无线传感器网络IEEE802.15.4-LZY

《无线传感器网络技术》讲义

第五章、通信标准

内容提要1. 2. 3. 4.

IEEE 802.15.4标准 ZigBee标准 6LowPan草案

主要参考文献

内容提要1. 2. 3. 4.

IEEE 802.15.4标准 ZigBee标准 6LowPan草案

主要参考文献

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 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。 IEEE 802.15任务组 TG1:制定IEEE 802.15.1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IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1 与IEEE 802.11(无线局域网标准)的共存问题 TG3:制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率 WPAN标准。 TG4:制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准。

IEEE 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扩展地址； 采用可选的时槽保障(Guaranteed Time Slots,GTS)机制； 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； 信道能量检测(Energy Detection,ED); 链路质量指示(Link quality indication,LQI); 工作在ISM频段上，其中在2450 MHz 波段上有16个信道，在 915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道； 数据安全策略。

IEEE 802.15.4标准

IEEE 802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无 线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的设备集 合。 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

IEEE 802.15.4标准 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

星型拓扑结构

IEEE 802.15.4标

准 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)点到点拓扑结构

IEEE 802.15.4标准基于开放系统互连模型(OSI) 每一层都实现部分通信功能，并向高层 提供服务 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 IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2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

IEEE 802.15.4 协议栈架构

IEEE 802.15.4标准

IEEE 802.15.4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

IEEE 802.15.4标准信标帧 竞争访问时段(CAP) 无竞争访问 时段(CFP) 不活跃时段(Inactive) 信标帧

GTS

GTS

超帧持续时间长度(SD) 信标帧周期(BI)

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；

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标准扩频参数频段 (MHz) 片速率 (kchip/s) 调制方式 比特速率 (kb/s)

数据参数符号速率 (ksymbol/s) 符号

868–868.6 902–928868–868.6* 902–928* 868–868.6* 902–928*

300 600400 1600 400 1000

BPSK BPSKASK ASK O-QPSK O-QPSK

20 40250 250 100 250

20 4012.5 50 25 62.5

二进制 二进制20-bitSPSS 5-bitSPSS 16-ary正交 16-ary正交

2400–2483.5

2000

O-QPSK

250

62.5

16-ary正交

注：*项为可选项目，系802.15.4-2006新增内容

信道分配和调制方式

IEEE 802.15.4标准

Ocets:4 字节

1 字节

1 字节

可变

前导码 (preamble)

SFD (帧起 始分隔符)固定值： OXA7

Frame length (7 比特)

Reserved (1 比特)

PSDU

同步头(SHR)

物理帧头(PHR)

PHY 负载

物理帧格式