802.15.4及ZigBee协议工作原理及特点分析.doc

ZigBee及802.15.4协议分析 ——大学生创新计划阶段总结报告 信息科学与技术学院 电子信息工程专业 2012 IEEE 802.15.4 (介绍) 802.15.4标准定义了一个OSI 模型中的第二层通信协议，位于物理层之上。他的主要目的在于建立两个器件间的通信，而如何通信则由一些其它的上层协议控制。他由IEEE 即电气电子工程师协会制定。 ZigBee (介绍) 这个协议定义了OSI 参考模型中自第三层往上的内容。他的主要目标是：创建具有层次结构的网络拓扑，实现一定数量的设备进行相互间通信，并且具有身份认证、数据加密、设备绑定并且提供了一个开发上层应用的框架。他有ZigBee 联盟的诸多公司一同制定。 1 - 理解 802.15.4 正如上面所说的，802.15.4是一个位于OSI 参考模型中第二层上的协议，一般成为数据链路层。这一层中数据比特被汇总组织成为下一层即物理层中的电磁脉冲（波形）。这一层的功能类似于一些较为常用的协议如：802.11,即通常说的WiFi ，或者是802.3，即以太网。他的工作频率分布与三个主频段中的27个不同的通道上。 868.0 - 868.6MHz?? - 1 通道??? (欧洲) 902.0-928.0MHz ??? - 10 通道 (EEUU) 2.40-2.48GHz???????? - 16 通道 (世界范围内通用) 数据比特率： 868.0 - 868.6MHz?? - 20/100/250 Kb/s 902.0-928.0MHz ??? - 40/250 Kb/s 2.40-2.48GHz???????? - 250 Kb/s? 1-1 为什么802.15.4抗噪声性能好？ 802.15.4在将信号送往物理层发送出去前，使用了直接频谱扩展(DSSS)技术来调制信息。实际上，每比特信息都被映射成了另一个4比特的编码（使用另一种编码方案），这一过程使得每一比特所占据的带宽显著增大，但同时信号在频谱范围内的功率密度下降。 这样做使得所使用的频带宽带内的干扰所带来的不利影响显著减小，提高了接受端信噪比（SNR），因为更容易侦测解码发送端传输的消息。 根据电路物理层硬件的限制以及在给定时间内能同时处理的码元数量的限制，通常有不同种类的DSSS 直接扩频方式。采用二进制相移键控（BPSK）、差分正交相移键控（O-QPSK）以及 PSSS 可以获得20Kb/s到250Kb/s 的数据传输速率。 1-2 为什么802.15.4协议抗干扰性能好? 802.15.4使用了两种技术来避免所有节点同时发送信息：载波侦听多路复用-冲突避免以及时隙分配。 最为常见的技术就是载波侦听多路复用-冲突避免。这种方法是这样的：每个节点在发送前都要先监听媒质上的信号。如果监听到的信号强度高于某一特定值，那么则认为当前通道被占用，等待一段时间，具体等待的时间长度是随机的，然后再次尝试发送。通常在协议栈的实现中有一个参数可以设定等待时间的长度变化。 另一种技术就是：保证性时隙分配。这种系统中使用一个中央节点即局域网协调器来分配各个节点的时隙，从而是的每个节点都知道自己应该在何时传输数据，从而避免冲突发生。总共可以分配的时隙有16个。对于一个节点来说，首先要做的就是向局域网协调器发送一个时隙请求，作为回应，协调器会发送一个Beacon 消息，其中包含了新开辟的时隙以及已开辟的时隙数量。 在802.15.4协议中实现了一个称为信道能量扫描的功能。这个功能设立的目的在于获得一种可以在启用一个新信道前获取该信道中当前能量强度的方法，这个能量强度包括有效信号、噪声、干扰等。通过选择一个相对空闲信道，可以使新建立的网络使用较低的传输功率来通信，从而节省电源。一般有三种不同的扫描方式： 能量扫描: 扫描信道中的信号强度，然后报告。不管这信号是由ZigBee 节点还是由其他类型的网络产生的或者是噪声之类的。总之如果信道上有超过一定强度的信号在传输，则认为有信号在传输，否则则可以启用该信道进行通信。 载波侦听: 扫描并且当信道中有802.15.4 类型的通信时，则认为忙，只有当空闲时在使用其进行传输。 载波侦听+能量扫描: 扫描信道，当信道中有基于802.15.4的通信并且其信号能量高于一个阈值时，认为信道忙，否则则使用该信道。 1-3 为什么802.15.4协议是一个低功耗的协议? 因为802.15.4协议是一个可以工作在低占空比的协议。这意味着收发器可以在绝大多数时间里处于休眠状态（最多可达99%），从而有效降低能量消耗。这个工作比例取决于所采用的通信模型。如果采用Beacon 模式，那么用于收发Beacon 数据包的时间将会使收发器总的工作时间延长。 1