127Bytes同步头部物理层负载1Octets1Octets帧长度域(7bit)预留(1bit)物理层帧结构PHY各个域介绍前导码(32bits)–用于实现同步帧起始分隔符（SFD，Startofframedelimiter）(8bits)–用于标识一个物理帧的开始，该字节固定为“11100101”。物理层头部(8bits)–包括帧长度域（7bits）和1bit的预留域，用于标识物理层负载（PSDU）的长度，最大不超过127个字节PSDU(0-127个字节)–物理层实际所携带的负载数据。射频性能（1）发射功率至少能达到–3dBm接收灵敏度-85dBm(2.4GHz)/-91dBm(868/915MHz)链路质量指示该指标用于衡量所接收的数据包的强度和质量该指标可通过如下途径测量检测接收信号的能量估计接收时的信噪比射频性能（2）空闲信道评估(CCA)CCA模式1：信道的信号能量超过某一门限便认为信道忙（弱）CCA模式2：判断无线信号的特征，检测出载波信号后便认为信道忙（中）CCA模式3：检测到载波存在，同时信道能量超过一定门限才认为忙（强）能量检测门限至少要比一般的接收灵敏度高10dB。CCA检测时间为8个符号周期.IEEE802.15.4MAC层IEEE802.15.4MAC概述简单的帧结构关联和取消关联操作AES-128加密CSMA/CA信道接入机制GTS（时隙保障）机制数据传输模型（1）WPAN网络中存在着三种数据传输方式：设备发送数据给协调器协调器发送数据给设备对等设备之间的数据传输星型拓扑网络中只存在前两种数据传输方式，因为数据只在协调器和设备之间交换；而在点对点拓扑网络中，三种数据传输方式都存在。在WPAN网络中，有两种通信模式可供选择：信标使能模式(beacon-enabled)：信标不使能模式(nonbeacon-enabled)数据传输模型（2）设备发送数据到协调器在信标使能的网络中，PAN网络协调器定时广播信标帧。PAN网络中的设备都通过协调器发送的信标帧进行同步。设备之间通信使用基于时隙的CSMA-CA（slottedCSMA/CA）信道访问机制。在信标不使能的通信网络中，PAN网络协调器不发送信标帧，各个设备使用非时隙的CSMA-CA（unslottedCSMA/CA）机制访问信道。在信标使能的网络中设备发送数据给协调器在信标不使能的网络中设备发送数据给协调器数据传输模型（3）协调器发送数据到设备在信标使能网络中，当协调器需要向某个设备发送数据时，就在下一个信标帧中说明协调器拥有属于某个设备的数据正在等待发送。目标设备在周期性的侦听过程中会接收到这个信标帧，从而得知有属于自己的数据保存在协调器，这时就会向协调器发送请求传送数据的MAC命令。然后协调器将数据发送给该设备。在信标使能的网络中协调器发送数据给设备数据传输模型（4）协调器发送数据到设备在信标不使能的网络中，协调器只是为相关的设备存储数据，被动地等待设备来请求数据，数据帧和命令帧的传送都使用无时隙的CSMA-CA机制。设备可根据应用程序事先定义好的时间间隔，周期性地向协调器发送请求数据的MAC命令帧，查询协调器是否存有属于自己的数据。如果有属于该设备的数据，则传送数据帧；如果没有数据，则发送一个0长度的数据帧给设备，表示没有属于该设备的数据。在信标不使能的网络中协调器发送数据给设备超帧在IEEE802.15.4中，可以选用以超帧为周期组织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(beacon)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。超帧结构（1）每个超帧周期分为两个阶段：不活跃时段：所有的设备进入休眠状态活跃时段：被划分为16个等长的“超帧时隙”这16个超帧时隙可进一步分为两个部分：竞争接入时段：（CAP，Contentionaccessperiod）非竞争接入时段：（CFP，Contentionfreeperiod）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竞争接入时段(CAP)非竞争接入时段(CFP)超帧结构（2）每个时隙的长度、竞争接入时段包含的时隙数等参数，都由协调器设定，并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络在非竞争时段，协调器根据上一个超帧期间PAN网络中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS。每个GTS由若干个时隙组成，时隙数目在设备申请GTS时指定。如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时隙数目。每个GTS中的时隙都指定分配给了时时隙申请设备，因而不需要竞争信道。IEEE802.15.4标准要求任何通信都必须在自己分配的GTS内完成。GTS