隨著傳感器網(wǎng)絡的大肆應用;隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的爆發(fā);隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展,人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求,這樣就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡PAN(Personal Area Network)和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡WPAN(Wireless Personal Area Network)的概念。WPAN網(wǎng)絡為近距離范圍內(nèi)的設備建立無線連接,把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個設備通過無線方式連接在一起,使他們可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。
2001年8月成立的zigbee聯(lián)盟就是一個針對WPAN網(wǎng)絡而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于近距離、低復雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術(shù)。他們開發(fā)的技術(shù)被稱為zigbee技術(shù),該技術(shù)希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動化、工業(yè)設備監(jiān)測、PC外設、醫(yī)療傳感設備、玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領(lǐng)域當中。
1.1 IEEE802.15.4標準
zigbee聯(lián)盟已于2005年6月27日公布了第一份zigbee規(guī)范“zigbee Specification V1.0”。這標準定義了在IEEE 802.15.4-2003物理層和標準媒體接入控制層上的網(wǎng)絡層及支持的應用服務。zigbee聯(lián)盟的長期目標是能夠建立基于互操作平臺和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎架構(gòu)。
1.1.1 IEEE802.15.4協(xié)議框架
IEEE802.15.4標準采用分層結(jié)構(gòu)。每一層為上層提供一系列特殊的服務:數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務,管理實體則提供所有其他的服務。所有的服務實體都通過服務接入點SAP(Service Access Point)為上層提供一個接口,每個SAP都支持一定數(shù)量的服務原語來實現(xiàn)所需的功能。
IEEE 802.15.4標準堆棧架構(gòu)是在OSI七層模型的基礎上根據(jù)市場和應用的實際需要定義了,如圖2-1。其中,IEEE 802.15.4標準定義了底層:物理層PHY(Physical Layer)和媒體訪問控制子層MAC(Medium Access Control Sub-Layer)層。zigbee聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡層NWK(Network Layer),應用層APL(Application Layer)架構(gòu)。其中應用層包括應用支持子層APS(Application Support Sub-Layer),應用框架AF(Application Framework),zigbee設備對象ZDO(zigbee Device Objects)以及用戶定義應用對象(Manufacturer-Defined Application Objects )。[16]
IEEE 802.15.4工作在工業(yè)科學醫(yī)療ISM(Industrial、Scientific and Medical)頻段,定義了兩個物理層PHY,分別工作在兩個頻段上:868/915 MHz和2.4GHz。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz的歐洲頻段和915MHz的美國與澳大利亞等國的頻段。高頻段2.4GHz則全球通用。
IEEE 802.15.4 MAC層采用避免沖突多載波信道接入CSMA-CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)方式,主要負責傳輸信標幀,同步以及提供可信賴的傳輸機制。
1.1.2 網(wǎng)絡節(jié)點類型
在W-PAN中有三種網(wǎng)絡角色:PAN網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和設備。這三種角色在IEEE 802.15.4規(guī)范中分別對應zigbee協(xié)調(diào)器ZC(zigbee Coordinator)、zigbee路由器ZR(zigbee Router)和終端設備ZED(zigbee End Device)。
協(xié)調(diào)器和路由器只能是全功能器件FFD。一個PAN的網(wǎng)絡中,至少要有一個全功能器件成網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器,它可以看作是一個PAN的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(SINK節(jié)點),它是網(wǎng)絡建立的起點,負責PAN網(wǎng)絡的初始化,確定PAN的ID號和PAN操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配,充當信任中心和儲存安全密鑰,與其他網(wǎng)絡的連接等。協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡之后獲得一定的短地址空間。這個空間內(nèi),他有能力允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡,并分配短地址。當然協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。在任何一個拓撲網(wǎng)絡上,所有設備都有一個唯一的64位IEEE長地址,該地址可以在PAN中用于直接通信。或者當所有設備之間都已經(jīng)存在連接時,可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)?6位的網(wǎng)絡短地址分配給PAN設備。因此在設備發(fā)起連接時采用的是64位的長地址,只有連接成功后,系統(tǒng)分配了PAN的標志符后,才能采用16位的短地址來通信。路由器可以只運行一個存放有路由協(xié)議的精簡協(xié)議棧,負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的路由,實現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能。
在網(wǎng)絡中最基本的節(jié)點就是終端節(jié)點ZED,一個終端節(jié)點可以是全功能器件FFD或者是精簡功能器件RFD。
1.2.1 IEEE 802.15.4
IEEE802.15.4包括用于低速無線個人域網(wǎng)LR-WPAN的物理層PHY和媒體接入控制層MAC兩個規(guī)范。圖2-4給出了IEEE 802.15.4的分層參考模型。
1.2.1.1 IEEE 802.15.4 PHY層
物理層的作用主要是利用物理介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接,負責處理數(shù)
據(jù)傳輸率并架空數(shù)據(jù)出錯率,以便透明低傳送比特流。zigbee協(xié)議的物理層主要負責以下任務:
(1)啟動和關(guān)閉RF收發(fā)器。
?。?)信道能量檢測。
?。?)對接收到的數(shù)據(jù)報進行鏈路質(zhì)量指示LQI(Link Quality Indication)。
?。?)為CSMA/CA算法提供空閑信道評估CCA(Clear Channel Assessment)。
?。?)對通信信道頻率進行選擇。
?。?)數(shù)據(jù)包的傳輸和接收
IEEE 802.15.4的物理層定義了物理信道和MAC子層間的接口,提供數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù),物理層管理服務維護一個物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。
1.2.1.2 IEEE 802.15.4 MAC層
IEEE 802.15.4媒體介入控制層的沿用了傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)中的帶沖突避免的載波多路偵聽訪問技術(shù)CSMA/CA方式,以提高系統(tǒng)的兼容性。這種設計,不但使多種拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的應用變得簡單,還可以實現(xiàn)非常有效的功耗管理。
MAC層完成的具體任務如下:
?。?)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀(Beacon)。
?。?)普通設備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標幀與協(xié)調(diào)器同步。
?。?)支持PAN網(wǎng)絡的關(guān)聯(lián)(Association)和取消關(guān)聯(lián)(Disassociation)操作。
?。?)為設備的安全性提供支持。
?。?)使用CSMA-CA機制共享物理信道。
?。?)處理和維護時隙保障GTS(Guaranteed Time Slot)機制。
?。?)在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的數(shù)據(jù)鏈路。
在IEEE 802.15.4的MAC層中引入了超幀結(jié)構(gòu)和信標幀的概念。這兩個概念的引入極大了方便了網(wǎng)絡管理,我們可以選用以超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡內(nèi)設備間的通信。每個超幀都以網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)出信標幀為始,在這個信標幀中包含了超幀將持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息。網(wǎng)絡中的普通設備接收到超幀開始時的信標幀后,就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務,例如進入休眠狀態(tài)直到這個超幀結(jié)束。
MAC子層提供兩種服務:MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務(MAC sub-layer management entity,MLME)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中正確收發(fā),后者維護一個存儲MAC子層協(xié)議相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。
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