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1、无线传感器网络技术讲义无线传感器网络技术讲义第五章、通信标准内容提要1.IEEE 802.15.4标准2.ZigBee标准3.6LowPan草案4.主要参考文献内容提要1.IEEE 802.15.4标准2.ZigBee标准3.6LowPan草案4.主要参考文献IEEE 802.15 工作组UWBZigbeeIEEE 802.15.4标准IEEE 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；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
2、扩展 地址；采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance，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；IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准概述 网络组成及拓扑结构网络组成及拓扑结构 协议栈架
3、构协议栈架构 功能概述功能概述 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IEEE 802.15.4标准图 5-1：星型和点到点拓扑结构IEEE 802.15.4标准 两种不同类型的设备:全功能设备(full function device,FFD)精简功能设备(reduced function device,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
4、转发数据。IEEE 802.15.4标准图 5-2：IEEE 802.15.4 协议栈架构IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4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信道分配及调制方式 物理层帧格式物理层帧格式 物理层功能实现物理层功能实现 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/915MHz PHY2.4 GHz868.3 MHzChannel 0Channels 1-10Channels 11-262.4835 GHz928 MHz902 MHz5 MHz2 MHz2.4
5、 GHz PHYIEEE 802.15.4标准 信道分配IEEE 802.15.4标准载波信道特性PreambleStart ofPacketDelimiterPHY HeaderPHY ServiceData Unit(PSDU)4 Octets0-127 BytesSync HeaderPHY Payload1 Octets1 OctetsFrame Length(7 bit)Reserve(1 bit)IEEE 802.15.4标准 物理帧格式 前导码Preamble(32 bits)synchronization 帧起始分隔符Start of packet delimiter(8 bi
6、ts)shall be formatted as“11100101”PHY header(8 bits)PSDU length 物理服务数据单元PSDU(0 to 127 bytes)data fieldIEEE 802.15.4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：Energy Detection)射频收发器的激活与关闭 空闲信道评估(CCA：clear channel assessment)链路质量指示(LQI：link quality indication)物理层属性参数的获取与设置IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准概述 网络组成及
7、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子层的信道访问方式 MAC子层的帧格式子层的帧格式 MAC子层的功能实现子层的功能实现IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4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(guaranteed time sl
8、ot)机制 支持安全机制；IEEE 802.15.4标准图 5-3：超帧结构IEEE 802.15.4标准图 5-7：CSMA-CA 算法（概）Slotted CSMA/CAoptionalUnslotted CSMA/CAThere is no concept of CW in this part.IEEE 802.15.4标准图 5-8：MAC帧格式IEEE 802.15.4标准图 5-10：数据帧格式图 5-9：信标帧格式IEEE 802.15.4标准图 5-12：命令帧格式图 5-11：确认帧格式IEEE 802.15.4标准 MAC子层功能实现 PAN的建立与维护 关联请求与取消 与
9、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.IEEE 802.15.4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 BM Group,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。How is ZigBee rel
10、ated to IEEE 802.15.4?ZigBee takes full advantage of a powerful physical radio specified by IEEE 802.15.4 ZigBee adds logical network,security and application software ZigBee continues to work closely with the IEEE to ensure an integrated and complete solution for the marketZigBee 网络应用PERSONAL HEALT
11、H CAREZigBeeLOW DATA-RATE RADIO DEVICESHOME AUTOMATIONCONSUMER ELECTRONIC STV VCRDVD/CDRemote controlsecurityHVAClightingclosuresPC&PERIPHERAL Sconsoles portableseducationalTOYS&GAMESINDUSTRIAL&COMMERCIALmonitorssensorsautomationcontrolmousekeyboardjoystickmonitorsdiagnosticssensorsZigBee标准图 5-19：Zi
12、gBee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网络的形成过程与设备的维护 ZigBee路由机制路由机制 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 ZigB
13、ee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：End Device功能模块示意图ZigBee标准 ZigBee网络的形成过程与设备的维护 网络建立网络建立 设备加入设备加入 设备短地址分配设备短地址分配 设备离开设备离开 邻居列表的维护邻居列表的维护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
14、机制 路由消耗路由消耗(Routing Cost)的计算的计算 路由表维护路由表维护 路由发现路由发现 树形路由过程树形路由过程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0 x0：ACTIVE0 x1：DISCOVERY_UNDERWAY0 x2：DISCOVERY_FAILED0 x3：INACTIVE0 x4-0 x7：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Zig
15、Bee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ID1 byte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2 bytes发起路由请求设备的地址发送设备地址2 bytes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1 byte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1 byte从当前设备到目的设备的累积路由损耗定时时间2 bytes路由发现倒计时定时器ZigBee标准图5-26:
16、通过路由发现得到的路径内容提要1.IEEE 802.15.4标准2.ZigBee标准3.主要参考文献主要参考文献1IEEE 802.15.4-2006/20032ZigBee specification v1.13Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks(draft ietf 6lowpan format-13)(work in progress)46LoWPAN:Overview,Assumptions,Problem Statement and Goals(draft ietf 6lowpan problem08.txt)(work in progress)5Neighbor Discovery for IP version 6(draft ietf ipv6 2461bis-04.txt)(work in progress)66LoWPAN Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing(LOAD)(draft daniel 6lowpan load adhoc routing-02.txt)7 LowPan Neighbor Discovery Extensions(draft chakrabarti 6lowpan ipv6 nd-01.txt)