第04章、Zigbee标准

《无线传感器网络技术》讲义IEEE802.15.4/Zigbee无线传感器网络通信标准无线技术比较ZigBee市场定位：“wirelesssensornetworkingandcontrol”红外技术实现和操作相对简单，成本低廉，但红外光线易受遮挡，可移动性差，只支持点对点视距连接，无法灵活地构建网络蓝牙技术工作在2.4GHz频段的无线技术．目前在计算机外设方面应用较广泛，但由于其协议本身较复杂、开发成本高、节点功耗大等缺点，从而限制了其在工农业方面的进一步推广Wi-Fi技术通信速率为11Mbit/s．通信距离为50～100m，适合于多媒体的应用，但其本身实现成本高，功耗大．安全性能低，从而在WSN中应用较少；ZigBee技术以其经济、可靠、高效等优点在WSN中有着广泛的应用前景。无线技术比较定义ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。历史2000年12月，IEEE802无线个域网（WPAN，WirelessPersonalAreaNetwork）小组成立，致力于WPAN无线传输协议的建立。2002年，ZigBee联盟诞生。2003年12月，IEEE正式发布了LR-WPAN物理层和MAC层所采用的标准协议，即IEEE802.15.4协议标准。2004年12月，ZigBee联盟在IEEE802.15.4的基础上定义了网络层和应用层，正式发布了基于IEEE802.15.4的ZigBee标准协议，称为Zigbee2004，存在错误，已作废。2006年,推出zigbee2006,比较完善.2007年底,Zigbee2007及ZigbeePRO推出。Zigbee技术概述一个典型的Zigbee网络1.IEEE802.15.4标准1.1IEEE802.15.4标准概述IEEE802.15.4标准–需求和目标需求：随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围内通信的要求．因此就出现了个人区域网络(personalareanetwork，PAN)和无线个人区域网络(wirelesspersonalareanet-work，WPAN)的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使他们可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。目标：IEEE802.15.4是IEEE针对低速率无线个人区域网(low-ratewirelesspersonalareanetworks-LR-WPAN)制定的无线通信标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标．旨在为个人或者家庭内不同设备之间低速率无线互连提供统一标准。IEEE802.15.4标准图5-2：IEEE802.15.4协议栈架构IEEE802.15.4标准图5-1：星型和点到点拓扑结构IEEE802.15.4标准特点•支持星型和点到点两种拓扑结构；•在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址；•采用可选的时槽保障（GuaranteedTimeSlots，GTS）机制；•采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carriersensemultiple•accesswithcollisionavoidance，CSMA-CA）的信道访问机制；•支持ACK机制以保证可靠传输；•信道能量检测（EnergyDetection，ED）；•链路质量指示（Linkqualityindication，LQI）；IEEE802.15.4标准特点1)工作频段和数据速率IEEE802.15.4工作在工业科学医疗(ISM)频段，它定义了两种物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。两种物理层都基于直接序列扩频(directsequencespreadspectrum．DSSS)，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。总共分配了27个具有三种速率的信道：在2.4GHz频段有16个速率为250kbit/s的信道，在915MHz频段有10个40kbit/s的信道，在868MHz频段有1个20kbit/s的信道。现在市场上应用大多数是2.4GHz频段。IEEE802.15.4标准特点(续)2)支持简单器件•定义了14个物理层基本参数和35个媒体接入控制层基本参数，总共为49个，仅为蓝牙的1/3。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。•定义了两种器件：全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个FFD可以与RFD和其他FFD通话，可以按三种方式工作，即用做个域网(PAN)协调器、协调器或器件。而简化功能器件RFD只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。3)信标方式和超帧结构•在信标使能方式中，协调器定期广播信标，以达到相关器件同步及其他目的。使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义．一般包括活跃部分和任选的不活跃部分。•在非信标使能方式中，协调器不定期地广播信标，而是在器件请求信标时向它单播信标。IEEE802.15.4标准不活跃时段(Inactive)信标帧超帧持续时间长度(SD)信标帧周期(BI)图5-3：超帧结构GTSGTS信标帧竞争访问时段(CAP)无竞争访问时段(CFP)IEEE802.15.4标准特点(续)4)数据传输有三种不同的数据传输方向：从器件到协调器；从协调器到器件；在对等网络中从一方到另一方。•直接数据传输：适用于以上所有三种数据传输方向，采用无槽载波检测多址与碰撞避免(CSMA/CA)或有时槽CSMA/CA的数据传输方法。•间接数据传输：间接传输数据仅适用于从协调器到器件。在这种方式中,数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的器件来提取。通过检查来自协调器的信标帧，器件就能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分组。有时，在非信标使能方式中也可能发生间接数据传输。在数据提取过程中也使用无槽CSMA/CA或有时槽CSMA/CA。•有保证时隙(GTS)数据传输。GTS数据传输仅适用于器件与其协调器之间的数据转移．既可以从器件到协调器，也可以从协调器到器件。在GTS数据传输中不需要CSMA–CA。5)低功耗•引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制,多数是基于信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间，或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。IEEE802.15.4标准特点(续)6)安全性可选择三级安全性之一：•第一级实际是无安全性方式。•第二级安全性，使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。•第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，但它不能防止攻击者在通信双方交换密钥时通过窃听来截取对称密钥。为了防止这种攻击，可以采用公钥加密。7)自配置•在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持自配置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星形网，而且还允许创建自配置的对等网。在关联过程中可以实现各种配置，例如为个人域网选择信道和识别符(ID)，为器件指配16位短地址，设定电池寿命延长选项等。1.2IEEE802.15.4标准物理层(PHY)规范频段(MHz)扩频参数数据参数片速率(kchip/s)调制方式比特速率(kb/s)符号速率(ksymbol/s)符号868–868.6300BPSK2020二进制902–928600BPSK4040二进制868–868.6*400ASK25012.520-bitSPSS902–928*1600ASK250505-bitSPSS868–868.6*400O-QPSK1002516-ary正交902–928*1000O-QPSK25062.516-ary正交2400–2483.52000O-QPSK25062.516-ary正交IEEE802.15.4标准表格5-1信道分配和调制方式注：*项为可选项目，系802.15.4-2006新增内容Ocets：4字节1字节1字节可变前导码（preambleSFDFramelength(7比特)Reserved(1比特)PSDU同步头(SHR)物理帧头(PHR)PHY负载IEEE802.15.4标准图5-4：物理帧格式IEEE802.15.4标准PD-SAP物理层PHY-PIBRF-SAP图5-5：物理层参考模型PLME-SAPPLMEIEEE802.15.4标准•物理层功能实现•数据的发送与接收•物理信道的能量检测(ED：EnergyDetection)•射频收发器的激活与关闭•空闲信道评估(CCA：clearchannelassessment)•链路质量指示(LQI：linkqualityindication)•物理层属性参数的获取与设置分层协议标准的关键术语-通信原语在分层的通信协议中，层与层之间是通过服务接入点(serviceaccesspoint,SAP)相连接的。每一层都可以通过本层与下一层的SAP调用下层所提供的服务．同时通过与上层的SAP为上层提供相应服务。SAP是层与层之间的唯一接口，而具体的服务是以通信原语的形式供上层调用的。①Request：请求原语用于上层向本层请求指定的服务。②Confirm：确认原语本层用于响应上层发出的请求原语。③Indication：指示原语由本层发给上层用来指示本层的某一内部事件。④Response：响应原语用于上层响应本层发出的指示原语。分层协议标准的关键术语-通信原语物理层中通过两个服务接入点提供两种服务：一种是通过物理层数据服务接入点(PD-SAP)为物理层数据提供服务；另一种是通过物理层管理实体(PLME)服务接入点(PLME-SAP)为物理层管理提供服务。物理层数据服务支持如下原语：①物理层数据请求原语PD-DATA．request;②物理层数据确认原语PD-DATA．confirm;③物理层数据指示原语PD-DATA．Indication。物理层管理服务支持如下原语：①请求清除信道评估原语PLME-CCA．request；②清楚信道估计的确认原语PLME-CCA．confirm;③能量检测请求原语PLME-ED．request;④能量检测确认原语PLME-ED．confirm；⑤属性请求原语PLME-GET．request;⑥属性确认原语PLME-GET．confirm；⑦设置设备收发状态请求原语PLME-SET-TRX–STATE.request;⑧设置设备收发状态确认原语PLME-SET-TRX–STATE.confirm;⑨PIB属性设置请求原语PLME-SET．request;⑩PIB属性设置确认原语PLME-SET．confirmIEEE802.15.4标准•IEEE802.15.4标准概述•网络组成及拓扑结构•协议栈架构•功能概述•物理层规范•信道分配及调制方式•物理层帧格式•物理层功能实现•MAC子层规范•MAC子层的信道访问方式•MAC子层的帧格式•MAC子层的功能实现1.1IEEE802.15.4标准概述IEEE802.15.4标准•IEEE802.15.4标准的MAC子层功能•采用CSMA-CA机制来访问物理信道；•协调器对网络的建立与维护；•支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）；•协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；•间接传输的实现(Transactionhandling)；•在两个MAC实体之间提供数据可靠传输；•可选的GTS支持；•支持安全机制；IEEE802.15.4标准不活跃时段不活跃时段接收信标帧发送信标帧接收信标帧接收(incom