第05章、通信标准

《无线传感器网络技术》讲义第五章、通信标准内容提要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工作组UWBZigbeeIEEE802.15.4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；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•两种不同类型的设备:–全功能设备(fullfunctiondevice,FFD)–精简功能设备(reducedfunctiondevice,RFD)•FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。•RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备（RFD的协调器coordinator）向外转发数据。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868MHz/915MHzPHY2.4GHz868.3MHzChannel0Channels1-10Channels11-262.4835GHz928MHz902MHz5MHz2MHz2.4GHzPHYIEEE802.15.4标准•信道分配IEEE802.15.4标准载波信道特性PreambleStartofPacketDelimiterPHYHeaderPHYServiceDataUnit(PSDU)4Octets0-127BytesSyncHeaderPHYPayload1Octets1OctetsFrameLength(7bit)Reserve(1bit)IEEE802.15.4标准•物理帧格式–前导码Preamble(32bits)–synchronization–帧起始分隔符Startofpacketdelimiter(8bits)–shallbeformattedas“11100101”–PHYheader(8bits)–PSDUlength–物理服务数据单元PSDU(0to127bytes)–datafieldIEEE802.15.4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；•在两个MAC实体之间提供数据可靠传输；•支持时槽保障GTS(guaranteedtimeslot)机制•支持安全机制；IEEE802.15.4标准图5-3：超帧结构IEEE802.15.4标准图5-7：CSMA-CA算法（概）SlottedCSMA/CAoptionalUnslottedCSMA/CAThereisnoconceptofCWinthispart.IEEE802.15.4标准图5-8：MAC帧格式IEEE802.15.4标准图5-10：数据帧格式图5-9：信标帧格式IEEE802.15.4标准图5-12：命令帧格式图5-11：确认帧格式IEEE802.15.4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.主要参考文献什么是ZigBee联盟?•ZigBee联盟是由全球多家知名科技公司而组成，通过开放的专业标准，致力推动及研发可靠,有效,及低功率的无线智能网络和监控产品。•ZigBee联盟现有的理事公司包括BMGroup,Ember公司,飞思卡尔半导体,Honeywell,三菱电机,摩托罗拉,飞利浦,三星电子,西门子,及德州仪器，华为等。HowisZigBeerelatedtoIEEE802.15.4?•ZigBeetakesfulladvantageofapowerfulphysicalradiospecifiedbyIEEE802.15.4•ZigBeeaddslogicalnetwork,securityandapplicationsoftware•ZigBeecontinuestoworkcloselywiththeIEEEtoensureanintegratedandcompletesolutionforthemarketZigBee网络应用PERSONALHEALTHCAREZigBeeLOWDATA-RATERADIODEVICESHOMEAUTOMATIONCONSUMERELECTRONICSTVVCRDVD/CDRemotecontrolsecurityHVAClightingclosuresPC&PERIPHERALSconsolesportableseducationalTOYS&GAMESINDUSTRIAL&COMMERCIALmonitorssensorsautomationcontrolmousekeyboardjoystickmonitorsdiagnosticssensorsZigBee标准图5-19：ZigBee协议栈模型ZigBee标准•Zigbee网络层功能实现•ZigBee网络的形成过程与设备的维护•ZigBee路由机制•应用层规范简介ZigBee标准•Zigbee网络层功能实现•ZigBee网络的形成过程与设备的维护•ZigBee路由机制•应用层规范简介ZigBee标准图5-20：数据实体与管理实体ZigBee标准•管理实体主要提供以下服务(1)配置一个新的设备(2)建立一个新的网络(3)加入和离开网络(4)地址分配(5)邻居发现(6)路由发现(7)接收控制ZigBee标准•ZigBee网络中三个设备–ZigBee协调器–ZigBee路由器–ZigBee终端设备ZigBee标准图5-21：Coordinator功能模块示意图ZigBee标准图5-22：Router功能模块示意图ZigBee标准图5-23：EndDevice功能模块示意图ZigBee标准•ZigBee网络的形成过程与设备的维护•网络建立•设备加入•设备短地址分配•设备离开•邻居列表的维护ZigBee标准表格5-2偏移量计算⎪⎩⎪⎨⎧−⋅−−+=−−⋅+=−−otherwiseRmRmCmRmCmRmifdLmCmdCskipdLm,111),1(1)(1在网络中的深度偏移量Cskip021152130ZigBee标准•ZigBee网络路由机制•路由消耗(RoutingCost)的计算•路由表维护•路由发现•树形路由过程ZigBee标准{}[]{}111,+−=∑=iiLiDDCPC路径总的路由花费：每个子路段计算出的内部链接花费函数：{}⎪⎩⎪⎨⎧⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=41,7min7lproundlCZigBee标准表格5-3:路由表名称大小描述目的地址2字节该路径的目的设备地址状态3比特路由发现的状态0x0：ACTIVE0x1：DISCOVERY_UNDERWAY0x2：DISCOVERY_FAILED0x3：INACTIVE0x4-0x7：RESERVED下一跳地址2字节通往目的设备路径上的下一跳设备地址ZigBee标准•路由方式–禁止路由发现–使能路由发现–强制路由发现–树形路由过程ZigBee标准图5-25:树形路由ZigBee标准表格5-4:路由发现表名称大小描述路由请求ID1byte路由请求命令帧的一个序列号，当设备每发起一个路由请求时，该序列号加1源设备地址2bytes发起路由请求设备的地址发送设备地址2bytes最后一次发送最小路由损耗路由请求命令帧的设备地址，用来确定路由回复命令帧最终的路径前向损耗1byte从路由请求的源设备到当前设备的累积路由损耗剩余损耗1byte从当前设备到目的设备的累积路由损耗定时时间2bytes路由发现倒计时定时器ZigBee标准图5-26:通过路由发现得到的路径内容提要1.IEEE802.15.4标准2.ZigBee标准3.主要参考文献主要参考文献[1]IEEE802.15.4-2006/2003[2]ZigBeespecificationv1.1[3]TransmissionofIPv6PacketsoverIEEE802.15.4Networks(draftietf6lowpanformat-13)(workinprogress)[4]6LoWPAN:Overview,Assumptions,ProblemStatementandGoals(draftietf6lowpanproblem08.txt)(workinprogress)[5]NeighborDiscoveryforIPversion6(draftietfipv62461bis-04.txt)(workinprogress)[6]6LoWPANAdHocOn-DemandDistanceVectorRouting(LOAD)(draftdaniel6lowpanloadadhocrouting-02.txt)[7]LowPanNeighborDiscoveryExtensions(draftchakrabarti6lowpanipv6nd-01.txt)