《无线传感器网络》课件 第2章 IEEE 802.15.4无线传感器网络通信标准

第2章IEEE802.15.4无线传感器网络通信标准

传感器网络中的应用一般并不需要很高的信道带宽，却要求具有较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能在有限的电池寿命内完成任务。IEEE802.15.4/ZigBee标准把低功耗、低成本作为主要目标，为传感器网络提供了一种互联互通的平台，各个射频芯片厂商也陆续推出支持该标准的无线收发芯片。本章主要介绍了当前工业界已有的或正在制定的与无线传感器网络协议想过的通信标准。包括IEEE802.15.4/ZigBee协议标准。3本章内容简介

☆IEEE802.15.4标准概述 ☆网络组成和拓扑结构 ☆协议栈架构 ☆物理层PHY规范 ☆MAC规范 ☆MAC/PHY信息交互流程 ☆基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络42.1IEEE802.15.4标准概述IEEE802.15.4通信协议是短距离无线通信的IEEE标准，它是无线传感器网络通信协议中物理层与MAC层的一个具体实现。IEEE802.15.4标准，即IEEE用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范。该协议支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。LR-WPAN中的器件既可以使用在关联过程中指配的16位短地址，也可以使用64位IEEE地址。一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。5IEEE802.15.4标准具有如下特点：（1）支持简单器件。（2）工作频段和数据速率。（3）数据传输和低功耗。（4）信标方式和超帧结构。（5）自配置。（6）安全性。2.1IEEE802.15.4标准概述IEEE802.15.4网络根据应用的需要可以组织成两种拓扑结构：星型网络拓扑结构和点对点网络拓扑。在星型结构中，整个网络的形成以及数据的传输由中心的网络协调者集中控制，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。各个终端设备（FFD或RFD）直接与网络协调者进行关联和数据传输。

2.2网络组成和拓扑结构IEEE802.15.4网络根据应用的需要可以组织成两种拓扑结构：星型网络拓扑结构和点对点网络拓扑。点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。但与星型网络不同，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之都可以直接通信。

2.2网络组成和拓扑结构IEEE802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型（OSI），每一层都实现一部分通信功能，并向高层提供服务。在IEEE802系列标准中，OSI参考模型的数据链路层进一步划分为MAC和LLC两个子层。MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而LLC子层在MAC子层的基础上，在设备间提供面向连接和非面向连接的服务。2.3协议栈架构

MAC子层以上的几个层次，包括特定服务的聚合子层（ServiceSpecificConvergenceSublayer，SSCS），链路控制子层（logicallinkcontrol，LLC）等，只是IEEE802.15.4标准可能的上层协议，并不在IEEE802.15.4标准的定义范围之内。SSCS为IEEE802.15.4的MAC层接入IEEE802.2标准中定义的LLC子层提供聚合服务。LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE802.15.4网络，为应用层提供链路层服务。2.3协议栈架构

2.3协议栈架构

2.3协议栈架构

在OSI参考模型中，物理层处于最底层，是保障信号传输的功能层，因此物理层涉及与信号传输有关的各个方面，包括信号发生、发送与接收电路，数据信号的传输编码、同步与异步传输等。物理层的主要功能是在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流。它为链路层提供服务包括：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、数据编码。

2.4.物理层PHY规范

物理层数据服务包括以下五方面的功能：（1）激活和取消射频收发器。（2）检测当前信道能量。（3）发送链路质量指示。（4）评估CSMA/CA的空闲信道。（5）选择信道频率。（6）发送和接收数据。2.4.物理层PHY规范

MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。MAC子层的参考模型如图所示。2.5.MAC规范

MAC子层主要功能包括下面八个方面：（1）如果设备是协调器，那么就需要产生网络信标；（2）信标的同步；（3）支持个域网络（PAN）的关联（association）和取消关联（disassociation）操作；（4）支持设备安全规范；

（5）使用CSMA-CA机制访问物理信道；

（6）支持时槽保障（guaranteedtimeslot，GTS）机制；

（7）支持不同设备的MAC层间可靠传输。（8）协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；2.5.MAC规范

超帧是一种用来组织网络通信时间分配的逻辑结构。超帧时间分配由网络协调器定义，主要包括活跃时段和非活跃时段。网络中的所有通信都必须在活跃时段进行，而在非活跃时段，设备可以进入休眠模式以达到省电目的。超帧的活跃时段被划分为16个等长的时槽，每个时槽的长度、竞争访问时段包含的时槽数等参数，都由协调器设定，并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。网络中普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。

超帧

LR-WPAN网络中存在着三种数据传输方式：设备发送数据给协调器、协调器发送数据给设备、对等设备之间的数据传输。星型拓扑网络中只存在前两种数据传输方式，因为数据只在协调器和设备之间交换；而在点对点拓扑网络中，三种数据传输方式都存在。

数据传输模型

每个MAC子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。帧负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。如表所示

MAC层帧结构

Ocets：210/20/2/80/20/2/80/5/6/10/14可变2帧控制域（FrameControl）帧序列号（SeqNum）目标PANID目标地址源PANID源地址附加安全头部帧负载FCS校验

地址域

MAC负载帧尾（MFR）无线网关的通信模型如图所示。2.6MAC/PHY信息交互流程

模型主要包括以下3个方面：①无线通信机制。现场设备与无线网关之间数据通信采用了ZigBee无线通信技术。ZigBee无线通信技术采用CSMACA接入方式，有效避免了无线电载波之间的冲突，保证了数据传输的可靠性。其MAC层和物理层由IEEE802.15.4工作小组制定，NWK和APS则由ZigBee联盟来制定，其他部分——ZDO（ZigBee设备对象）和ZAO（ZigBee应用对象），由用户根据不同应用来完成。2.6MAC/PHY信息交互流程

②以太网协议转换。无线网关的接入功能主要体现在协议转换，即将ZigBee无线通信协议转换为以太网有线协议，通过以太网接入控制网络。IEEE802.3PHY和IEEE802.3MAC为标准的以太网物理层和介质访问层，IEEE802.2LLC提供以太网帧与IP层接口，传输层为标准TCP/UDP协议。2.6MAC/PHY信息交互流程

③上层服务接口（highlayerserviceinterface）。针对工业应用，无线网关要求提供上层服务及接口，使用户可以通过无线网关对现场设备进行组态、调校。上层服务接口位于ZigBeeAPS层与TCP/IP层之间，为系统实现各种服务提供通用接口。2.6MAC/PHY信息交互流程

1.组网类型

本实例中，无线传感器网络采用星形拓扑结构，由一个与计算机相连的无线模块作为中心节点，可以跟任何一个普通节点通信。普通节点可以由一组传感器节点组成，如温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器等，它们对周围环境中的各个参数进行测量和采样，并将采集到的数据发往中心节点，由中心节点对发来的数据和命令进行分析处理，完成相应操作。普通节点只能接受从中心节点传来的数据，与中心节点进行数据交换。

2.7基于IEEE802.1