IEEE_802.15.4原理.ppt

IEEE802.15.4概述 IEEE 802.15.4 与 ZigBee 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必威体育官网网址措施。 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。 IEEE 802.15.4 标准 IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4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 物理帧格式 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 End device (RFD or FFD)：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 PAN Coordinator (FFD)：为整个网络的主控节点，并且每个IEEE 802.15.4网络只能有一个网络协调点 网络拓扑结构 MAC帧格式 超帧结构 在IEEE 802.15.4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 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，Number Of Back) 记录的是已执行back off 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