【正文】 PHY 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDUs) ，物理層負(fù)責(zé)下面的任務(wù)：? 無線收發(fā)信機(jī)的激活和去激活；? 在當(dāng)前信道上的能量監(jiān)測(ED)；鏈路質(zhì)量指示(LQI) ，用在接收的數(shù)據(jù)上；? 清除信道估計(jì)(CCA)算法用在 CSMA/CA 技術(shù)中；? 信道頻率選擇；? 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。IEEE 在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調(diào)制方式等相關(guān)要求。在 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps，采用的是 16 相位正交調(diào)制技術(shù) (OQPSK)；在915MHz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 40kbps，采用的是帶有二進(jìn)制移耜鍵控(BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)；在 868MHz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 20kbps，采用的是帶有二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)。物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從 MAC 層到物理層無線信道的接疊。從圖 可以看到，在物理層中存在數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層管理實(shí)體服務(wù)的接入點(diǎn)。通過這兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)提供如下服務(wù)：通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)(PDSAP)為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；透過物理層管理實(shí)體 (PLME)服務(wù)的接入點(diǎn)(PLMESAP)為物理層管理提供服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)物理層實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)物理層個(gè)體網(wǎng)絡(luò)基本信息無線射頻服務(wù)接入點(diǎn)物理層物理層管理實(shí)體圖 物理層結(jié)構(gòu)模型表 給出了物理層數(shù)據(jù)包的格式。ZigBee 物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層載荷三部分組成。同步包頭由前同步碼(前導(dǎo)碼)和數(shù)據(jù)包(幀)定界符組成，用于獲取符號同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整；物理層包頭指示載荷部分的長度，物理層載荷部分含有 MAC 層數(shù)據(jù)包，載荷部分的最大長度是 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３．２物理層數(shù)據(jù)包格式4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 變量前同步碼 幀定界符 真長度（7 位） 預(yù)留位（1 位） ＰＳＤＵ同步包頭 物理層包頭 物理層凈荷 IEEE 媒介接入控制層(MAC)在 IEEE 802 系列中，OSI 參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層又被分力 MAC 和 LLC 兩個(gè)子層。MAC 子層便用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備之間提供面向連接(關(guān)聯(lián)) 和非連接(取消關(guān)聯(lián)) 的服務(wù)。 IEEE MAC 子層實(shí)現(xiàn)包括設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和斷開。確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗(yàn)與快速自動(dòng)請求重發(fā)(ARQ)，預(yù)留時(shí)隙管理以及廣播信息管理等。MAC 子層處理所有物理層無線信道的接入，其主要工作有：? 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀；? 支持個(gè)域網(wǎng)(PAN)關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；? 為設(shè)備的安全提供支持；? 與網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)同步；? 信道接入方式采用載波監(jiān)聽多址接入—沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制? 處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制；? 在兩個(gè)對等的 MAC 實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。MAC 層在服務(wù)協(xié)議匯聚層(SSCS)和物理層之間提供了一個(gè)接口，MAC 層提供了一個(gè)稱之為 MLME 的管理實(shí)體，該實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接口可調(diào)用 MAC 層管理功能，該實(shí)體還負(fù)責(zé)維護(hù) MAC 層固有的管理對象的數(shù)據(jù)庫。從圖 可以看出，在MAC 層兩個(gè)不同服務(wù)的接入點(diǎn)提供了兩個(gè)不同的 MAC 層服務(wù)：MAC 層通過它的公共部分子層服務(wù)接入點(diǎn)為它提供數(shù)據(jù)服務(wù)；MAC 層通過它的管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)為它提供管理服務(wù)。M A C 公共部分子層服務(wù)接入點(diǎn)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn) 物理層管理實(shí)體接入點(diǎn)M A C 管理實(shí)體服務(wù)節(jié)點(diǎn)M A C 層個(gè)域網(wǎng)信息庫M A C 公共部分子層M A C 層管理實(shí)體圖 ?。停粒脤咏Y(jié)構(gòu)模型表 給出了 MAC 子層的數(shù)據(jù)包格式。MAC 子層數(shù)據(jù)包由 MAC 子層幀頭(MHR， MAC Header)、MAC 子層載荷和 MAC 子層幀尾(MFR，MAC Footer)組成。MAC 子層幀頭由 2 字節(jié)的幀控制域、1 字節(jié)的幀序號域和最多 20 字節(jié)的地址域組成。幀控制域指明了 MAC 幀的類型、地址域的格式以及是否需要接收方確認(rèn)等控制信息；幀序號域包含了發(fā)送方對幀的順序編號，用于匹配確認(rèn)幀，實(shí)現(xiàn) MAC 子層的可靠傳輸；地址域采用的尋址方式可以是 64 位的 IEEE MAC 地址或者 8 位的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)地址。表 MAC 層數(shù)據(jù)包格式2 字節(jié) 1 字節(jié) 0/2 字節(jié) 0/2/8 字節(jié) 0/2 字節(jié) 0/2/8 字節(jié) 可變2 字節(jié)幀控制 序列號目的PAN 標(biāo)識符目的地址 源 PAN標(biāo)識符 源地址 幀載荷 FCSMHR(MAC 層幀頭) MAC 載荷 MFR ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層(NWK)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保 ZigBee 的 MAC 層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了向應(yīng)用層提供接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)功能服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體，如圖 所示。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDESAP) 提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLMESAP) 提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對網(wǎng)絡(luò)信息庫的維護(hù)和管理。圖 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)絡(luò)層通過 MCPSSAP 和 MLMESAP 接口為 MAC 層提供接口，通過 NLDESAP 與 NLMESAP 接口為應(yīng)用層提供接口服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，允許應(yīng)用與協(xié)議棧相互作用。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供如下服務(wù)：配置一個(gè)新設(shè)備；初始化網(wǎng)絡(luò)；加入或離開網(wǎng)絡(luò)；尋址；鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)；路由發(fā)現(xiàn)和接收控制。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)。在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，將按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進(jìn)行傳送，并且這些設(shè)備必須在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，即在同一個(gè)內(nèi)部個(gè)域網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供如下服務(wù)：生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)；指定拓?fù)鋫鬏斅酚伞＞W(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)即網(wǎng)絡(luò)層幀的結(jié)構(gòu)，如表 所示。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)( 幀結(jié)構(gòu) )的基本組成部分是：網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭，包含幀控制、地址和序列信息；網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長有效載荷，包含幀類型所指定的信息。下圖表示的是網(wǎng)絡(luò)層的通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域。有的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中也定義了數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)層命令幀。表 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包格式2 字節(jié)2 字節(jié)2 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 0/8 0/8 0/1 變長 變長幀控制目的地址源地址廣播半徑域廣播序列號目的地址源地址多點(diǎn)傳送控制源路由幀幀的有效載荷網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭 網(wǎng)絡(luò)層有效 載荷 ZigBee 應(yīng)用層(API)ZigBee 應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層(APS)、ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)和制造商所定義的應(yīng)用對象。應(yīng)用支持層的功能包括維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送信息。ZigBee 設(shè)備對象的功能包括定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起和響應(yīng)綁定請求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并且決定它們提供何種應(yīng)用服務(wù)。ZigBee 應(yīng)用層除了提供一些必要的函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個(gè)重要的功能就是應(yīng)用者可在這層定義自己的應(yīng)用對象。1．應(yīng)用支持子層(APS)APS 負(fù)責(zé)如下工作：表格綁定；綁定設(shè)備間信息發(fā)送；組地址的定義與管理；64 位長地址映射到 16 位網(wǎng)絡(luò)地址；包的分組與組裝；數(shù)據(jù)可靠傳輸。需求水平和服務(wù)水平接口的關(guān)鍵是設(shè)備的綁定。綁定表保存在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器中。綁定表能把源地址和源端點(diǎn)映射到一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)地址和目標(biāo)端點(diǎn)。一組綁定設(shè)備的簇 ID 號相同。2．應(yīng)用框架應(yīng)用框架是應(yīng)用對象發(fā)包和收包的執(zhí)行環(huán)境。應(yīng)用對象由 ZigBee 設(shè)備制造商定義。應(yīng)用對象處于應(yīng)用層的頂部，由設(shè)備制造商所決定。應(yīng)用對象執(zhí)行具體應(yīng)用。應(yīng)用對象可以是燈泡、燈開關(guān)、LED、I/O 線等。應(yīng)用層面由應(yīng)用對象運(yùn)行。每個(gè)應(yīng)用對象通過相應(yīng)的端點(diǎn)尋址，端點(diǎn)號范圍從 1 號到 240 號。0 號端點(diǎn)是 ZigBee 設(shè)備對象的地址，255 號端點(diǎn)是廣播地址，信息能發(fā)送到特定節(jié)點(diǎn)的所有端點(diǎn)。241 號—254 號端點(diǎn)預(yù)留作未來使用。3．ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)ZDO 負(fù)責(zé)所有設(shè)備的管理。具體來說，ZDO 負(fù)責(zé)開啟應(yīng)用支持子層和網(wǎng)絡(luò)層；定義設(shè)備的工作模式，如：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備；發(fā)現(xiàn)設(shè)備和確定設(shè)備提供什么應(yīng)用服務(wù)；發(fā)起和響應(yīng)綁定請求；安全管理。設(shè)備發(fā)現(xiàn)只能由協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)起。終端設(shè)備響應(yīng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)查詢后，根據(jù)請求發(fā)送自己的 IEEE 地址或網(wǎng)絡(luò)地址。協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)送自己的 IEEE 地址或發(fā)送附加上關(guān)聯(lián)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址的網(wǎng)絡(luò)地址。(如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器或路由器的子節(jié)點(diǎn)，設(shè)備就會(huì)關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)器或路由器。)設(shè)備發(fā)現(xiàn)允許 adhoc 網(wǎng)絡(luò)和自愈網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)發(fā)現(xiàn)是每個(gè)節(jié)點(diǎn)找出服務(wù)適合什么應(yīng)用的過程。這條信息然后用在綁定表中關(guān)聯(lián)提供服務(wù)的設(shè)備和需要服務(wù)的設(shè)備。4．ZigBee 配置文件ZigBee 配置文件，也稱為層面，是不同設(shè)備上應(yīng)用之間信息處理的協(xié)定，是應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域接口所需要的設(shè)備描述。配置文件描述了邏輯組件和接口，為不同制造商提供了互用性。例如，家庭燈光配置文件方便了一家制造商生產(chǎn)的無線開關(guān)去控制另一家制造商生產(chǎn)的照明設(shè)備。配置文件分為三種：公共層面(或標(biāo)準(zhǔn)層面)、私立層面和出版層面。公共層面由 ZigBee 聯(lián)盟管理，私立層面由 ZigBee 產(chǎn)品賣主定義，進(jìn)行使用的限制。如果層面的所有者出版了層面，那么私立層面就轉(zhuǎn)變成出版層面 [6]。 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)ZigBee 協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過服務(wù)接入點(diǎn) SAP 相連接的。每一層都可以通過本層和下一層的 SAP 調(diào)用下層所提供的服務(wù)，同時(shí)通過與上層的SAP 通信，為上層提供相應(yīng)服務(wù)。SAP 是層與層之間的唯一接口，而具體的服務(wù)是以通信原語的形式供層與層之間調(diào)用。在調(diào)用下層服務(wù)時(shí)，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語。這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。層與層之間的通信原語分為以下四種，它們之間的關(guān)系如圖 所示 [12]。圖 服務(wù)原語Request：請求原語，用于上層向本層請求指定的服務(wù)。Confirm：確認(rèn)原語，用于本層響應(yīng)上層發(fā)出的請求原語。Indication：指示原語，本層發(fā)給上層，用來指示本層的某一內(nèi)部事件。Response：響應(yīng)原語，用于上層響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為管理服務(wù)實(shí)體和數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體。管理服務(wù)實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLMESAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，并允許應(yīng)用和堆棧相互作用。數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體生成協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，并通過數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDESAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù) (1)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的建立建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的過程從 原語的使用開始。只有那些可以成為 ZigBee 協(xié)調(diào)器并且當(dāng)前沒有加入任何網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備才能建立新網(wǎng)絡(luò)。如果該程序已經(jīng)在其他設(shè)備中開始運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)就必須結(jié)束該程序，并通知上一層屬于非法請求。這一過程通過發(fā)送 原語，并設(shè)置其狀態(tài)參數(shù)為 來實(shí)現(xiàn)。過程啟動(dòng)以后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體首先要求 MAC 層對任意指定的一系列信道，缺省條件對所有有效的信道進(jìn)行能量掃描，尋找可能存在的網(wǎng)絡(luò)。信道掃描通過發(fā)送 原語到 MAC 層，將 ScanType 參數(shù)設(shè)置為能量掃描。MAC層將結(jié)果有 原語傳回網(wǎng)絡(luò)層(NWK)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體根據(jù)能量檢測來對這些信道進(jìn)行排序，并忽略一些能量值低于某一可接受水平的信道。然后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體發(fā)送 原語進(jìn)行主動(dòng)掃描，需要將ScanType 參數(shù)設(shè)置成主動(dòng)掃描并把 ChannelList 設(shè)置成可接受信道，用以尋找其他的 ZigBee 設(shè)備。為了選取建立新網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體需要尋找現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)量最少的第一個(gè)信道。如果沒有發(fā)現(xiàn)合適的信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就要結(jié)束該程序并通知上一層網(wǎng)絡(luò)建立失敗。如果發(fā)現(xiàn)了合適的信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就要為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè) PAN 標(biāo)識符。首先要檢查可選的 PANID 參數(shù)是否在指定的 原語中被指定。如果存在并且沒有與現(xiàn)有的 PANID 沖突，這個(gè)值就成為新網(wǎng)絡(luò)的PANID。否則設(shè)備會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)的 PAN 標(biāo)識符。一旦網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體做出選擇，它就要通過發(fā)送 原語把 MAC 層的 macPANID 屬性設(shè)置為該值。PAN 標(biāo)識符被選定后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就要選擇一個(gè) 16 位的網(wǎng)絡(luò)地址并設(shè)置 MAC層的 maeShortAddress 屬性與該網(wǎng)絡(luò)地址一致。如果該網(wǎng)絡(luò)地址被選定，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體發(fā)送 原語給 MAC 層以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)幀格式。按照 NLME 原語、信道掃描結(jié)果和選定的 PAN 標(biāo)識符提供的信息設(shè)置 原語的參數(shù)。PAN 狀態(tài)通過 原語傳回網(wǎng)絡(luò)層。一旦接收到 PAN 啟動(dòng)的狀態(tài)值，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通知上層網(wǎng)絡(luò)實(shí)體初始化ZigBee 協(xié)調(diào)器的要求，發(fā)送 原語(狀態(tài)參量設(shè)成 原語從 MAC 層返回的值)。 (2)允許設(shè)備 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的過程由 原語開始。只有ZigBee 協(xié)調(diào)器和 ZigBee 路由器才能允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。如果該程序己經(jīng)在其他任意設(shè)備上被運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)層