【文章內容簡介】 igbee 協(xié)議棧由一組子層構成。每層為其上層提供一組特定的服務：一個數據實體提供數據傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點（ SAP）為其上層提供服務接口，并且每個 SAP提供了一系列的基本服務指令來完成相應的功 能。 Zigbee協(xié)議棧的體系結構如圖 ，它雖然是基于標準的 7層開放系統(tǒng)互聯(lián)（ OSI）模型，但僅對那些涉及 Zigbee的層予以定義。 IEEE — 20xx標準定義了最下面的兩層：物理層（ PHY）和介質接入控制層（ MAC）。 Zigbee聯(lián)盟提供了網絡層和應用層（ APL）框架的設計。其中，應用層的框架包括了應用支持層（ APS）、Zigbee設備對象（ ZDO）及由制造商制定的應用對象。 圖 21 Zigbee 協(xié)議棧的體系結構 相比于常見的無線通信標準， Zigbee協(xié)議套件經湊而簡單，具體實 現(xiàn)的要求很低。Zigbee聯(lián)盟希望建立一種可以連接每個電子設備的無線網，它預言 Zigbee將很快成為全球高端的無線技術， 20xx年 Zigbee節(jié)點達到 30億個。具有十幾億節(jié)點的網絡將很快耗盡已不夠用的 IPv4地址空間，因此 IPv6與 IEEE 勢。 IPv6采用 128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。 在 IEEE 27 個具有 3種速率的信道； 16個速率為 250Kb/s的信道； 915MHz頻道有 10個 40Kb/s的信道； 868MHz頻段有 1個 20Kb/s的信 中北大學信息商務學院本科生畢業(yè)論文 7 道。這些信道的中心頻段按如下定義 [6]（ k為信道數）： FC= MHz （ k=0） FC=906 MHz+2（ k1） MHz （ k=1， 2， 10） FC=2405 MHz +5（ k11） MHz （ k=11,12， 26） IEEE 有下列特征： ； 兩種地址： 16位網絡地址，由協(xié)調器在網絡建立是分配， 64位 IEEE地址； 中不同的傳輸速率（ 100、 2500 Kbps）； ； 和鏈路質量指示； ISM頻段，在 868MHz頻段上有 1個信道， 915MHz上有 10個信道，在 2450MHz上有 16個信道； 。 一個 IEEE ISM頻段、可用性、擁擠狀況和數據速率在 27個信道中選擇 1個工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數據速率能為不同的應用提供較好的選擇。 來自 4位二進制數據符號。每種數據符號被映射成 32位偽噪聲碼片，以便傳 輸。然后，這個連續(xù)的偽噪聲CHIP 序列被調制到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移鍵控調制方式。 IEEE MAC 層提供兩種服務： MAC 層數據服務和 MAC層管理服務。管理服務通過 MAC層管理實體服務接入點訪問高層， MAC層數據服務使 MAC層協(xié)議數據單元的收發(fā)可以通過物理層數據服務。 IEEE MAC層的特征有信標管理、信標接入機制、保證時隙管理、幀確認、確認幀傳輸以及節(jié)點接入與分離。 ZigBee的網絡層主要用于 ZigBee網絡的組網接入、數據管理以及網絡安全 等。而應用層主要為 ZigBee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便于對 ZigBee技術的開發(fā)應用。 ZigBee網絡體系 Zigbee網絡中存在兩種功能類型設備，三種節(jié)點類型，三種拓撲結構及兩種工作模式。 兩種功能類型設備 ZigBee網絡含全功能設備 FFD（ Full function device）和精簡功能設備 RFD（ Reduced function device）兩種功能類型的設備。全功能設備（ FFD）支持標準定義 中北大學信息商務學院本科生畢業(yè)論文 8 的所有功能和特性；而精簡功能設備（ RFD）功能簡潔，存儲器容量 要求最少。 三種節(jié)點類型 ZigBee網絡含三種類型的節(jié)點，即協(xié)調器 ZC（ ZigBee Coordinator）、路由器 ZR（ ZigBee Router）和終端設備 ZE（ ZigBee EndDevice），其中協(xié)調器和路由器均為全功能設備（ FFD），而終端設備選用精簡功能設備（ RFD）。 協(xié)調器：一個 ZigBee網絡 PAN（ PersonalArea Network）有且僅有一個協(xié)調器，該設備負責啟動網絡，配置網絡成員地址，維護網絡，維護節(jié)點的綁定關等，需要最多的存儲空間和計算能力。 路由器：主要 實現(xiàn)擴展網絡及路由消息的功能，擴展網絡，即作為網絡中的父節(jié)點，允許更多的設備接入網絡，路由節(jié)點只有在樹狀網絡和網狀網絡中存在。 終端設備：只能選擇加入他人已經形成的網絡，可以收發(fā)信息，但不能轉發(fā)信息，不具備路由功能。 三種網絡拓撲結構 ZigBee網絡支持星狀、樹狀和網狀三種網絡拓撲結構，如圖 5所示，從左到右依次是星狀網絡，樹狀網絡和網狀網絡。 星狀網絡由一個 PAN協(xié)調器和多個終端設備組成，只存在 PAN協(xié)調器與終端的通訊，終端設備間的通訊都需通過 PAN協(xié)調器的轉發(fā)。 樹狀網絡由一個協(xié)調器和一個或 多個星狀結構連接而成，設備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點進行點對點直接通訊外，其他只能通過樹狀路由完成消息傳輸。 網狀網絡是樹狀網絡基礎上實現(xiàn)的，與樹狀網絡不同的是，它允許網絡中所有具有路由功能的節(jié)點直接互連，由路由器中的路由表實現(xiàn)消息的網狀路由。該拓撲的優(yōu)點是減少了消息延時，增強了可靠性，缺點是需要更多的存儲空間開銷。 中北大學信息商務學院本科生畢業(yè)論文 9 圖 22 ZigBee 網絡中的三種網絡拓撲結構 兩種工作模式 網絡的工作模式可以分為信標（ Beaeon）和非信標（ Nonbeaeon）兩種模式 ,信標模式實現(xiàn)了網絡中所有 設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標模式則只允許 ZE進行周期性休眠， ZC和所有 ZR設備必須長期處于工作狀態(tài)。信標模式下， ZC負責以一定的間隔時間（一般在 15ms4mins之間）向網絡廣播信標幀，兩個信標幀發(fā)送間隔之間有 16個相同的時槽，這些時槽分為網絡休眠區(qū)和網絡活動區(qū)兩個部分，消息只能在網絡活動區(qū)的各時槽內發(fā)送。 非信標模式下， ZigBee標準采用父節(jié)點為 ZE子節(jié)點緩存數據， ZE主動向其父節(jié)點提取數據的機制，實現(xiàn) ZE的周期性（周期可設置）休眠。網絡中所有父節(jié)點需為自己的 ZE子節(jié)點 緩存數據幀，所有 ZE子節(jié)點的大多數時間都處于休眠模式，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網絡中，其從休眠模式轉入數據傳輸模式一般只需要 15ms。 IEEE IEEE 標準定義了最下面的兩層：物理層（ PHY）和介質接入控制子層（ MAC）： 物理層（ PHY）主要的功能： 信道的選擇 信道能量的檢測 中北大學信息商務學院本科生畢業(yè)論文 10 無線信道的收發(fā)數據 空閑信道的評估 接受包鏈路質量的檢測 其中，信道能量的檢測主要測量目標信道中接收信號的功率強度，實際上所測得的是有效信號功率和噪聲信號功率 之和。鏈路質量要對信號進行解碼，生成的是信噪比指示，提供接收數據幀是的無線信號強度和治療信息?？臻e信道評估判斷的是當前是否處于空閑狀態(tài)，以此來決定是否發(fā)送當前數據幀。 載波信道和頻率的描述 Zigbee的 PHY層： 表 21 標準定義的 PHY 層 [7] 信道編號 中心頻率 /MHZ 信道間隔/MZ 頻率上限 /MZ 頻率下限/MZ 傳輸速率Kb/S 調制方式 k=0 有且僅有1 個信道 20 BPSK k=1?? 10 903+2(k1) 2 40 BPSK k=11?? 26 2401+5(k11) 5 250 PSK 注： 868MHz 是歐洲附加的 ISM頻段， 915MHz 是美國附加的 ISM頻段，而 為全球通用的 ISM頻段。 物理層 (PHY)數據包的格式 物理層的幀（ PPDU）的格式如下表所示， Zigbee物理層數據包由同步包頭、物理層包頭和物理層凈荷三部分組成。同步包頭由前向同步碼（前導碼）和數據包（幀）定界符組成，用于獲取符號同步、擴頻碼同步和 幀同步，也有助于錯略的頻率調整。物理層包頭指示凈荷部分的長度，凈荷部分含有 MAC層數據包，最大長度是 127字節(jié)。如果數據包的長度類型為 5字節(jié)或大于 8字節(jié)，那么物理層服務數據單元（ PSDU）攜帶 MAC層的幀信息（即 MAC層協(xié)議數據單元）。 表 22 物理層數據包格式 [1] 4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 變量 前同步碼 幀定界符 幀長度（ 7 位） 預留位（ 1 位） PSDU 中北大學信息商務學院本科生畢業(yè)論文 11 同步包頭 物理層包頭 物理層凈荷 介質接入控制子層 MAC IEEE 802 系列標準把數據鏈路層分成邏輯鏈路控制子層 LLC和介質接入 控制子層 MAC兩個子層。 LLC自層在 標準中定義，為 802標準系列所共用；而 MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。 LLC子層的主要功能是進行數據包的分段和重組，以及確保數據包安順序傳輸。而 MAC層功能更加強大： a、 處理 MPDU； b、 網絡協(xié)調器信標產生及與協(xié)調器信標同步； c、 ED 、 ACTIVE和 ORPHAN 機制參與頻道存取，數據應答重傳機制； d、 利用 CSMA— CA機制參與頻道存取，數據應答重傳機制； e、 處理與維護保證時槽機制； f、 關聯(lián)和退出關聯(lián)功能； MPDU 數據單元的處理 MAC層負責分 解接受到的 MPDU包，并對來自 NWK層數據包進行 MPDU封裝。MAC層含數據幀、命令幀、信標幀、應答幀，幀格式及不同類型幀的格式特點如下： 表 23 MAC 幀格式 [1] 字節(jié)： 2 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 長度可變 2 幀控制域（ FCF） 幀序列碼 接收端設備網絡號 接收端設備地址 發(fā)送端設備網絡號 發(fā)送端設備地址 幀載荷 FCS 地址域 偵頭 MAC 負荷 幀尾 通用的 MAC幀（ MPDU）格式如表 23所示，包括幀頭（ MHR）、 MAC幀載荷域及幀尾三部分組成。幀頭由幀控制域 、序列號、地址域組成。 MAC幀載荷域即為 MAC層的有效數據單元。幀尾為幀頭和 MAC幀負荷域的 16位 CRC校驗序列 FCS）。 表 24 幀控制域（ FCF）的格式 [1] Bits：0~2 3 4 5 6 7~9 10~11 12~13 14~15 中北大學信息商務學院本科生畢業(yè)論文 12 幀類型 安全使能 幀待決 請求確認 PAN 保留 目的地址 保留 源地址 注： 幀類型：信標幀、數據幀、 ACK幀、命令幀； 幀待決：定義發(fā)送端是否還有數據給接受端； 請求確認：定義是否要求接收端應答（反饋 ACK）； PAN：定義是否省略發(fā)送端 設備網絡號（ PAN ID）； 目的地址和源地址有三種模式：不含地址、 16位網絡地址、 64位 IEEE地址； 幀序號為該幀在源設備中的幀標識符，每個設備都有自己的幀序列號發(fā)生器，序列號采用循環(huán)計數方式，范圍值為 00xFF； 地址域包括接受端設備網絡和設備地址，發(fā)送端設備網絡號和設備地址。MAC層幀頭的接收端設備和發(fā)送端設備屬于單跳關系。 四種 MAC幀格式說明： MAC幀含數據幀、信標幀、 ACK幀、命令幀四種幀類型。數據幀的幀數據單元對應于 NWK層幀 NPDU（ NWK Protocal data unit），信標幀、 ACK幀、命令幀均由 MAC層處理或構造。信號幀：具有父節(jié)點功能的節(jié)點通過發(fā)送信標幀，告知自己的相關信息，如是否允許新節(jié)點加入。 ACK幀：只含幀頭中的幀控制域和序列號域，及幀尾的 FCS校驗碼域，由接收方反饋給發(fā)送方，告知某條幀正確接收。命令幀： MAC層的命令幀，其負荷域由命令 ID和具體的命令參數組成。 IEEE MAC層以及物理層的通信數據格式，如表 25，其中，物理層的數據格式是在 MAC層的數據格式前加上物理頭以及同步頭兩部分。 表 25 定義通信數據格式 [1] MAC 層數據的傳輸 重傳機制分別實現(xiàn)了信道的共享及數據幀的可靠傳輸。 1）、 CSMACA傳輸機制 基于 ， MAC子層發(fā)送數據幀和命令幀須使用 CSMACA機制訪問信道，以減少由于幀發(fā)送沖突而帶來的不必要的能量損耗。 CSMACA以包括載波物理層（ PHY） MAC 層 同步頭（ SHR） 物理頭 MAC 協(xié)議數據單元（ MPDU） 前同步碼： 4b SFD： 1b 幀長： 1b 物理層服務數據單元（ PSDU） 物理層協(xié)議數據單元（