无线传感器网络课件-第六章

1第6章传感器网络协议的技术标准26.1技术标准的意义无线传感器网络的价值就在于它的低成本和可以大量部署。为降低产品成本、扩大市场和实现规模效益，传感器网络的某些特征和共性技术必须实现标准化，使不同产商的产品能协同工作。3传感器网络的标准化工作受到国际标准组织的普遍关注，已完成一些标准规范的制定。IEEE802.15.4/ZigBee规范，已经被一部分研究及产业界人士视为传感器网络的标准。IEEE802.15.4定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范，ZigBee定义了网络互联、传输和应用规范。46.2IEEE802.15.4标准6.2.1IEEE802.15.4标准概述无线传感器网络的底层标准一般沿用无线个域网（IEEE802.15）的相关标准部分。无线个域网（WPAN）的出现比传感器网络要早，通常定义为提供个人及消费类电子设备之间进行互联的无线短距离专用网络。5无线个域网专注于便携式移动设备间的双向通信技术问题，典型覆盖范围在10米以内。IEEE802.15就是为完成这一使命而专门设置，且已完成一系列相关标准的制定工作，包括广泛用于传感器网络底层标准IEEE802.15.4。6(1)在不同的载波频率下实现20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；(2)支持星型和点对点两种网络拓扑结构；(3)有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址。802.15.4标准的特点：7(4)支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA-CA)；(5)支持确认机制，保证传输可靠性。IEEE802.15.4标准主要包括物理层和MAC层的标准。802.15.4标准的特点：86.2.2物理层802.15.4标准规定物理层负责如下任务：①激活和去活无线收发器；②当前信道的能量检测；③发送链路质量指示；④CSMA/CA的空闲信道评估；⑤信道频率的选择；⑥数据发送与接收。9802.15.4标准定义27个信道，编号为0-26；跨越3个频段，包括：1）2.4GHz频段16个信道2）915MHz频段的10个信道3）868MHz频段的1个信道。10信道的频段中心定义如下(k表示信道编号)：fc=868.3MHZk=0fc=906+2×(k－1)MHzk=1，2，…，10fc=2405+5×(k－11)MHzk=11，12，…，26111、物理层服务规范•物理层(PHY)通过射频连接件和硬件提供MAC层和无线物理信道之间的接口。•在概念上提供“物理层管理实体(PLME)”，该实体提供用于调用物理层管理功能的管理服务接口。12物理层的组件和接口物理层提供两种服务：通过物理层数据服务接入点提供物理层的数据服务；通过PLME(物理层管理实体)服务接入点提供物理层的管理服务。13物理层的组件和接口物理层管理实体服务访问点无线射频服务访问点物理层数据服务接入点物理层物理层管理实体物理层的个域网信息库142、物理层帧结构4字节1字节1字节变长前导码SFD帧长度(7位)保留位(1位)PSDU同步头物理帧头PHY负载152、物理层帧结构前导码由32个0组成，用于收发器进行码片或者符号的同步。帧起始定界符（SFD）域由8位组成，表示同步结束，数据包开始传输。SFD与前导码构成同步头。162、物理层帧结构帧长度由7位组成，表示物理服务数据单元（PHYservicedataunit,PSDU）的字节数。其中0～4和6～7位为保留值。帧长度域和1位的保留位构成了物理头。PSDU域是变长的，携带PHY数据包的数据，包含介质访问控制协议数据单元。PSDU域是物理层的载荷。176.2.3MAC子层1、MAC层服务规范为业务相关的会聚子层（SSCS）和物理层提供接口。在概念上提供介质访问控制层管理实体(MLME)，负责用于调用MAC层管理功能的管理服务接口。MLME还负责维护属于MAC层的管理对象数据库，该数据库被称为“MAC层的个域网信息库(PIB)”。18MCPS-SAPMLME-SAPPD-SAPMAC通用部分子层MAC层管理实体MAC层的个域网信息库PLME-SAP192、MAC层的帧结构MAC层的通用帧结构由帧头、MAC负载和帧尾构成。帧头的域都以固定的顺序出现，不过寻址域不一定要在所有帧都出现。2016位10/20/2变长2帧控制序列号目标PAN标识目标地址源PAN标识源地址帧负载FCS地址域MHRMAC负载MFR21帧控制域的长度是16位，包含帧类型定义、寻址域和其它控制标志等。序列号域的长度是8位，为每个帧提供唯一的序列标识。22目标PAN标识域的长度是16位，内容是指定接收方的唯一PAN标识。根据寻址模式域中指定的寻址模式，目标地址域的长度可以是16或者64位，内容是指定接收方的地址。23源PAN标识域的长度是16位，内容是发送帧设备的唯一PAN标识。根据寻址模式域中指定的寻址模式，源地址域的长度可以是16或者64位，内容是发送帧的设备地址。24帧负载域长度可变，根据不同的帧类型其内容各不相同。FCS域的长度是16位。256.3ZigBee协议标准6.3.1ZigBee概述1、ZigBee的由来ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。26ZigBee的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备提供无线通信功能；并希望在不更换电池并且不充电的情况下正常工作几个月甚至几年。27ZigBee无线设备工作在公共频段上(全球2.4GHz、美国915MHz、欧洲868MHz)，传输距离为10～75m，具体数值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗。ZigBee的通信速率在2.4GHz时为250kbps，在915MHz时为40kbps，在868MHz时为20kbps。28相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee是最低功耗和成本的技术。ZigBee的低数据率和通信范围较小的特点，适合于承载数据流量较小的通信业务。传输距离292、ZigBee协议框架完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。数据链路层可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。应用层应用汇聚层网络层LLC数据链路层MAC物理层30物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术，定义了三种流量等级：采用2.4GHz时，使用16信道，传输速率250kbps；采用915MHz时，使用10信道，传输速率40kbps的；采用868MHz时，使用单信道，传输速率20kbps的。31直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路设计变得简单；且具有更高的容错性能，适合低端系统的实现。32ZigBee界定了网络、安全和应用框架层，网络层支持三种拓扑结构：星型(Star)结构、网状(Mesh)结构和簇树型(ClusterTree)结构。33星型网络最常见，可提供很长时间的电池使用寿命。网状网络可有多条传输路径，它具有较高的可靠性。树型网络结合了星型和网状型结构，既有较高的可靠性，又节省电池能量。34功能简化型设备是网络中简单的发送接收节点，它一般由电池供电，只与功能完备型设备连接通信。功能完备型设备是一种功能完备的设备，可完成路由任务，充当网络协调器。它可与其它的功能完备型设备或功能简化型设备连接通信，一般接有线电源。35ZigBee的逻辑设备按其功能可分为协调器、路由器和终端设备。协调器的作用在于启动网络初始化、组织网络节点和存储各节点信息。路由器设备的作用是管理每对节点的路由信息。终端设备相当于网络中的叶节点，可以是任意类型的物理设备。36(1)数据传输速率低：数据率只有10kbps～250kbps，专注于低传输应用。(2)有效范围小：有效覆盖范围10～75m间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。3、ZigBee的技术特点37(3)工作频段灵活：使用频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为无需申请的ISM频段。(4)省电：由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确保两节五号电池支持长达6个月至2年左右的使用时间，当然不同应用的功耗有所不同。38(5)可靠：采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突。(6)成本低：由于数据传输速率低，协议简单，降低了成本，使用ZigBee协议可免专利费。(7)时延短：设备搜索时延的典型值为30ms，休眠激活时延的典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。39(8)网络容量大：一个ZigBee网络可容纳多达254个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达100个ZigBee网络。(9)安全：ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用AES-128，应用层安全属性可根据需求来配置。406.3.2网络层规范网络层从功能上为IEEE802.15.4MAC子层提供支持，为应用层提供合适的服务接口。为实现与应用层的接口，网络层从逻辑上分为两个具备不同功能的服务实体，分别是数据实体和管理实体。4116位字节22ll变长帧控制域目标地址源地址半径序列号帧负载路由域帧头网络负载ZigBee网络层的帧结构42①帧控制域：由16位组成，内容包括帧种类、寻址、排序域和其它的控制标志位。②目标地址域：必备，有两个8位字节长，用来存放目标设备的16位网络地址或者广播地址(0xffff)。③源地址域：必备，有两个8位字节长，用来存放发送帧设备自己的16位网络地址。43④半径域：必备，有一个8位字节长，用来设定传输半径。⑤序列号域：必备，有一个8位字节长，在每次发送帧时改为加1。⑥帧负载域：该域长度可变，内容由具体情况决定。446.3.3ZigBee协议栈ZigBee系统软件的开发是在厂商提供的ZigBee协议栈的MAC和物理层基础上进行的。协议栈分有偿和无偿两种。45无偿的协议栈能够满足简单应用开发的需求，但不能提供ZigBee规范定义的所有服务，有些内容需要用户自己开发。例如，Microchip公司为产品PICDEMO开发套件提供了免费的MPZigBee协议栈；Freescale公司为产品13192DSK套件提供了Smac协议栈。46有偿的协议栈能够完全满足ZigBee规范，提供丰富的应用层软件实例、强大的协议栈配置工具和应用开发工具。一般开发板提供有偿协议栈的有限使用权，如购买开发套件，可以获得一定期限的使用权。单独购买有偿的协议栈及开发工具比较昂贵。47小结