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《无线传感器网络技术》讲义第五章、通信标准2007年8月20日内容提要1.IEEE802.15.4标准2.ZigBee标准3.6LowPan草案4.主要参考文献内容提要1.IEEE802.15.4标准2.ZigBee标准3.6LowPan草案4.主要参考文献IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准的主要特征：•实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率；•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（Carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA-CA）的信道访问机制；•支持ACK机制以保证可靠传输；•低功耗机制；•信道能量检测（EnergyDetection，ED）；•链路质量指示（Linkqualityindication，LQI）；•工作在ISM频段上，其中在2450MHz波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道；•数据安全策略。IEEE802.15.4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IEEE802.15.4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IEEE802.15.4标准图5-1：星型和点到点拓扑结构IEEE802.15.4标准图5-2：IEEE802.15.4协议栈架构IEEE802.15.4标准•IEEE802.15.4标准功能概述•超帧结构•数据传输模型•MAC层帧结构•数据可靠传输机制•低功耗策略•数据的安全服务IEEE802.15.4标准图5-3：超帧结构不活跃时段(Inactive)信标帧信标帧超帧持续时间长度(SD)信标帧周期(BI)GTSGTS竞争访问时段(CAP)无竞争访问时段(CFP)IEEE802.15.4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IEEE802.15.4标准表格5-1信道分配和调制方式频段(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正交注：*项为可选项目，系802.15.4-2006新增内容IEEE802.15.4标准图5-4：物理帧格式Ocets：4字节1字节1字节可变前导码（preamble）SFDFramelength(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5-5：物理层参考模型RF-SAPPD-SAPPLME-SAP物理层PHY-PIBPLMEIEEE802.15.4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IEEE802.15.4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标准图5-6：中间协调器接收和发送信标帧不活跃时段不活跃时段接收信标帧发送信标帧接收(incoming)超帧发送(outgoing)超帧接收信标帧超帧持续时间长度(SD)超帧持续时间长度(SD)开始时间SD信标帧周期(BI)IEEE802.15.4标准图5-7：CSMA-CA算法（概）CSMA-CA采用时槽?NB=0,CW=2是NB=0,BE=macMinBE否电源寿命扩展?BE=min(2,macMinBE)是否定位到回退周期边界BE=macMinBE等待random*(2BE-1)个回退周期在回退周期边界做CCA检测信道空闲?CW=CW-1是否CW=2,NB=NB+1BE=min(BE+1,macMinBE)NBmacMaxCSMABackoffsCW=0?是否是失败成功否等待random*(2BE-1)个回退周期CCA检测信道空闲?NB=NB+1BE=min(BE+1,macMinBE)否是成功NBmacMaxCSMABackoffs否失败是IEEE802.15.4标准图5-7：CSMA-CA算法CSMA-CA采用时槽?NB=0,CW=2是NB=0,BE=macMinBE否电源寿命扩展?BE=min(2,macMinBE)是否定位到回退周期边界BE=macMinBE等待random*(2BE-1)个回退周期在回退周期边界做CCA检测信道空闲?CW=CW-1是否CW=2,NB=NB+1BE=min(BE+1,macMinBE)NBmacMaxCSMABackoffsCW=0?是否是失败成功否等待random*(2BE-1)个回退周期CCA检测信道空闲?NB=NB+1BE=min(BE+1,macMinBE)否是成功NBmacMaxCSMABackoffs否失败是IEEE802.15.4标准图5-7：CSMA-CA算法（续）CSMA-CA采用时槽?NB=0,CW=2是NB=0,BE=macMinBE否电源寿命扩展?BE=min(2,macMinBE)是否定位到回退周期边界BE=macMinBE等待random*(2BE-1)个回退周期在回退周期边界做CCA检测信道空闲?CW=CW-1是否CW=2,NB=NB+1BE=min(BE+1,macMinBE)NBmacMaxCSMABackoffsCW=0?是否是失败成功否等待random*(2BE-1)个回退周期CCA检测信道空闲?NB=NB+1BE=min(BE+1,macMinBE)否是成功NBmacMaxCSMABackoffs否失败是IEEE802.15.4标准图5-8：MAC帧格式MAC负载帧尾(MFR)帧头(MHR)Ocets:210/20/2/80/20/2/80/5/6/10/142可变帧控制域(FrameControl)帧序列号(SeqNum)地址域目标PANID目标地址源PANID源地址附加安全头部帧负载FCS校验IEEE802.15.4标准图5-10：数据帧格式MAC负载帧尾(MFR)帧头(MHR)Ocets:214/100/5/6/10/142可变帧控制域(FrameControl)帧序列号(SeqNum)地址域附加安全头部帧负载FCS校验可变可变2超帧描述GTS分配释放信息待发数据目标地址信息图5-9：信标帧格式MAC负载帧尾(MFR)帧头(MHR)Ocets:214/200/5/6/10/14帧控制域(FrameControl)帧序列号(SeqNo)地址域附加安全头部数据帧负载FCS校验2可变IEEE802.15.4标准图5-12：命令帧格式图5-11：确认帧格式帧尾(MFR)帧头(MHR)Ocets:21帧控制域(FrameControl)帧序列号(SeqNum)FCS校验2MAC负载帧尾(MFR)帧头(MHR)Ocets:214/200/5/6/10/14帧控制域(FrameControl)帧序列号(SeqNo)地址域附加安全头部命令帧负载FCS校验1命令帧ID2可变IEEE802.15.4标准图5-13：MAC层参考模型MCPS-SAPMLME-SAPPLME-SAPPD-SAPMACPIBMLMEMCPSIEEE802.15.4标准•MAC子层功能实现•PAN的建立与维护•关联请求与取消•与信标帧的同步•数据的间接传输方式•数据的发送，接收与重传•GTS的分配与管理•MAC子层PIB的维护•MAC子层的安全策略IEEE802.15.4标准图5-14：设备关联的消息流程设备高层设备MLME协调器MLME协调器高层AckowledgementAckowledgementAckowledgementAssociationresponseDatarequestAssociationrequestMLME-ASSOCIATE.requestMLME-ASSOCIATE.confirmMLME-ASSOCIATE.indicationMLME-ASSOCIATE.responseMLME-COMM-STATUS.indicationmacResponseWaitTimeIEEE802.15.4标准图5-15：设备发起取消关联的消息流程设备高层设备MLME协调器MLME协调器高层AckowledgementMLME-DISASSOCIATE.requestMLME-DISASSOCIATE.confirmMLME-DISASSOCIATE.indicationDisassociationnotificationIEEE802.15.4标准图5-16：与协调器同步消息流程(信标使能网络)设备高层设备MLME协调器MLMEBeaconframeTimertoexpirebeforethenextbeaconBeaconframeMLME-SYNC.request(TRUE)MLME-SYNC.request(FALSE)DataRequestBeaconframe(datapending)a)b)IEEE802.15.4标准图5-17：GTS分配过程消息流程图设备高层设备MLME协调器MLME协调器高层AckowledgementMLME-GTS.requestMLME-GTS.confirmMLME-GTS.indicationGTSrequestBeacon(withGTSdescriptor)IEEE802.15.4标准图5-18：GTS释放消息流程设备高层设备MLME协调器MLME协调器高层AckowledgementMLME-GTS.requestMLME-GTS.indicationGTSrequestBeacon(withGTSdescriptor)a)b)MLME-GTS.confirmMLME-GTS.requestMLME-GTS.confirmMLME-GTS.ind