关于zigbee协议栈各层的系统分析

  本文摘要：随着传感器网络的肆意应用；随着物联网概念越来越强烈；随着通信技术的飞速发展，人们明确提出了拒绝自己几米以内的通信，于是个人区域网(PAN)和无线个人区域网(WPAN)的概念就经常出现。WPAN网络为近距离的设备创建无线连接，通过无线方式连接几米到几十米范围内的几台设备，使它们可以相互通信，甚至可以与终端局域网或互联网通信。Zigbee联盟正式成立于2001年8月，是为WPAN网络正式成立的一个产业联盟。 该联盟致力于短距离、低复杂性、低数据速率和低成本的无线网络技术。

随着传感器网络的肆意应用；随着物联网概念越来越强烈；随着通信技术的飞速发展，人们明确提出了拒绝自己几米以内的通信，于是个人区域网(PAN)和无线个人区域网(WPAN)的概念就经常出现。WPAN网络为近距离的设备创建无线连接，通过无线方式连接几米到几十米范围内的几台设备，使它们可以相互通信，甚至可以与终端局域网或互联网通信。Zigbee联盟正式成立于2001年8月，是为WPAN网络正式成立的一个产业联盟。

该联盟致力于短距离、低复杂性、低数据速率和低成本的无线网络技术。他们开发的技术被称为zigbee技术，预计将被部署到其他无线传感和控制领域，如商业电子、住宅和建筑自动化、工业设备监控、PC外设、医疗传感设备、玩具和游戏。1 . 1 eee 802 . 15 . 4标准zigbee联盟于2005年6月27日发布了第一个zigbee规范v1.0。

本标准定义了IEEE802.15.4-2003物理层和标准媒体终端控制层的网络层和相对的应用服务。zigbee联盟的长期目标是创建基于互操作平台和配置文件的前端低成本嵌入式基础设施。

1 . 1 . 1 eee 802 . 15 . 4协议框架IEEE802.15.4标准采用分层结构。每一层为上层获得一系列相似的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体获得所有其他服务。所有服务实体都通过SAP(ServiceAccessPoint (SAP))为上层获取一个模块，每个SAP都反对一定数量的服务原语来构建所需的功能。

IEEE802.15.4标准堆栈架构必须根据市场和实际应用基于OSI七层模型进行定义，如图2-1所示。IEEE802.15.4标准定义了底层：物理层(PHY)和媒体访问控制子层(媒体访问控制)。在此基础上，zigbee联盟定义了网络层(nwk) APL(应用层(ApplicationLayer，APL))的架构。应用层还包括APS(应用支持子层)、AF(应用框架)、ZDO (zigbee设备对象)和制造商定义的应用对象。

[16] IEEE 802.15.4工作在ISM(工业、科学和医学)频段，定义了两个PHYS，分别工作在868/915MHz和2.4GHz两个频段，其中低频带物理层覆盖了868MHz欧洲频段和915MHz美澳频段。低频带2.4GHz是通用的。

IEEE802.15.4MAC层使用CSMA-CA(载波服务器多址接入，带冲突避免)来防止冲突，主要负责管理信标帧的传输，实时并获得可靠的传输机制。1.1.2网络节点类型在W-PAN中有三种网络角色：PAN网络协商者、协商者和设备。在IEEE802.15.4规范中，这三个角色分别对应于zigbee协调器ZC、zigbee路由器Zr和终端设备zed。

谈判者和路由器不可能是全功能设备FFD。在一个PAN网络中，必须至少有一个全功能设备作为网络协商者，它可以看作是PAN的网关节点(SINK节点)，是网络创建的起点，负责管理PAN网络的初始化，确认PAN的ID号和PAN运营商的物理信道，负责短地址分配，充当信任中心并存储安全密钥，连接其他网络等。

重新加入网络后，协商者获得一个特定的短url空间。在这个空间中，他有能力允许其他节点重新加入网络并分配较短的地址。当然，谈判者不具备路由和数据传输的功能。

在任何流形网络上，所有设备都有一个唯一的64位IEEE长地址，可以作为PAN中必要的通信。或者当所有设备之间没有连接时，可以将其更改为16位网络短地址，并分配给PAN设备。因此，设备连接时使用64位长地址。

只有在连接成功并且系统分配了PAN的标识符之后，才可以使用16位短url进行通信。路由器只能运行一个带有路由协议的简化协议栈，负责管理网络数据的路由，构建数据货运功能。网络中最基本的节点是终端节点ZED，终端节点可以是全功能设备FFD或缩减功能设备RFD。1 . 2 . 1 eee 802 . 15 . 4 eee 802 . 15 . 4还包括物理层PHY和媒体终端控制层MAC两个规范，作为短距离无线个人区域网LR-WPAN。

图2-4显示了IEEE802.15.4的分层参考模型。1.2.1.1 IEEE 802 . 15 . 4 PHY层的物理层主要使用物理介质来为数据链路层获取物理连接，并负责管理和处理数据传输速率和开销数据错误率，从而以半透明和更低的速率传输比特流。

zigbee协议的物理层主要负责以下任务：(1)射频收发机的启动和重启。(2)通道能量检测。

(3)为接收到的数据报扩展LQI(链路质量指示(LQI))。(4)对CSMA/卡尔曼滤波算法进行清晰信道评估。

(5)自由选择通信信道频率。(6)数据包的传输和接管IEEE802.15.4的物理层定义了物理信道和MAC子层之间的模块，提供数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道发送数据，物理层管理服务确保物理层涉及由数据组成的数据库。

1 . 2 . 1 . 2 eee 802 . 15 . 4 MAC层和IEEE802.15.4媒体干预控制层在传统无线局域网中扩展了具有防碰撞功能的载波多感知访问技术的CSMA/CA模式，增强了系统的兼容性。这种设计不仅使流形结构网络的应用非常简单，而且可以建立非常有效的电源管理。

MAC层完成的具体任务如下：(1)协商者生成并发送信标帧。(2)普通设备根据协商者的信标帧与协商者实时通信。

(3)反对泛网络协会，解除运营商的关联。(4)获得对设备安全的异议。

(5)用于CSMA-卡机制共享物理信道。(6)处理和确保GTS机制。

(7)获得两个对等媒体访问控制实体之间的可靠数据链路。在IEEE802.15.4的媒体访问控制层，引入了超帧结构和信标帧的概念。

这两个概念的引入极大地方便了网络管理，我们可以以超强帧为周期来组织LR-WPAN网络中设备之间的通信。每个超强帧以网络协商器接收的信标帧开始，该信标帧包括诸如超强帧的持续时间和该时间的分配等信息。在超强帧开始接管信标帧后，网络中的普通设备可以根据其内容决定自己的任务，比如一直睡到超强帧结束。

媒体访问控制子层获得两种服务：媒体访问控制层数据服务和媒体访问控制子层管理实体。前者确保在物理层数据服务中准确发送MAC协议数据单元，而后者确保用于存储与MAC子层协议相关的信息的数据库。

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