zigbee协议栈.ppt
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1、lIEEE 802.15.4标准lZigBee标准第六章 通信标准lIEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4 是一种能量消耗少,结构简单且容易实现的无线通信网络协议,它主要致力于解决无线连接在能量值和网络吞吐量低的网络中应用。与WLAN相比,基本上不需要基础设施的支持。具体要求如下: 在不同的载波频率下实现20 kbps、40 kbps、100 kbps以及250 kbps四种不同的传输速率; 支持星状和点对点两种网络拓扑结构; 在网络中使用两种地址格式,16位和64位地址,16位地址由协调器分配,64位地址被用于全球唯一的扩展地址; 采用可选的时槽 保障(GTS)机制; 采用
2、冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA/CA); 支持ACK反馈机制,确保数据的可靠传输。第六章 通信标准IEEE 802.15.4网络又称为LR WPAN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。lIEEE 802.15.4标准第六章 通信标准LR WPAN: low-rate Wireless Personal Area Network 低速无线个人局域网IEEE 802.15.4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
3、进行数据的交换。在点对点网络点对点网络中,只要通信设备在对方的无线辐射范围内就可以与之通信。lIEEE 802.15.4标准第六章 通信标准IEEE 802.15.4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。lIEEE 802.15.4标准协议栈第六章 通信标准1物理层规范物理层规范在OSI参考模型中,物理层是模型的最底层,是保障信号传输的功能层,IEEE 802.15.4的物理层与OSI模型类似,主要负责信号的发送与接收,提供无线物理信道和MAC子层之间的接口等,它为链路层提供的服务包括物理连接的建立、维持与
4、释放,物理服务数据单元的传输,物理层管理和数据编解码。第六章 通信标准lIEEE 802.15.4标准物理层1)信道分配及调制方式2)物理层帧结构lIEEE 802.15.4标准物理层第六章 通信标准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0 xA7,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
5、长度可变,称为物理服务数据单元(PHY Service Data Unit,PSDU),一般用来承载MAC帧。lIEEE 802.15.4标准物理层第六章 通信标准3)物理层功能的实现所有的物理层服务均是通过物理层服务访问接口实现的,数据服务是通过物理层数据访问接口(PD-SAP)实现的,管理服务则是通过物理层管理实体访问接口(PLME-SAP)实现的,每个接口都提供了相关的访问原语。(1)信号的发送接收与编解码(2)物理信道的能量监测(Energy Detection,ED)(3)射频收发器的激活和关闭(4)空闲信道评估(Clear Channel Assessment,CCA)(5)链路质
6、量指示(LQI)(6)物理层属性参数的获取与设置lIEEE 802.15.4标准物理层第六章 通信标准IEEE 802.15.4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,IEEE 802.15.4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。lIEEE 802.15.4标准数据链路层第六章 通信标准1)信道的时段分配)信道的
7、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)。lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准竞争访问时段竞争访问时段(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
8、分配7个GTS,一个GTS可以占有多个时槽。lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准2)CSMA/CA算法算法lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准每个采用CSMA/CA算法的设备需要维护三个变量:NB、CW和BE。NB记录在当前帧传输时已经回退的次数,CW记录竞争窗口的尺寸,即监测到信道空闲后还需等待多长时间才能真正开始发送数据,BE是一个回退指数,是指在冲突后再次开始监测信道需要等待的时间(2BE1)。在 初 始 化 后 , 对 于 基 于 时 槽 的CSMA/CA算法,先定位到回退时间的边界,然后等待指定的时间,开始信道探测,直到信道为空
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