【文章內(nèi)容簡介】 MAC 層提供的管理服務接口。 物理層主要完成：激活 /休眠無線收發(fā)設備，對當前頻道進行能量檢測，鏈接質(zhì)量指示，為載波檢測多址與碰撞避免（ CSMA— CA）進行空閑頻道評估，頻道選擇，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。 在 PHY 層有關函數(shù)中 ，①傳輸能量（ POWER），②傳輸中心頻率的兼容性及頻率穩(wěn)定度 (標識了無線解碼器工作頻率的穩(wěn)定程度 )，③接收器之感度，④接收信號強度指示的測量時較為重要的參數(shù)。 (3) IEEE 的調(diào)制方式 圖 23 描述了 GHz 物理層調(diào)制及擴頻功能模塊。 . . 圖 23 物理層將數(shù)據(jù)每字節(jié)的低四位和高四位分別映射組成數(shù)據(jù)符號，每個數(shù)據(jù)符號又被映射成 32 位偽隨機噪聲數(shù)據(jù)碼片。數(shù)據(jù)碼片采用半正弦脈沖波形的偏移正交四相相移鍵控技術（ OQPSK）調(diào)制。每片的形狀如同半個 正弦波，交替在同相 (I)信道和正交相位 (Q)信道傳送。每個信道占用半個片碼偏移周期。 (4) PPDU 格式 PPDU 報文數(shù)據(jù)是用于數(shù)據(jù)流同步的同步頭、含有幀長度信息的物理層報頭以及承載有 MAC 幀數(shù)據(jù)的凈荷組成。具體結構如表 21 所示。 表 21 PPDU格式 字 節(jié) 1 1 可變 前同步碼 （ preamble） 幀定界符 （ SFD） 幀長度 (7 bit) 保留 (1 bit) 物理層數(shù)據(jù) (PSDU) 同步頭 (SHR) 物理層報頭 (PHR) 物理層凈荷 (PHY payload) 同步報頭 由前同步碼和幀定界符組成，用于獲取符號同步、擴頻碼同步和幀同步。 物理層報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)。當數(shù)據(jù)包的長度類型為 5 字節(jié)或大于 8 字節(jié)時，那么物理層服務數(shù)據(jù)單元（ PSDU）就會攜帶著 MAC 層的幀信息（即 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。 MAC 層 MAC 層提供兩種服務： MAC 層數(shù)據(jù)服務和 MAC 層管理服務。前者保證 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中的正確收發(fā)，而后者從事 MAC 層的管理活動，并維護一個信息數(shù)據(jù)庫。 MAC 層的主要功能包括如下 7 個方面： （ 1） 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者產(chǎn)生并發(fā)送信標幀； （ 2）設備與信標同步； （ 3）支持 RAN 網(wǎng)絡的關聯(lián)和取消關聯(lián)操作； （ 4）為設備的安全性提供支持； （ 5）信道接入方式采用免沖突載波檢測多路訪問機制（ CSMACA）； （ 6）處理和維護保護時隙機制（ GTS）； （ 7）在兩個對等的 MAC 實體之間提供一個可靠的通信鏈路 。 . . 圖 24 MAC模型 和物理層類似， MAC 層也包括一個管理實體（ MLME）， MAC 層管理實體提供可以喚醒 MAC 層管理服務的服務接口（ MLMESAP），同時也維護一個與 MAC 層相關的管理對象數(shù)據(jù)庫（ MIB）。 (1) 超幀結構 在 IEEE ，通過基于競爭的信道接入方式，提高了信道的利用率，增大了網(wǎng)絡效能，而固定時隙的分配，滿足了有特殊需求和一些重要的數(shù)據(jù)傳送。周期性進入休眠期關閉信道接入，則節(jié)省了網(wǎng)絡的能耗。超幀結構中同時包含了三種不同的信道接入周期，從而多樣化信道的接入方式同時提高了網(wǎng)絡的靈活性。 在超幀零時隙中定義了一個信標幀（ beacon）， beacon除了信標的意思外，還能理解為燈塔。正如字面意思所述，信標幀在整個超幀結構中的地位就好比燈塔的導航 作用一樣，不僅界定了超幀的起始以用來設定固定分配時隙周期的有無以及其長度，換言之，信標幀決定了超幀的構架。如果不存在信道固定分配周期的話，所有的數(shù)據(jù)傳送將完全通過CSMA/CA競爭機制來接入信道 [6]。 (2) 數(shù)據(jù)傳輸模式 LRWPAN 網(wǎng)絡中存在著三種數(shù)據(jù)傳輸方式：數(shù)據(jù) 發(fā)送到 協(xié)調(diào)器、 數(shù)據(jù)從 協(xié)調(diào)器發(fā) 出 、對等數(shù)據(jù) 傳送 。星型拓撲網(wǎng)絡中只存在前兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，因為數(shù)據(jù)只在協(xié)調(diào)器和設備之間交換；而在點對點拓撲網(wǎng)絡中，三種數(shù)據(jù)傳輸方式都存在。 ① 數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器 在信標和非信標模式下，主要區(qū)別是器件是否先要從協(xié)調(diào)器 獲得信標，接著利用帶時槽的 CSMA/CA 來傳送資料。如圖 25。 圖 25 數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器 . . ② 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出 在信標使能方式中，協(xié)調(diào)器會利用信標中的字段來告知有資料要傳送。而網(wǎng)絡終端則會周期性的監(jiān)聽信標，如果自己是協(xié)調(diào)器傳送對象，則該器件利用開槽 CSMA/CA 將 MAC命令請求控制信息傳給協(xié)調(diào)器。 在非信標使能方式中，終端器件利用無槽 CSMA/CA 將 MAC 命令請求控制信息給協(xié)調(diào)器，若協(xié)調(diào)器有數(shù)據(jù)要傳送，也是利用無槽 CSMA/CA 方式將資料傳出。流程圖如下圖26。 圖 26 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào) 器傳出 ③ 對等數(shù)據(jù)傳送 在對等的 PAN 中，任一器件可同其射頻范圍內(nèi)的其它器件通信。預通信的器件只有定時接收和彼此完全同步兩種狀態(tài)。 (3) MAC 層幀結構 MAC 層幀結構的設計目標是用 最簡單方法 實現(xiàn)在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。每個 MAC 子層的幀都由幀頭、負載和幀尾三部分組成。幀頭由幀控制信息、幀序列號和地址信息組成。幀尾是幀頭和負載數(shù)據(jù)的 16 位 CRC 校驗序列 。 MAC 子層負載具有可變長度，具體內(nèi)容由幀類型決定 [7]。 表 22 MAC幀的通用格式 字節(jié)2 1 0/2 1/2/8 0/2 0/2/8 2 幀 控 制 序 列 號 目的PAN 標識符 目的地址 源 PAN標志符 源地址 幀校驗 地址幀 MAC 幀頭 MAC 幀尾 IEEE 網(wǎng)絡共定義了四種類型的幀：信標幀，數(shù)據(jù)幀，確認幀和 MAC 命令幀。 . . ① 信標幀 信標幀的負載數(shù)據(jù)單元由四部分組成：超幀描述字段、 GTS 分配字段、待轉發(fā)數(shù)據(jù)目標地址字段和信標幀負載數(shù)據(jù)。 在信標網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器通過向網(wǎng)絡中的所有從設備發(fā)送信標幀，以保證這些設備能夠同協(xié)調(diào)器進行同步，從而保證網(wǎng)絡運行的成本維持在最低水平。 ② 數(shù)據(jù)幀 數(shù)據(jù)幀用來傳輸上層發(fā)到 MAC 層的數(shù)據(jù)，它的負載字段包含上層需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)負載傳到 MAC 層時，被稱為 MSDU。 MAC 幀傳送至物理層后，就成為了物理幀的負載 PSDU。 ③ 確認幀 如果設備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或 MAC 命令幀，并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認請求位被置 1，設備需要回應一個確認幀。確認幀的序列號應該與被確認幀的序列號相同，并且負載長度應該為零。 ④ 命令幀 MAC 命令幀只是在格式上和其他類型 的幀的 幀控制字段的幀類型位有所不同。幀頭的幀控制字段的幀類型為 011B 就 表示這是一個命令幀。命令幀的具體功能由幀的負載數(shù)據(jù)表示。 負載數(shù)據(jù)是一個變長結構，所有命令幀負載的第一個字節(jié)是命令類型字節(jié)，后面的數(shù)據(jù)針對不同的命令類型有不同的含義。命令幀主要完成三方面的功能：把設備關聯(lián)到PAN 網(wǎng)絡，與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)，分配 GTS，可以 用于組建 PAN 網(wǎng)絡，傳輸同步數(shù)據(jù)等 。 網(wǎng)絡層（ NWK） 主要功能： NWK 層提供網(wǎng)絡節(jié)點地址分配，組網(wǎng)管理，消息路由，路徑發(fā)現(xiàn)及維護等功能。 NWK 層主要是為了確保正確地操作 IEEE ． 2021MAC 子層和為應用層提供服務接口。 NWK 層從概念上包括兩個服務實體：數(shù)據(jù)服務實體和管理服務實體。 網(wǎng)絡層的功能有以下幾個方面： ① NWK 層的責任主要包括加入和離開一個網(wǎng)絡用到的機制、應用幀安全機制和他們的目的地路由幀機制 ； ② ZigBee 協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡層還負責建立一個新的網(wǎng)絡 ； ③ 網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn) ； ④ 網(wǎng)絡形成 ； ⑤ 允許設備連接 ； ⑥ 斷開網(wǎng)絡連接 ； ⑦ 接收機同步 ； ⑧ 信息庫維護 。 應用層（ APL層） ZigBee應用層包括應用支持子層 (APS子層 )、應用框架 (AF)和 ZigBee設備對象 (ZDO)。. . APS子層負責建立和維護綁定表，綁定表主要根據(jù)設備之間的服務和他們的需求使設備相互配對。 ZigBee的應用框架 (AF)為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對 (KVP)服務和報文 (MSG)服務供應用對象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個設備允許最多 240個用戶自定義應用對象，分別指定在端點 l至端點 240上。 ZDO6可以看成是指配到端點 O上的一個特殊的應用對象，被所有 ZigBee設備包含，是所有用戶自定義的應用對象調(diào)用的一個功能集，包括網(wǎng)絡角色管理，綁定管理，安全管理等。 ZDO負責定義設備在網(wǎng)絡中的角色 (例如是 ZigBee協(xié)調(diào)器或者 ZigBee終端設備 )、發(fā)現(xiàn)設備和決定他們提供哪種應用服務 ，發(fā)現(xiàn)或響應綁定請求，在網(wǎng)絡設備之間建立可靠的關聯(lián) 。 安全服務提供層（ SSP層） 安全服務提供者 SSP(Security Service Provider)向 NWK層和 APS層提供安全服務。ZigBee協(xié)議層與層之間是通過原語進行信息的交換和應答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務接口，數(shù)據(jù) SAP(Service Access Point)和管理 SAP(Service Access Point)。 數(shù)據(jù)服務接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務，管理服務接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參 數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制 。 ZigBee的網(wǎng)絡基礎 ZigBee網(wǎng)絡基礎主要包括設備類型，拓撲結構和路由方式三方面的內(nèi)容， ZigBee標準規(guī)定的網(wǎng)絡節(jié)點分為協(xié)調(diào)器（ Coordinator）、路由器 (Router)和終端節(jié)點（ End Device）。節(jié)點類型是網(wǎng)絡層的概念，反映了網(wǎng)絡的拓撲形式。 ZigBee網(wǎng)絡具有三種拓撲形式：星型拓撲、樹型拓撲、網(wǎng)狀拓撲 [9]。 網(wǎng)絡節(jié)點類型 網(wǎng)絡節(jié)點主要包括協(xié)調(diào)器（ Coordinator），路由器（ Router），終端節(jié)點 （ End Device）三部分 。 （ 1）協(xié)調(diào)器 在各種拓撲形式的 ZigBee的網(wǎng)絡中，有且只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，他負責網(wǎng)絡所使用的頻率通道、建立網(wǎng)絡并在其他節(jié)點加入網(wǎng)絡、提供信息路由、安全管理和其他服務。 （ 2）路由器 當采用樹型和網(wǎng)狀拓撲結構時，需要用到路由器節(jié)點，它可以加入?yún)f(xié)議。是網(wǎng)絡遠距離延伸的必要部分。它負責發(fā)送和接受節(jié)點自身信息；節(jié)點自身會轉發(fā)信息，允許子節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡。 （ 3）終端節(jié)點 終端節(jié)點的主要任務就是發(fā)送和接受信息，通常一個終端節(jié)點不處在數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)時可進入休眠狀態(tài)以降低能源消耗。 網(wǎng)絡拓撲形式 . . Zigbee協(xié)議標準中定義了三種網(wǎng)絡拓撲形式，分別為星形拓撲、樹形拓撲和網(wǎng)狀拓撲，如圖 27所示。 圖 27 三種網(wǎng)絡拓撲形式 星形網(wǎng)絡是三種拓撲結構中最簡單的，因為星形網(wǎng)絡沒用到 Zigbee協(xié)議棧，只要用802． 15． 4的層就可以實現(xiàn)。網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器和一系列的路由器和終端設備構成，節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸都要通過協(xié)調(diào)器轉發(fā)。節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個路徑，沒有可選擇的路徑，假如發(fā)生鏈路中斷時，那么發(fā)生鏈路中斷的節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信也將中斷，此外協(xié)調(diào)器很可能成為整個網(wǎng)絡的瓶頸。 在樹形拓撲結構中，每一 個節(jié)點都只能和他的父節(jié)點和子節(jié)點之間通信，也就是說，當從一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的協(xié)調(diào)器節(jié)點然后再向下傳遞到目標節(jié)點。這這種拓撲方式的缺點就是信息只有唯一的路由通道，信息的路由過程完成是由網(wǎng)絡層處理，對于應用層是完全透明的。 網(wǎng)狀網(wǎng)絡除了允許父節(jié)點和子節(jié)點之間的通信，也允許通信范圍之內(nèi)具有路由能力的父子關系的鄰居節(jié)點之問進行通信，它是樹形網(wǎng)絡基礎上實現(xiàn)的，與樹形網(wǎng)絡不同的是，網(wǎng)狀網(wǎng)絡是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c對點的網(wǎng)絡結構，其路由可自動建立和維護，并且具有強大的 自組織、自愈功能，網(wǎng)絡可以通過“多級跳”的方式來通信，可以組成極為復雜的網(wǎng)絡，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡節(jié)點規(guī)模。該拓撲結構的優(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的開銷。 ZigBee的工作模式 ZigBee網(wǎng)絡的工作模式可以分為信標 (Beacon)模式和非信標 (Nonbeacon)模式兩種。信標模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標模式只允許 ZE進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器設備長期處于工作狀態(tài)。 在信標模式下，協(xié)調(diào)器負責以一 定的間隔時間 (一般在 15ms到 4mins之間 )向網(wǎng)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(wǎng)絡休眠區(qū)和網(wǎng)絡活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡活動區(qū)的各個時槽內(nèi)發(fā)送。 非信標模式下， ZigBee標準采用父節(jié)點為子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，終端節(jié)點主動向其父節(jié)點提取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)終端節(jié)點的周期性(周期可設置 )休眠。網(wǎng)絡中所有的父節(jié)點需要為自己的子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡中，并向 . . 父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉