zigbee协议栈.ppt

第六章通信标准IEEE802.15.4标准

ZigBee标准

IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4网络又称为LRWPAN网络，在这个网络中，根据设备所具有的通信能力和硬件条件，可以将它分为全功能设备和精简功能设备。IEEE802.15.4的拓扑结构根据应用的场景可以分为两种，星状网络和点对点网络。
在星状网络中，整个网络的数据传输都要经过网络协调器来进行控制，其余各个终端设备只能与网络协调器进行数据的交换。
在点对点网络中，只要通信设备在对方的无线辐射范围内就可以与之通信。IEEE802.15.4网络协议栈定义了两个层：物理层和链路层，物理层是由射频收发器和底层控制模块组成，链路层为高层访问提供了访问物理信道的服务接口。1．物理层规范1）信道分配及调制方式物理层的数据帧也可以称为物理层协议数据单元，每个PPDU帧由同步头、物理帧头和PHY负载组成，
同步头包括1个前导码和1个帧起始分隔符（SFD），
前导码由4个全0的字节组成，收发器在接收前导码期间会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步；
帧起始分隔符SFD字段长度为1个字节，它的值固定为0xA7，表明前导码已经完成了同步，开始接收数据帧。
物理帧头中低7位用来表示帧长度，高位是保留位。物理帧的负载长度可变，称为物理服务数据单元（PHYServiceDataUnit，PSDU），一般用来承载MAC帧。3）物理层功能的实现IEEE802.15.4标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即逻辑链路子层（LLC）和介质控制访问子层（MAC），MAC子层主要负责解决共享信道问题，IEEE802.15.4标准规定MAC层实现的功能有：
采用CSMA/CA机制来解决信道冲撞问题；
网络协调器产生并发送信标帧，用于协调整个网络；
支持PAN网络的关联和取消关联操作；
支持时槽保障（CTS）机制；
支持不同设备的MAC层间可靠传输。
1）信道的时段分配
首先来认识一个概念——超帧。超帧是一种用来组织网络通信时间分配的逻辑结构，它将通信时间划分为活跃和不活跃两个时段：
在不活跃期间，PAN网络中的设备不会相互通信，从而进入休眠状态来节省能量。
网络的通信在活跃期间进行，活跃期间由可以分为三个阶段，即：信标帧发送时段、竞争访问时段（CAP）和非竞争访问时段（CFP）。竞争访问时段（CAP）:设备通过CSMA/CA机制与网络协调器通信。
非竞争访问时段（CFP）:又分为几个GTS，网络协调器在这个时段内只能与指定的设备进行通信。网络协调器在每个超帧时段最多可以分配7个GTS，一个GTS可以占有多个时槽。2）CSMA/CA算法2）CSMA/CA算法3）数据传输模式
IEEE802.15.4网络中存在三种数据传输模式：
设备发送数据给网络协调器
网络协调器发送数据给设备
对等设备之间的数据传输
4）MAC子层的帧格式
MAC层帧结构的设计目标就是在保持低复杂度的前提下，实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。
每个MAC子层的帧包括三个部分：帧头、负载和帧尾。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。负载长度大小可变，具体内容由帧类型决定。帧尾是一个16位的CRC效验码。Zigee协议ZigBee协议中定义了三种设备：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备：
ZigBee协调器，它负责建立并启动一个网络，包括选择合适的射频信道、唯一的网络标识符等一系列操作。
ZigBee路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够拓展网络的范围，负责搜寻网络，并在任意两个设备之间建立端到端的传输。
ZigBee终端设备作为网络中的终端节点，负责数据的采集。从功能上讲，网络层必须为IEEE802.15.4的MAC子层提供支持，并为应用层提供合适的服务接口。
为了实现与应用层的接口，网络层从逻辑上被分为两个具有不同功能的服务实体：数据实体和管理实体。
数据实体（NIDE）接口主要负责向上层提供所需的常规数据服务
管理实体接口主要负责向上层提供访问接口参数、配置和管理数据的机制，包括配置新的设备、建立新的网络、加入和离开网络、地址分配、邻居发现、路由发现、接收控制等功能。Zigee协议——网络层3.设备段地址分配：设备加入到网络之后，网络就会为其分配网络地址，网络地址的分配主要依据三个参数：最多子设备数、最大网络深度和最大路由数，其地址偏移量计算公式为：5．邻居列表的维护邻居列表中包含传输范围内所有节点的信息，邻居列表的维护主要体现在以下几个方面：
ZigBee的应用层由三个部分组成：应用支持子层、应用层框架和ZigBee应用对象（ZDO）。
应用支持子层为网络层和应用层通过ZigBee设备对象与制造商定义的应用对象使用的一组服务提供了接口，该接口提供了ZigBee设备