传感网原理及应用-第4讲(通信标准)

第5章通讯标准计算机科学与技术学院陈永乐目录IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案2网络协议分层3IEEE802.15.4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4IEEE802.15.4标准简介目标：为在个人操作空间（POS）内相互连通的无线设备提供通信标准(即WPAN网络标准)IEEE802.15任务组TG1：制定IEEE802.15.1标准（蓝牙无线个人区域网络标准）；中等速率、近距离的WPAN网络标准。TG2：制定IEEE802.15.2标准，研究IEEE802.15.1与IEEE802.11（无线局域网标准）的共存问题TG3：制定IEEE802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准。TG4：制定IEEE802.15.4标准，研究低速WPAN标准。5IEEE

802.15.4标准的主要特征实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率；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10个信道，在868MHz上有1个信道；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；信道能量检测（EnergyDetection，ED）；链路质量指示（Linkqualityindication，LQI）；支持星型和点到点两种拓扑结构；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（超帧）；数据安全策略。6IEEE802.15.4网络组成全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）协调器：与RFD相关联的FFD设备PAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发7IEEE802.15.4拓扑结构星型拓扑结构所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯网络协调器持续供电，其他设备电池供电适合家庭自动化、个人计算机外围设备、个人康护护理等小范围的室内应用8IEEE802.15.4拓扑结构点到点拓扑结构任何两个设备之间都可以通讯网络协调器负责管理链路状态信息、认证设备身份等功能允许多跳路由的方式传输数据适合于设备分布范围广的应用（工业检测与控制）9IEEE802.15.4协议栈IEEE802.15.4协议栈架构基于开放系统互连模型（OSI）物理层由射频收发器和底层的控制模块组成数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通讯的服务接口特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE802.15.4的MAC层接入IEEE802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务LLC为应用层提供链路层服务10IEEE802.15.4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11目录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12频带和数据传输率13IEEE802.15.4频段与调制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14802.15.4免费无线频段868MHz/915MHzPHY868.3MHzChannel0Channels1-10Channels11-26928MHz902MHz5MHz2MHz2.4GHzPHY20Kb/s40Kb/s250Kb/s868-868.6MHz(e.g.,Europe)902-928MHz(e.g.,NorthAmerica)or2400-2483.5MHz(Worldwide)物理层帧格式16物理帧格式Ocets：4字节1字节1字节可变前导码（preamble）片速率SFD(帧起始分隔符)固定值：OXA7Framelength(7比特)Reserved(1比特)PSDU≤127同步头(SHR)物理帧头(PHR)PHY负载物理层参考模型17

PD-

SAP物理层

PHY-

PIB

RF-SAP图

5-5：物理层参考模型PLME-

SAP

PLMEIEEE802.15.4物理层功能物理层功能实现数据的发送与接收射频收发器的激活与关闭物理信道的能量检测(ED：EnergyDetection)链路质量指示(LQI：linkqualityindication)空闲信道评估(CCA：clearchannelassessment)物理层属性参数的获取与设置（频段11-26，功率1-31等）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19超帧实现信道低功耗访问以超帧为周期组织LR-WPAN内设备间的通讯信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分不活跃阶段：设备进入休眠状态活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分为16个等长时槽CSMA-CA访问机制；20MAC层帧结构MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输帧组成帧控制字段的内容指示帧类型帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧地址格式：16位短地址和64位扩展地址21MAC层信标帧22信标帧格式超帧描述：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问部分持续时间GTS分配释放信息：将无竞争时段划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给某个设备转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口MAC层数据帧23数据帧格式传输上层发送到MAC子层的数据MAC服务数据单元（MSDU）：数据负载传送至MAC子层MAC帧：MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息MAC层确认帧24确认帧格式如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位设置为1，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。MAC层命令帧25命令帧格式命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。命令帧有9种类型。命令帧的3个功能：把设备关联到PAN；与协调器交换数据；分配GTS命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。MAC层参考模型26图

5-13：MAC层参考模型MLME-

SAP

MLME

MAC

PIB

PLME-

SAP

MCPS-

SAP

MCPSPD-SAP加入一个PAN27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

Data

requestAckowledgementAssociation

response

AckowledgementMLME-ASSOCIATE

.request

Association

request

Ackowledgement

MLME-ASSOCIATE

.indication

MLME-ASSOCIATE

.responseMLME-COMM-STATUS

.indication

macResponseWaitTimeMLME-ASSOCIATE.confirm退出一个PAN28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MLME-DISASSOCIATE

.confirmMLME-DISASSOCIATE.indicationMLME-DISASSOCIATE

.request

Disassociation

notification

AckowledgementGTS分配过程29设备高层

设备MLME协调器MLME协调器高

层

MLME-GTS.request

GTSrequest

Ackowledgement

MLME-GTS.indication

Beacon(with

GTSdescriptor)MLME-GTS.confirm

图

5-17：GTS分配过程消息流程图IEEE802.15.4一些概念两种设备类型:精简功能设备Reducedfunctiondevice(RFD)全功能设备Fullfunctiondevice(FFD)

FFD与RFD的差别：FFD有能力成为协调者并选取一个频道建立新的网络，而RFD只能透过向协调者注册并连结后才能使用网络；另一个差别在于，并不是任何节点都有资格向协调者提出GTS使用申请，此节点必须属于FFD才可向协调者要求保证传输时槽使用权。三种设备角色:端设备Enddevice(RFDorFFD)：只具有简单的收发功能，不能进行分组的转发。协调器Coordinator(FFD)：通常通过发送信标实现与周围节点的同步，且具有转发分组的功能。网络协调器PANCoordinator(FFD)：为整个网络的主控节点，并且每个IEEE802.15.4网络只能有一个网络协调点

注：AcoordinatormustbeabletoactasbothPANcoordinatorandenddevice,eventhoughitisneither:-).Coordinatorscanonlyexistinbeaconenablednetworks.两种拓扑结构:星型网络：只存在一个协调点即网络协调点，其它节点均为普通节点对等网络：除了网络协调点和普通节点外，还存在协调点，任意两个在通信范围内的节点都可以相互通信。四种帧结构：只有数据帧与上层协议相关。信标帧：能够实现协调点与周围节点间的同步并对超帧结构进行相应的描述，同时节点可以通过信标帧识别各个网络。数据帧：确认帧：MAC命令帧三种不同的传输模式普通节点到协调点协调点到普通节点对等节点间的业务传输三类通信业务处理方式：直接传输(direct)间接传输（indirect）：指当协调点要向终端节点传输数据或MAC命令帧时，将要传输的信息存储到信息列表中，等待终端节点发出数据请求命令后才可发送的传输方式。预留时隙（GTS）中的传输：而对于实时业务，节点间的通信可在预留时隙内直接进行。IEEE802.15.4MAC层功能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子层的安全策略目录IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案34什么是Zigbee？ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。35Zigbee联盟部分成员36CompXs

为了推动ZigBee技术的发展，Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee联盟(ZigBeeAlliance)，包括有许多IC设计、家电、通讯设备、IP服务提供、玩具等厂商相继加入,目前该联盟已经包含150多家会员。ZigBee技术简介-短程无线网络标准37WWANWMANWLANWPAN传输范围0.011010.11001000数据传输率（Mbps）ZigBee技术简介-短程无线网络标准38文本因特网/声音压缩图片多通道数字图像低<实际数据传输率>高短程<传输范围>长程ZigBee技术简介-无线网络标准的比较39ZigBee与IEEE802.15.4关系ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层（NetworkLayer)、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer)、以及各种应用产品的资料（Profile）;由国际电子电机工程协会（IEEE）所定制的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHYLayer)及媒体存取层（MediaAccessControlLayer;MACLayer)。40ZigBee协议栈基本要求8位处理器

协议套件软件需要4K-32K字节的ROM通常，网络主节点需要更多的RAM，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等41协议栈：SMACZ-StackZigBee网络拓扑结构42星型网状型簇状型网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD):只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。ZigBee网络设备类型网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用也能用作终端设备精简功能设备（RFD）：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。附带有限的功能来控制成本和复杂性在网络中通常用作终端设备。ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。43ZigBee网络设备类型44ZigBee网状（MESH）网络45MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。ZigBee网状（MESH）网络Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。通过以上ZigBeeMesh结构图可以得知，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD).46ZigBee网状（MESH）网络ZigBee采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV操作是无回还的，并避免了当Adhoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题（特别是当一个节点进入网络时）。47ZigBee通信可靠性保证物理层RF通信连接直序扩频采用高处理增益明晰的信道检测对干扰能量进行检测协议基于CRC的误码监测/校正采取了避免冲突的策略CSMA/CA为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙发送的数据包都有待于接收方的确认，如出现问题进行重发保持数据包的及时传输Packetdatafreshness48ZigBee通信可靠性保证通信可靠机制ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息。网络的自组织自语能力强ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连结关系，组成结构化的网络；ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。49ZigBee通信可靠性保证50ZigBee技术优势数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本网络容量大：网络可容纳65000个设备时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。网络的自组织、自愈能力强，通信可靠数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段51ZigBee应用条件低功耗；低成本；较低的报文吞吐率；需要支持大型网络接点的数量级；对通信服务质量QoS要求不高（甚至无QoS）；需要可选择的安全等级（采用AES-128），加密发送鉴别报文的完整性需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用；要求高的网络自组织、自恢复能力。52Zigbee应用场合无线传感器网络WSN；带负载管理功能的自动抄表（AMR）系统；智能交通、油气生产遥测遥控通信系统；监控照明、HVAC和写字楼安全；农田耕作、环境监测、水利水文监测无线通信；工业制造、过程控制遥测遥控；对患病、设备及设施进行医疗和健康监控；家庭监控、HVAC、安防报警系统运用；有源RFID应用，用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理；军事应用，包括战场监视和机器人控制；汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。53目录IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案546LowPan草案动机与存在的问题协议报文转换适配层和帧格式地址管理机制Mesh网络下的多跳传输方法及路由邻居发现协议6LowPan草案协议栈结构底层采用IEEE802.15.4规定的PHY层和MAC层，网络层采用IPv6协议。由于IPv6中，MAC支持的载荷长度远大干6LowPan底层所能提供的载荷长度，为了实现MAC层与网络层的无缝链接，6Low-Pan工作组建议在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层，用来完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等工作。6LowPan的优势普及性：IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速其普及的步伐，在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受。适用性：IP网络协议栈架构受到广泛的认可，LR-WPAN网络完全可以基于此架构进行简单、有效地开发。更多地址空间：IPv6应用于LR-WPAN最大亮点就是庞大的地址空间。这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。支持无状态自动地址配置：IPv6中当节点启动时，可以自动读取MAC地址，并根据相关规则配置好所需的IPv6地址。这个特性对传感器网络来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对传感器节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。易接入：LR-WPAN使用IPv6技术，更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网，使其可以充分利用IP网络的技术进行发展易开发：目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对LR-WPAN的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发的过程。576LoWPAN与IPv6对接58Zigbee的IP协议栈596LowPan的关键技术IPv6和IEEE802.15.4的协调。IEEE802.15.4标准定义的最大帧长度是127字节．MAC头部最大长度为25字节，剩余的MAC载荷最大长度为102字节。而在IPv6中，MAC载荷最大为1280字节。IEEE80