【文章內(nèi)容簡介】 igbee 協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成。每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（ SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè) SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功 能。 Zigbee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖 ，它雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的 7層開放系統(tǒng)互聯(lián)（ OSI）模型，但僅對(duì)那些涉及 Zigbee的層予以定義。 IEEE — 20xx標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層（ PHY）和介質(zhì)接入控制層（ MAC）。 Zigbee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（ APL）框架的設(shè)計(jì)。其中，應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持層（ APS）、Zigbee設(shè)備對(duì)象（ ZDO）及由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。 圖 21 Zigbee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu) 相比于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)， Zigbee協(xié)議套件經(jīng)湊而簡單，具體實(shí) 現(xiàn)的要求很低。Zigbee聯(lián)盟希望建立一種可以連接每個(gè)電子設(shè)備的無線網(wǎng)，它預(yù)言 Zigbee將很快成為全球高端的無線技術(shù)， 20xx年 Zigbee節(jié)點(diǎn)達(dá)到 30億個(gè)。具有十幾億節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)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(gè)具有 3種速率的信道； 16個(gè)速率為 250Kb/s的信道； 915MHz頻道有 10個(gè) 40Kb/s的信道； 868MHz頻段有 1個(gè) 20Kb/s的信 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)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(shù)）： 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(wǎng)絡(luò)地址，由協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量指示； ISM頻段，在 868MHz頻段上有 1個(gè)信道， 915MHz上有 10個(gè)信道，在 2450MHz上有 16個(gè)信道； 。 一個(gè) IEEE ISM頻段、可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在 27個(gè)信道中選擇 1個(gè)工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。 來自 4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)。每種數(shù)據(jù)符號(hào)被映射成 32位偽噪聲碼片，以便傳 輸。然后，這個(gè)連續(xù)的偽噪聲CHIP 序列被調(diào)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(diào)制方式。 IEEE MAC 層提供兩種服務(wù)： MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC層管理服務(wù)。管理服務(wù)通過 MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)訪問高層， MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)使 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。 IEEE MAC層的特征有信標(biāo)管理、信標(biāo)接入機(jī)制、保證時(shí)隙管理、幀確認(rèn)、確認(rèn)幀傳輸以及節(jié)點(diǎn)接入與分離。 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層主要用于 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)接入、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全 等。而應(yīng)用層主要為 ZigBee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便于對(duì) ZigBee技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系 Zigbee網(wǎng)絡(luò)中存在兩種功能類型設(shè)備，三種節(jié)點(diǎn)類型，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及兩種工作模式。 兩種功能類型設(shè)備 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備 FFD（ Full function device）和精簡功能設(shè)備 RFD（ Reduced function device）兩種功能類型的設(shè)備。全功能設(shè)備（ FFD）支持標(biāo)準(zhǔn)定義 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 8 的所有功能和特性；而精簡功能設(shè)備（ RFD）功能簡潔，存儲(chǔ)器容量 要求最少。 三種節(jié)點(diǎn)類型 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含三種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器 ZC（ ZigBee Coordinator）、路由器 ZR（ ZigBee Router）和終端設(shè)備 ZE（ ZigBee EndDevice），其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備（ FFD），而終端設(shè)備選用精簡功能設(shè)備（ RFD）。 協(xié)調(diào)器：一個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò) PAN（ PersonalArea Network）有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)等，需要最多的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力。 路由器：主要 實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點(diǎn)，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)只有在樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在。 終端設(shè)備：只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，可以收發(fā)信息，但不能轉(zhuǎn)發(fā)信息，不具備路由功能。 三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 5所示，從左到右依次是星狀網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。 星狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè) PAN協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備組成，只存在 PAN協(xié)調(diào)器與終端的通訊，終端設(shè)備間的通訊都需通過 PAN協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)。 樹狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)或 多個(gè)星狀結(jié)構(gòu)連接而成，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通訊外，其他只能通過樹狀路由完成消息傳輸。 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連，由路由器中的路由表實(shí)現(xiàn)消息的網(wǎng)狀路由。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是減少了消息延時(shí)，增強(qiáng)了可靠性，缺點(diǎn)是需要更多的存儲(chǔ)空間開銷。 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 9 圖 22 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 兩種工作模式 網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)（ Beaeon）和非信標(biāo)（ Nonbeaeon）兩種模式 ,信標(biāo)模式實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有 設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標(biāo)模式則只允許 ZE進(jìn)行周期性休眠， ZC和所有 ZR設(shè)備必須長期處于工作狀態(tài)。信標(biāo)模式下， ZC負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間（一般在 15ms4mins之間）向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有 16個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。 非信標(biāo)模式下， ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為 ZE子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)， ZE主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn) ZE的周期性（周期可設(shè)置）休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有父節(jié)點(diǎn)需為自己的 ZE子節(jié)點(diǎn) 緩存數(shù)據(jù)幀，所有 ZE子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠模式，周期性的醒來與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要 15ms。 IEEE IEEE 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層（ PHY）和介質(zhì)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(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 10 無線信道的收發(fā)數(shù)據(jù) 空閑信道的評(píng)估 接受包鏈路質(zhì)量的檢測 其中，信道能量的檢測主要測量目標(biāo)信道中接收信號(hào)的功率強(qiáng)度，實(shí)際上所測得的是有效信號(hào)功率和噪聲信號(hào)功率 之和。鏈路質(zhì)量要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，生成的是信噪比指示，提供接收數(shù)據(jù)幀是的無線信號(hào)強(qiáng)度和治療信息。空閑信道評(píng)估判斷的是當(dāng)前是否處于空閑狀態(tài)，以此來決定是否發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)幀。 載波信道和頻率的描述 Zigbee的 PHY層： 表 21 標(biāo)準(zhǔn)定義的 PHY 層 [7] 信道編號(hào) 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(diào)制方式 k=0 有且僅有1 個(gè)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(shù)據(jù)包的格式 物理層的幀（ PPDU）的格式如下表所示， Zigbee物理層數(shù)據(jù)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(dǎo)碼）和數(shù)據(jù)包（幀）定界符組成，用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和 幀同步，也有助于錯(cuò)略的頻率調(diào)整。物理層包頭指示凈荷部分的長度，凈荷部分含有 MAC層數(shù)據(jù)包，最大長度是 127字節(jié)。如果數(shù)據(jù)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(wù)數(shù)據(jù)單元（ PSDU）攜帶 MAC層的幀信息（即 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。 表 22 物理層數(shù)據(jù)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(yù)留位（ 1 位） PSDU 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)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(zhì)接入控制子層 MAC IEEE 802 系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制子層 LLC和介質(zhì)接入 控制子層 MAC兩個(gè)子層。 LLC自層在 標(biāo)準(zhǔn)中定義，為 802標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)據(jù)包的分段和重組，以及確保數(shù)據(jù)包安順序傳輸。而 MAC層功能更加強(qiáng)大： a、 處理 MPDU； b、 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器信標(biāo)產(chǎn)生及與協(xié)調(diào)器信標(biāo)同步； c、 ED 、 ACTIVE和 ORPHAN 機(jī)制參與頻道存取，數(shù)據(jù)應(yīng)答重傳機(jī)制； d、 利用 CSMA— CA機(jī)制參與頻道存取，數(shù)據(jù)應(yīng)答重傳機(jī)制； e、 處理與維護(hù)保證時(shí)槽機(jī)制； f、 關(guān)聯(lián)和退出關(guān)聯(lián)功能； MPDU 數(shù)據(jù)單元的處理 MAC層負(fù)責(zé)分 解接受到的 MPDU包，并對(duì)來自 NWK層數(shù)據(jù)包進(jìn)行 MPDU封裝。MAC層含數(shù)據(jù)幀、命令幀、信標(biāo)幀、應(yīng)答幀，幀格式及不同類型幀的格式特點(diǎn)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(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào) 接收端設(shè)備地址 發(fā)送端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào) 發(fā)送端設(shè)備地址 幀載荷 FCS 地址域 偵頭 MAC 負(fù)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(hào)、地址域組成。 MAC幀載荷域即為 MAC層的有效數(shù)據(jù)單元。幀尾為幀頭和 MAC幀負(fù)荷域的 16位 CRC校驗(yàn)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(xué)信息商務(wù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文 12 幀類型 安全使能 幀待決 請(qǐng)求確認(rèn) PAN 保留 目的地址 保留 源地址 注： 幀類型：信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、 ACK幀、命令幀； 幀待決：定義發(fā)送端是否還有數(shù)據(jù)給接受端； 請(qǐng)求確認(rèn)：定義是否要求接收端應(yīng)答（反饋 ACK）； PAN：定義是否省略發(fā)送端 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào)（ PAN ID）； 目的地址和源地址有三種模式：不含地址、 16位網(wǎng)絡(luò)地址、 64位 IEEE地址； 幀序號(hào)為該幀在源設(shè)備中的幀標(biāo)識(shí)符，每個(gè)設(shè)備都有自己的幀序列號(hào)發(fā)生器，序列號(hào)采用循環(huán)計(jì)數(shù)方式，范圍值為 00xFF； 地址域包括接受端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備地址，發(fā)送端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)號(hào)和設(shè)備地址。MAC層幀頭的接收端設(shè)備和發(fā)送端設(shè)備屬于單跳關(guān)系。 四種 MAC幀格式說明： MAC幀含數(shù)據(jù)幀、信標(biāo)幀、 ACK幀、命令幀四種幀類型。數(shù)據(jù)幀的幀數(shù)據(jù)單元對(duì)應(yīng)于 NWK層幀 NPDU（ NWK Protocal data unit），信標(biāo)幀、 ACK幀、命令幀均由 MAC層處理或構(gòu)造。信號(hào)幀：具有父節(jié)點(diǎn)功能的節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送信標(biāo)幀，告知自己的相關(guān)信息，如是否允許新節(jié)點(diǎn)加入。 ACK幀：只含幀頭中的幀控制域和序列號(hào)域，及幀尾的 FCS校驗(yàn)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(fù)荷域由命令 ID和具體的命令參數(shù)組成。 IEEE MAC層以及物理層的通信數(shù)據(jù)格式，如表 25，其中，物理層的數(shù)據(jù)格式是在 MAC層的數(shù)據(jù)格式前加上物理頭以及同步頭兩部分。 表 25 定義通信數(shù)據(jù)格式 [1] MAC 層數(shù)據(jù)的傳輸 重傳機(jī)制分別實(shí)現(xiàn)了信道的共享及數(shù)據(jù)幀的可靠傳輸。 1）、 CSMACA傳輸機(jī)制 基于 ， MAC子層發(fā)送數(shù)據(jù)幀和命令幀須使用 CSMACA機(jī)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(shù)據(jù)單元（ MPDU） 前同步碼： 4b SFD： 1b 幀長： 1b 物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ PSDU） 物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（