第2章 Zigbee技术原理

-1-第2章Zigbee技术原理-2-本章目标理解Zigbee网络结构掌握IEEE802.15.4通信层掌握MAC层和网络层帧结构掌握Zigbee网络层服务规范掌握Zigbee应用层规范-3-本章目标理解Zigbee网络结构掌握IEEE802.15.4通信层掌握MAC层和网络层帧结构掌握Zigbee网络层服务规范掌握Zigbee应用层规范-4-2.2Zigbee网络结构协调器路由器终端节点整个网络的中心功能为建立、维持和管理网络，分配网络地址路由发现、消息传输、允许其他节点通过它接入到网络数据采集或控制，不允许其他节点通过它加入到网络中-5-2.2.1Zigbee网络结构应用层网络层/安全层MAC层物理层IEEE802.15.4Zigbee联盟Zigbee网络分为4层，从下向上分别为物理层、MAC层、网络层和应用层。其中物理层和MAC层由IEEE802.15.4标准定义，合称IEEE802.15.4通信层；网络层和应用层由Zigbee联盟定义-6-2.2.2拓扑结构星型树型在星型拓扑结构中，所有的终端设备只和协调器之间进行通信，协调器作为发起设备，协调器一旦被激活，它就建立一个自己的网络，并作为PAN协调器。路由设备和终端设备可以选择PAN标识符加入网络。树型网络由一个协调器和多个星型结构连接而成，设备除了能与自己的父节点或子节点互相通信外，其他只能通过网络中的树型路由完成通信；在树型网络中，由协调器发起网络，路由器和终端设备加入网络。-7-2.2.2拓扑结构网状型网状型网络是在树型网络的基础上实现的。与树状网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点互相通信，由路由器中的路由表完成路由查寻过程。在网状型网络中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。-8-2.2.3协议架构物理层MAC层PD-SAPMLME-SAPMCPS-SAPMLME-SAP网络层路由管理网络管理网络安全管理应用支持子层APSAPS信息管理APS安全管理NLDE-SAPNLME-SAPZigbee设备对象ZDO应用设备框架AFZDO管理平台APSME-SAPNLDE-SAP应用设备240应用设备1…端点240APSDE-SAP端点1APSDE-SAP端点0APSDE-SAP安全服务提供商应用层-9-2.2.3协议架构IEEE802.15.4通信层（MAC层和物理层）网络层网络层提供保证IEEE802.15.4MAC层正确工作的能力，并为应用层提供合适的服务接口，包括数据服务接口和管理服务接口。应用层应用层包括三部分：应用支持子层、Zigbee设备对象和厂商定义的应用对象-10-2.3IEEE802.15.4通信层IEEE802.15.4规范满足国际标准组织（ISO）开放系统互联（OSI）参考模式，它定义了Zigbee的物理层和MAC层。-11-2.3.1物理层物理层所负责的功能：工作频段的分配信道的分配为MAC层提供数据服务为MAC层提供管理服务-12-2.3.1物理层工作频段的分配2.4GHZ868/915MHZIEEE802.15.4直接序列扩频全球统一的无须申请的ISM频段，此频段的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kbit/s的传输速率，提供16个数据速率为250kbps的信道。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，868MHz的传输速率为20kbit/s，915MHz是40kbit/s。868MHz支持1个数据速率为20kbps的信道，915MHz支持10个数据速率为40kbps的信道。-13-2.3.1物理层信道的分配IEEE802.15.4物理层在三个频段上划分了27个信道，信道编号k为0~26。2.4GHz频段上划分了16个信道，915MHz频段上有10个信道，868MHz频段只有1个信道。868.30906211,2,,10240521111,12,,26cccfMHzkfkMHzkfkMHzk-14-2.3.1物理层物理层服务规范物理层的主要功能是在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间透明地传输各种数据比特流。它提供的主要服务包括：物理层连接的建立、维持与释放、物理服务数据单元的传输、物理层管理、数据编码。物理层功能涉及“服务原语”和“服务访问接口”两个概念服务原语：Zigbee协议栈是一种分层结构，从下至上第N层向N+1层或者N+1层向第N层提供一组操作（也叫服务），这种“操作”叫做服务原语。它一般通过一段不可分割的或不可中断的程序实现其功能。服务原语用以实现层和层之间的信息交流。服务访问接口：服务访问接口（ServiceAccessPoint，SAP），是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。这里所说的“接口”是指不同功能层的“通信规则”。例如，物理层服务访问接口是通过射频固件和硬件提供给MAC层与无线信道之间的通信规则。服务访问接口是通过服务原语实现的，其功能是为其他层提供具体服务。-15-2.3.1物理层物理层功能数据的发送与接收物理信道的能量检测射频收发器的激活与关闭空闲信道评估链路质量指示物理层属性参数的获取与设置通过物理层服务访问接口来实现-16-2.3.1物理层物理层访问接口PD-SAPPLME-SAPPHY-PIBRF-SAP(无线发送接收访问接口)PLME物理层MAC层物理层数据服务访问接口，简称PD-SAP，PD-SAP负责物理层和MAC层之间提供数据服务。物理层管理服务访问接口，简称PLME-SAP，PLME-SAP除了负责在物理层和MAC层之间传输管理服务之外，还负责维护物理层PAN信息库；-17-2.3.1物理层数据的发送和接收数据的发送和接收是通过PD-SAP提供的PD-DATA原语完成的，它可以实现两个MAC子层的MAC协议数据单元（MACProtocolDataUnit，MPDU）传输。IEEE802.15.4标准专门定义了三个与数据相关的原语：数据请求原语（PD-DATA.Request），数据确认原语（PD-DATA.comfirm）和数据指示原语（PD-DATA.Indication）。数据请求PD-DATA.request（psduLength,psdu)数据确认PD-DATA.confirm（status)数据指示PD-DATA.indication（psduLength,psdu,ppduLinkQuality)-18-2.3.1物理层物理能量信道的检测协调器在构建一个新的网络时，需要扫描所有信道（在MAC层这种扫描称做ED_SCAN），然后为网络选择一个空闲的信道，这个过程在底层是借助物理信道能量检测来完成的。如果一个信道被别的网络占用，体现在信道能量上的值是不一样的。IEEE802.15.4标准定义了与之相关的两个原语：能量检测请求原语（PLME_ED.request）和能量检测确认原语（PLED-ED.confirm）。能量检测请求PLME-ED.request（）能量检测确认PLME-ED.confirm（status,EnergyLevel)-19-2.3.1物理层射频收发器的激活与关闭为了满足低功耗要求，在不需要无线数据收发时，可以选择关闭底层射频收发器。802.15.4标准定义了两个相关的原语：收发器状态设置请求原语（PLME-SET-TRX-STATE.request）和收发器状态设置确认原语（PLME-SET-TRX-STATE.confirm）。收发状态设置请求PLME-SET-TRX-STATE.request（status）收发状态设置确认PLME-SET-TRX-STATE.confirm（status)-20-2.3.1物理层空闲信道评估由于802.15.4标准的MAC子层采用的是CSMA/CA机制访问信道，需要探测当前的物理信道是否空闲，物理层提供的CCA检测功能就是专门为此而定义的。此功能定义的两个与之相关的原语为：CCA请求原语（PLME-CCA.request）与CCA确认原语（PLME-CCA.confirm）。CCA请求PLME-CCA.request（）CCA确认PLME-CCA.confirm（status)-21-2.3.1物理层链路质量指示高层的协议往往需要依据底层的链路质量来选择路由，物理层在接收一个报文的时候，可以顺带返回当前的LQI值，物理层主要通过底层的射频硬件支持来获取LQI。MAC软件产生的LQI值可以用信号接收强度指示器（RSSI）来表示。-22-2.3.1物理层物理层属性参数的获取与设置在Zigbee协议栈里面，每一层协议都维护着一个信息库（PANinformationbase，PIB）用于管理该层，里面具体存放着与该层相关的一些属性参数，如最大报文长度等。在高层可以通过原语获取或者修改下一层的信息库里面属性参数。IEEE802.15.4物理层也同样维护着这样一个信息库，并提供4个相关原语：属性参数获取请求（PLME-GET.request）属性参数获取确认原语（PLME-GET.confirm）属性参数设置请求原语（PLME-SET.request）属性参数设置确认原语（PLME-SET.confirm）-23-2.3.2MAC层MAC层负责无线信道的使用方式，它们是构建Zigbee协议底层的基础CSMA/CA访问信道PAN的建立和维护支持PAN网络的关联和解除关联协调器产生网络信标帧普通设备根据信标帧与协调器同步处理和维护保证GTS在两个对等MAC实体间提供可靠链路其功能如下：-24-2.3.2MAC层MAC子层具体功能采用CSMA/CA机制来访问信道PAN的建立和维护支持PAN网络的关联和解除关联协调器产生网络信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步处理和维护保证GTS在两个对等MAC实体间提供可靠链路-25-2.3.2MAC层MAC层服务规范PD-SAP物理层数据服务接口PLME-SAP物理层管理服务接口MLME-SAPMAC层管理服务接口MCPS-SAPMAC层数据服务接口MACPIBMAC公共部分子层（MCPS）MAC层管理服务（MLME）MAC管理服务可以提供调用MAC层管理功能的服务接口，同时还负责维护MACPAN信息库MAC数据服务可以提供调用MAC公共部分子层（MCPS）提供的的数据服务接口，为网络层数据添加协议头，从而实现MAC层帧数据-26-2.3.2MAC层CSMA/CA工作原理CSMA/CA机制实际是在发送数据帧之前对信道进行预约，以免造成信道碰撞问题。CSMA/CA提供两种方式来对无线信道共享访问，其工作流程如下：送出数据前，监听信道的使用情况，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后信道依然空闲，送出数据送出数据前，先送一段小小的请求传送RTS报文给目标端，等待目标端回应CTS报文后才开始传送-27-2.3.2MAC层PAN建立和维护在一个新设备上电的时候，如果设备不是协调器，它将通过扫描发现已有的网络，然后选择一个网络进行关联。如果是一个协调器设备，则扫描已有网络，选择空余的信道与合法的PANID，然后构建一个新网络。当一个设备在通信过程中，与其关联的协调器失去同步，也需要通过扫描通知其协调器。为了实现这些功能，802.15.4标准专门定义了4种扫描：1ED信道扫描2主动信道扫描3被动信道扫描4孤立信道扫描-28-2.3.2MAC层关联和解除关联“关联”即设备加入一个网络，“解除关联”即设备从这个网络中退出。对于一般的设备（路由器或者终端节点），在启动完成扫描后，已经得到附近各个网络的参数，下一步就是选择一个合适的网络与协调器进行关联。在关联前，上层需要设置好相关的PIB参数（调用PIB参数设置原语），如：物理信道的选择，PANID、协调器地址等。-29-2.3.2MAC层信标帧在信标帧使能的网络中，一般设备通过协调器信标帧的同步来得知协调器里是否有发送给自己的数据；另一方面，为了减少设备的功耗，