第6章通信标准

1、第六章 通信标准 lIEEE 802.15.4标准lZigBee标准l无线局域网技术l蓝牙技术lUWB技术第六章 通信标准lIEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4 是一种能量消耗少，结构简单且容易实现的无线通信网络协议，它主要致力于解决无线连接在能量值和网络吞吐量低的网络中应用。与WLAN相比，基本上不需要基础设施的支持。具体要求如下： 在不同的载波频率下实现20 kbps、40 kbps、100 kbps以及250 kbps四种不同的传输速率； 支持星状和点对点两种网络拓扑结构； 在网络中使用两种地址格式，16位和64位地址，16位地址由协调器分配，64位地址被用于全球唯一

2、的扩展地址； 采用可选的时槽 保障（GTS）机制； 采用冲突避免的载波多路侦听技术（CSMA/CA）； 支持ACK反馈机制，确保数据的可靠传输。第六章 通信标准IEEE 802.15.4网络又称为LR WPAN网络，在这个网络中，根据设备所具有的通信能力和硬件条件，可以将它分为全功能设备和精简功能设备。lIEEE 802.15.4标准第六章 通信标准LR WPAN： low-rate Wireless Personal Area Network 低速无线个人局域网IEEE 802.15.4的拓扑结构根据应用的场景可以分为两种，星状网络和点对点网络。在星状网络星状网络中，整个网络的数据传输都要经

3、过网络协调器来进行控制，其余各个终端设备只能与网络协调器进行数据的交换。在点对点网络点对点网络中，只要通信设备在对方的无线辐射范围内就可以与之通信。lIEEE 802.15.4标准第六章 通信标准IEEE 802.15.4网络协议栈定义了两个层：物理层和链路层，物理层是由射频收发器和底层控制模块组成，链路层为高层访问提供了访问物理信道的服务接口。lIEEE 802.15.4标准协议栈第六章 通信标准1物理层规范物理层规范在OSI参考模型中，物理层是模型的最底层，是保障信号传输的功能层，IEEE 802.15.4的物理层与OSI模型类似，主要负责信号的发送与接收，提供无线物理信道和MAC子层之间

4、的接口等，它为链路层提供的服务包括物理连接的建立、维持与释放，物理服务数据单元的传输，物理层管理和数据编解码。第六章 通信标准lIEEE 802.15.4标准物理层1）信道分配及调制方式2）物理层帧结构lIEEE 802.15.4标准物理层第六章 通信标准物理层的数据帧也可以称为物理层协议数据单元，每个PPDU帧由同步头、物理帧头和PHY负载组成，同步头包括1个前导码和1个帧起始分隔符（SFD），前导码由4个全0的字节组成，收发器在接收前导码期间会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步；帧起始分隔符SFD字段长度为1个字节，它的值固定为0 xA7，表明前导码已经完成了同步，开始接收数据帧。物

5、理帧头中低7位用来表示帧长度，高位是保留位。物理帧的负载长度可变，称为物理服务数据单元（PHY Service Data Unit，PSDU），一般用来承载MAC帧。lIEEE 802.15.4标准物理层第六章 通信标准3）物理层功能的实现所有的物理层服务均是通过物理层服务访问接口实现的，数据服务是通过物理层数据访问接口（PD-SAP）实现的，管理服务则是通过物理层管理实体访问接口（PLME-SAP）实现的，每个接口都提供了相关的访问原语。（1）信号的发送接收与编解码（2）物理信道的能量监测（Energy Detection，ED）（3）射频收发器的激活和关闭（4）空闲信道评估（Clear C

6、hannel Assessment，CCA）（5）链路质量指示（LQI）（6）物理层属性参数的获取与设置lIEEE 802.15.4标准物理层第六章 通信标准IEEE 802.15.4标准将无线传感器网络的数据链路层分为两个子层，即逻辑链路子层（LLC）和介质控制访问子层（MAC），MAC子层主要负责解决共享信道问题，IEEE 802.15.4标准规定MAC层实现的功能有： 采用CSMA/CA机制来解决信道冲撞问题； 网络协调器产生并发送信标帧，用于协调整个网络； 支持PAN网络的关联和取消关联操作； 支持时槽保障（CTS）机制； 支持不同设备的MAC层间可靠传输。lIEEE 802.15.4

7、标准数据链路层第六章 通信标准1）信道的时段分配）信道的时段分配首先来认识一个概念超帧。超帧是一种用来组织网络通信时间分配的逻辑结构，它将通信时间划分为活跃和不活跃两个时段：在不活跃期间，PAN网络中的设备不会相互通信，从而进入休眠状态来节省能量。网络的通信在活跃期间进行，活跃期间由可以分为三个阶段，即：信标帧发送时段、竞争访问时段（CAP）和非竞争访问时段（CFP）。lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准竞争访问时段竞争访问时段（CAP）: 设备通过CSMA/CA机制与网络协调器通信。非竞争访问时段非竞争访问时段（CFP）:又分为几个GTS，网络协调器在这个时段内只

8、能与指定的设备进行通信。网络协调器在每个超帧时段最多可以分配7个GTS，一个GTS可以占有多个时槽。lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准2）CSMA/CA算法算法lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准每个采用CSMA/CA算法的设备需要维护三个变量：NB、CW和BE。NB记录在当前帧传输时已经回退的次数，CW记录竞争窗口的尺寸，即监测到信道空闲后还需等待多长时间才能真正开始发送数据，BE是一个回退指数，是指在冲突后再次开始监测信道需要等待的时间（2BE1）。在 初 始 化 后 ， 对 于 基 于 时 槽 的CSMA/CA算法，先定位到回退时

9、间的边界，然后等待指定的时间，开始信道探测，直到信道为空闲，然后在等CW个回退周期长度，最后发送数据。发送程序必须确保当前的数据可以在CAP期间完成，才会进行发送，否则将保存到下一个超帧中发送。2）CSMA/CA算法算法lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准对于非时槽的CSMA/CA机制，监测到空闲信道后就可以直接发送数据。在发送过程中，如果多次探测信道的结果都一直为忙（NB大于某个设定的值），则需要向上层报告发送失败，由上层处理。为减少冲突以提高整个网络的吞吐量，有两种特殊情况时不采用CSMA/CA来进行数据的发送：一种是应答帧，另外一种就是紧接在数据请求帧之后的数

10、据帧，它们可以直接发送。3）数据传输模）数据传输模式式IEEE 802.15.4网络中存在三种数据传输模式：设备发送数据给网络协调器网络协调器发送数据给设备对等设备之间的数据传输lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准4）MAC子层的帧格式子层的帧格式MAC层帧结构的设计目标就是在保持低复杂度的前提下，实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。每个MAC子层的帧包括三个部分：帧头、负载和帧尾。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。负载长度大小可变，具体内容由帧类型决定。帧尾是一个16位的CRC效验码。 lIEEE 802.15.4标准数据链路层MAC第六章 通信标准M

11、AC帧格式lZigee协议第六章 通信标准ZigBee技术技术是一种面向自动化和无线控制的价格低廉、能耗小的无线网络协议，IEEE 802.15.4技术的出现推动了它在工业、农业、军事、医疗等专业领域的应用。ZigBee技术建立在IEEE 802.15.4协议之上，根据ZigBee联盟的规范，ZigBee在IEEE 802.15.4的基础上扩展了网络层和应用层，其协议栈如图 ZigBee协议中定义了三种设备：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备：ZigBee协调器协调器，它负责建立并启动一个网络，包括选择合适的射频信道、唯一的网络标识符等一系列操作。ZigBee路由器路

12、由器作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够拓展网络的范围，负责搜寻网络，并在任意两个设备之间建立端到端的传输。ZigBee终端设备终端设备作为网络中的终端节点，负责数据的采集。lZigee协议第六章 通信标准从功能上讲，网络层必须为IEEE 802.15.4的MAC子层提供支持，并为应用层提供合适的服务接口。为了实现与应用层的接口，网络层网络层从逻辑上被分为两个具有不同功能的服务实体：数据实体和管理实体。数据实体（数据实体（NIDE）接口）接口主要负责向上层提供所需的常规数据服务管理实体接口主要负责向上层提供访问接口参数、配置和管理数据的机制，包括配置新的设备、建立新的网络、加入和离开网络、

13、地址分配、邻居发现、路由发现、接收控制等功能。lZigee协议网络层第六章 通信标准lZigee协议网络层第六章 通信标准1网络建立：网络建立：ZigBee网络的建立是由某个节点开始的，只有一个未加入网络的协调器节点通过NLME-NETWORD-FORMATION.request原语来建立ZigBee网络，协调器利用MAC子层提供的扫描功能，设定合适的信道和网络地址后，发送信标帧，以吸引其他节点加入到网络中。2设备的加入：设备的加入：处于激活状态的设备可以直接加入网络，也可以通过关联操作加入到网络中。ZigBee网络层提供了NLME-JOIN.request原语来完成这个操作。网络层参考LQI

14、值和网络深度两个指标来进行设备父设备的选择，LQI即链路质量，网络深度表示该设备最少经过多少跳到达协调器，设备优先选择LQI值高、网络深度小的设备作为其父设备。确定好父设备后，设备向其父设备发送加入请求，经过父节点的同意后加入该网络，若父节点不接收该设备，则该设备重新选择一个父设备节点进行连接，直到最终加入网络。3. 设备段地址分配设备段地址分配：设备加入到网络之后，网络就会为其分配网络地址，网络地址的分配主要依据三个参数：最多子设备数、最大网络深度和最大路由数，其地址偏移量计算公式为：4. 设备的离开设备的离开：设备节点的离开有两种不同的情况：第一种是子设备向父设备请求离开网络，第二种是父设

15、备要求子设备离开网络。当一个设备接收到高层的离开网络的请求时，它首先请求其所有的子设备离开网络，所有子设备移出完毕后，最后通过取消关联操作向其父设备申请离开网络。lZigee协议网络层第六章 通信标准5邻居列表的维护邻居列表的维护邻居列表中包含传输范围内所有节点的信息，邻居列表的维护主要体现在以下几个方面： 节点接入网络时，从收到的信标帧中获取周围节点的信息，并添加到邻居列表中； Router和Coordinator将其子节点添加到邻居列表中； 当检测到节点离开其一跳范围时，并不是将节点的信息从邻居列表中移除，而是把Relationship项设置为0 x03，表示和该节点没有关系。lZigee

16、协议网络层第六章 通信标准ZigBee的应用层由三个部分组成：应用支持子层、应用层框架和ZigBee应用对象（ZDO）。应用支持子层应用支持子层为网络层和应用层通过ZigBee设备对象与制造商定义的应用对象使用的一组服务提供了接口，该接口提供了ZigBee设备对象和制造商定义的应用对象使用的一组服务，通过数据服务和管理服务两个实体提供这些服务。应用框架应用框架可为驻扎在ZigBee设备中的应用对象提供活动的环境。设备对象设备对象描述了一个基本的功能函数，这个功能在应用对象、设备（Profile）和APS之间的提供了一个接口。 ZDO位于应用框架和应用支持子层之间，可满足所有在ZigBee协议栈

17、中应用操作的一般需要lZigee协议应用层第六章 通信标准无线局域网由无线网卡、无线接入点AP、无线网桥和无线网关等组成。1无线网卡（无线网卡（NIC）：无线网卡是高频、宽带无线组网设备，它通过采用载波监听访问协议把无线终端连接起来。2访问节点（访问节点（Access Point）：无线访问节点AP主要用于WLAN子网中，是无线子网的基站。提供子网内无线设备的组网。同时它也实现WLAN和有线局域网之间的桥接。3无线网桥（无线网桥（Wireless Bridge）：无线网桥是为使用无线（微波）进行远距离点对点网间互联而设计的，它是一种在数据链路层实现LAN互联的存储转发设备，可用于固定数字设备与

18、其他固定数字设备之间的远距离、高速无线组网，特别适用于城市中的远距离高速组网和野外作业的临时组网。4无线网关（无线网关（Wireless Gateway）：无线网关也称为无线协议转换器，它在传输层实现网络互联，是最复杂的网间互联设备，仅用于两个高层协议不同的网络互联。无线网关通过不同设置可完成无线网桥和无线路由器的功能，也可以直接连接外部网络，如WAN，同时实现AP功能l无线局域网技术第六章 通信标准IEEE 802.11网络带有无线网卡的移动终端（STA）和无线接入点（AP）相互作用形成一个WLAN，使得移动终端的移动性对高层协议透明。IEEE 802.11标准支持两种拓扑结构：独立基本服务

19、集（IBSS）网络和扩展服务集（ESS）网络。这些网络使用一个基本构件块：基本服务集（BSS），它提供一个覆盖区域，使BSS中的站点保持充分的连接。一个站点可以在BSS内自由移动，但如果离开了BSS区域就不能与其他站点建立直接连接l无线局域网技术网络拓扑结构第六章 通信标准 当一个BSS内的所有终端都是移动终端并且和有线网络没有连接时，该BSS称为独立基本服务集（IBSS） IBSS是最基本的IEEE 802.11无线局域网，至少包括两个无线站点。IBSS没有中继功能，一个移动终端要想和其他移动终端通信，必须处在能够直接通信的物理范围之内l无线局域网技术网络拓扑结构第六章 通信标准当一个BSS

20、中包含无线接入点（AP）时，由AP和分布式系统（DS）相互连接就可以组成扩展服务集（ESS）l无线局域网技术网络拓扑结构第六章 通信标准l无线局域网技术 IEEE 802.11协议栈第六章 通信标准IEEE 802.11协议主要由物理层和数据链路层的MAC子层组成，其中物理层又可分为物理层汇聚（PLCP）子层和物理层媒质依赖（PMD）子层。LLC层通过MAC服务访问点与对等的LLC实体进行数据交换。本地MAC层利用下层的服务将一个MSDU传给一个对等的MAC实体，然后由该对等MAC实体将数据传给对等的LLC实体。IEEE 802.11协议参考模型 IEEE 802.11规定在MAC层采用两种介

21、质访问方式分布式控制方式（DCF） ：工作在竞争期（CP），是IEEE 802.11 MAC层主要采用的访问协议。采用具有冲突避免的载波监听多路访问（CSMA/CA）协议进行无线介质共享。中心控制方式（PCF）：工作在非竞争期（CFP），中心控制方式（的 优先级高于分布式控制方式（DCF）的访问方式，提供对无线媒质的无竞争访问。在这种工作模式下，置于访问节点（AP）中的中心控制器（PC）控制来自工作站的帧的传送。l无线局域网技术 IEEE 802.11协议栈第六章 通信标准1分布式控制方式分布式控制方式分布式控制方式（DCF）是与物理层兼容的工作站和访问节点（AP）之间自动共享无线介质的访问协

22、议，是IEEE 802.11 MAC层主要采用的访问协议。IEEE 802.11 DCF采用具有冲突避免的载波监听多路访问（CSMA/CA）协议进行无线介质共享.l无线局域网技术 IEEE 802.11协议栈第六章 通信标准1分布式控制方式分布式控制方式举例：举例： 在节点A发送数据时，节点B、C、D都有帧要发送，需要等待信道连续空闲DIFS时间后，这时三个节点进入退避阶段。节点B、C、D在CW内随机产生一个退避时间，因为节点C所产生的退避时间最短，其退避计时器最先减至0，从而开始发送帧，同时节点B和D的退避计时器被冻结。在节点C的传送过程中，节点E也有帧要发送，进入等待过程。信道空闲DIES

23、时间后，节点B和D的退避计时器解冻，节点E产生随机退避时间。因为节点D的退避计时器最先减至0，所以节点D获得发送机会。每个节点都要维护一个CW参数，CW的初始值为CWmin。当一个节点发送失败时，该节点的CW就会增加1倍。以后，该节点每次因发送失败而重传时，CW都会增加1倍，即CW=2m(CWmin+1)1，其中m为重传次数。当CW的值增加到CWmax时，再连续重传时CW的值将保持为CWmax不变，当该节点发送成功或者达到了最大重传次数限制，CW将被重新置为Cwmin。l无线局域网技术 IEEE 802.11协议栈第六章 通信标准2中心控制方式中心控制方式中心控制方式（PCF）是优先级高于分布

24、式控制方式（DCF）的访问方式，提供对无线媒质的无竞争访问。在这种工作模式下，置于访问节点（AP）中的中心控制器（PC）控制来自工作站的帧的传送。工作站均在PC的控制下获得对媒质的优先访问。中心控制器在其发出的查询帧中使用PIFS，因为PIFS小于DIFS，因而中心控制器总是能获得对介质的访问，并且在其发送查询帧、接收响应时，把异步通信全部都锁住。PC在每一个无竞争期开始，都对介质进行监测。如果介质在PIFS间隔之后仍然空闲，PC就发送一个包含无竞争期各项参数的信标（Beacon）帧。l无线局域网技术 IEEE 802.11协议栈第六章 通信标准2中心控制方式中心控制方式在含有AP的BSS中，

25、信标帧用于保证相同物理网络中工作站的同步，它包含时间戳（Time Stamp），所有工作站都利用时戳来更新计时器，IEEE 803.11定义其为时间同步功能（Timing Synchronization Funtion，TSF）计时器。工作站接收到信标帧后，利用CF参数设置中的CFPMaxDuration值更新NAV，该值向所有工作站通知无竞争期的长度，直到无竞争期结束才允许工作站获得对介质的控制权。l无线局域网技术 IEEE 802.11协议栈第六章 通信标准发送信标帧后，PC等待至少一个DIFS间隔，然后发送下列帧。（1）数据帧数据帧：该帧直接从PC发往某个特定的工作站，如果PC没有收到接

26、收端返回的确认帧（ACK），它就会在无竞争期内的DIFS问隔后重发该帧。除了这种单点传输的数据帧，PC还可以向所有的终端（包括处于节能模式下的终端）发送广播帧，因为所有处于节能模式下的终端每隔TIM（Traffic Indication Map，业务指示表）时间都要转入活动状态接收PC发出的信标帧。（2）无竞争轮询帧无竞争轮询帧：PC向某个工作站发送无竞争轮询帧，授权该工作站可以向任何其他目的终端发送数据。如果被轮询的工作站没有数据要发送，它就发送一个空的数据帧。如果该站没有收到已发送数据的确认帧，则必须在被PC再次轮询时重发未被确认的帧。（3）数据帧数据帧+无竞争轮询帧无竞争轮询帧：PC向某

27、个工作站发送数据，并轮询其是否有数据发送，这样可以减少因分两次发送和确认带来的系统开销。（4）无竞争结束帧无竞争结束帧：该帧用于确定竞争期的结束。l无线局域网技术 IEEE 802.11协议栈第六章 通信标准蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般在10 m内）的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等之间进行无线信息交换。利用蓝牙技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2

28、.4 GHz ISM频段，其数据速率为1 Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。l蓝牙技术第六章 通信标准1基带协议基带协议层确保网内各蓝牙设备之间射频构成物理连接。基带协议使用查询和寻呼进程来使不同设备间的发送频率和时钟保持同步。基带数据分组提供面向连接（SCO）和无连接（ACL）两种物理连接方式，而且在同一射频上可实现多路数据传送。ACL适用于数据分组，SCO适用于语音及数据/语音的组合，各种用户模型在蓝牙设备之间可传送语音，语音模式在蓝牙系统内相对简单，只需开通语音连接，就可传送语音。2链路管理协议链路管理协议（LMP）负责蓝牙各设备间连接的建立和设置，它通过连接的发起、交换、核

29、实来进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组大小，它还控制无线设备的节能模式和工作周期，以及匹克网内设备的连接状态。l蓝牙技术核心协议第六章 通信标准3逻辑链路控制和适配协议逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）是基带的上层协议，可以认为它与LMP是并行工作的。它们的区别在于当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务。L2CAP向上层提供面向连接的和无连接的数据服务时，采用了多路复用技术、分段和重组技术及组概念。L2CAP允许高层协议以64 KB收发数据分组。虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连接类型，但L2CAP只支持ACL。4服务搜索协议服务搜索协议（SDP）在蓝牙技术框架中起

30、到至关重要的作用，它是所有用户模式的基础。使用SDP，可以查询到设备和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。l蓝牙技术核心协议第六章 通信标准l蓝牙技术协议栈第六章 通信标准1频段免费蓝牙（Bluetooth）无线技术使用ISM频段，可在全球免费使用。2设备范围广Bluetooth技术得到广泛的应用，集成该技术的产品从手机、汽车到医疗设备，使用该技术的用户包括普通消费者、工业市场到企业等用户3易于使用它不要求固定的基础设施，且易于安装和设置。可以随身组成个人局域网（PAN），并与其他网络连接。4抗干扰能力强采用GFSK调制，同时应用快跳频和短包技术，抗信号衰落性能较好。5可以同时传输语音和

31、数据蓝牙采用分组交换和电路交换相结合的技术，可以支持异步数据信道、三路语音信道，以及异步数据与同步语音数据同时传输的信道。l蓝牙技术优势第六章 通信标准超宽带（ Ultra Wide Band，UWB）是一种具备低耗电与高速传输的无线个人局域网络通信技术，适合需要高质量服务的无线通信应用，可以用在无线个人局域网络（WPAN）、家庭网络连接和短距离雷达等领域。它不采用连续的正弦波（Sine Waves），而是利用脉冲信号来传送信息的。UWB多跳网络链路层协议模型包含两大部分：MAC子层协议模型和LLC子层协议模型。MAC子层协议模型采用ECMA-368标准中的MAC子层协议，实现分割/重组、合并/解合并、MAC的ARQ、链路选择以及MAC媒体访问控制机制，在MAC子层的ARQ机制中采用No-ACK机制，相当于屏蔽了ECMA-368标准中MAC子层的ARQ机制。LLC子层协议在网络层和MAC子层之间，新增了IP头压缩、UWB的TCP代理确认、QoS映射、UWB多跳ARQ以及资源调度等功能。lUWB技术第六章 通信标准lUWB