【正文】 PHY 協(xié)議數據單元(PPDUs) ，物理層負責下面的任務：? 無線收發(fā)信機的激活和去激活；? 在當前信道上的能量監(jiān)測(ED)；鏈路質量指示(LQI) ，用在接收的數據上；? 清除信道估計(CCA)算法用在 CSMA/CA 技術中；? 信道頻率選擇；? 數據發(fā)送和接收。IEEE 在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調制方式等相關要求。在 的物理層，數據傳輸速率為 250kbps，采用的是 16 相位正交調制技術 (OQPSK)；在915MHz 的物理層，數據傳輸速率為 40kbps，采用的是帶有二進制移耜鍵控(BPSK)的直接序列擴頻(DSSS)技術；在 868MHz 的物理層，數據傳輸速率為 20kbps，采用的是帶有二進制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴頻(DSSS)技術。物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個從 MAC 層到物理層無線信道的接疊。從圖 可以看到，在物理層中存在數據服務接入點和物理層管理實體服務的接入點。通過這兩個服務接入點提供如下服務：通過物理層數據服務接入點(PDSAP)為物理層數據提供服務；透過物理層管理實體 (PLME)服務的接入點(PLMESAP)為物理層管理提供服務。數據服務接入點物理層實體服務接入點物理層個體網絡基本信息無線射頻服務接入點物理層物理層管理實體圖 物理層結構模型表 給出了物理層數據包的格式。ZigBee 物理層數據包由同步包頭、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，也有助于粗略的頻率調整；物理層包頭指示載荷部分的長度，物理層載荷部分含有 MAC 層數據包，載荷部分的最大長度是 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３．２物理層數據包格式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 參考模型的數據鏈路層又被分力 MAC 和 LLC 兩個子層。MAC 子層便用物理層提供的服務實現設備之間的數據幀層的基礎上，在設備之間提供面向連接(關聯) 和非連接(取消關聯) 的服務。 IEEE MAC 子層實現包括設備間無線鏈路的建立、維護和斷開。確認模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗與快速自動請求重發(fā)(ARQ)，預留時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：? 網絡協(xié)調器產生并發(fā)送網絡信標幀；? 支持個域網(PAN)關聯和取消關聯；? 為設備的安全提供支持；? 與網絡信標同步；? 信道接入方式采用載波監(jiān)聽多址接入—沖突避免(CSMA/CA)機制? 處理和維護保護時隙(GTS)機制；? 在兩個對等的 MAC 實體之間提供一個可靠的通信鏈路。MAC 層在服務協(xié)議匯聚層(SSCS)和物理層之間提供了一個接口，MAC 層提供了一個稱之為 MLME 的管理實體，該實體通過一個服務接口可調用 MAC 層管理功能，該實體還負責維護 MAC 層固有的管理對象的數據庫。從圖 可以看出，在MAC 層兩個不同服務的接入點提供了兩個不同的 MAC 層服務：MAC 層通過它的公共部分子層服務接入點為它提供數據服務；MAC 層通過它的管理實體服務接入點為它提供管理服務。M A C 公共部分子層服務接入點物理層數據服務接入點 物理層管理實體接入點M A C 管理實體服務節(jié)點M A C 層個域網信息庫M A C 公共部分子層M A C 層管理實體圖 　ＭＡＣ層結構模型表 給出了 MAC 子層的數據包格式。MAC 子層數據包由 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，用于匹配確認幀，實現 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 網絡地址。表 MAC 層數據包格式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 標識符目的地址 源 PAN標識符 源地址 幀載荷 FCSMHR(MAC 層幀頭) MAC 載荷 MFR ZigBee 網絡層(NWK)ZigBee 網絡層的主要功能就是提供一些必要的函數，確保 ZigBee 的 MAC 層正常工作，并且為應用層提供合適的服務接口。為了向應用層提供接口，網絡層提供了兩個功能服務實體：數據服務實體和管理服務實體，如圖 所示。網絡層數據實體通過網絡層數據實體服務接入點(NLDESAP) 提供數據傳輸服務，網絡管理層實體通過網絡層管理實體服務接入點(NLMESAP) 提供網絡管理服務。網絡層管理實體利用網絡層數據實體完成一些網絡的管理工作，并且網絡層管理實體完成對網絡信息庫的維護和管理。圖 網絡層結構模型網絡層通過 MCPSSAP 和 MLMESAP 接口為 MAC 層提供接口，通過 NLDESAP 與 NLMESAP 接口為應用層提供接口服務。網絡層管理實體提供網絡管理服務，允許應用與協(xié)議棧相互作用。網絡層管理實體提供如下服務：配置一個新設備；初始化網絡；加入或離開網絡；尋址；鄰居設備發(fā)現；路由發(fā)現和接收控制。網絡層數據實體為數據提供服務。在兩個或多個設備之間傳送數據時，將按照應用協(xié)議數據單元(APDU)的格式進行傳送，并且這些設備必須在同一個網絡中，即在同一個內部個域網中。網絡層數據實體提供如下服務：生成網絡層協(xié)議數據單元(NPDU)；指定拓撲傳輸路由。網絡協(xié)議數據單元(NPDU)即網絡層幀的結構，如表 所示。網絡協(xié)議數據單元結構( 幀結構 )的基本組成部分是：網絡層幀報頭，包含幀控制、地址和序列信息；網絡層幀的可變長有效載荷，包含幀類型所指定的信息。下圖表示的是網絡層的通用幀結構，不是所有的幀都包含地址和序列域。有的 ZigBee 網絡協(xié)議中也定義了數據幀和網絡層命令幀。表 網絡層數據包格式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傳送控制源路由幀幀的有效載荷網絡層幀報頭 網絡層有效 載荷 ZigBee 應用層(API)ZigBee 應用層框架包括應用支持層(APS)、ZigBee 設備對象(ZDO)和制造商所定義的應用對象。應用支持層的功能包括維持綁定表、在綁定的設備之間傳送信息。ZigBee 設備對象的功能包括定義設備在網絡中的角色，發(fā)起和響應綁定請求，在網絡設備之間建立安全機制，發(fā)現網絡中的設備，并且決定它們提供何種應用服務。ZigBee 應用層除了提供一些必要的函數以及為網絡層提供合適的服務接口外，一個重要的功能就是應用者可在這層定義自己的應用對象。1．應用支持子層(APS)APS 負責如下工作：表格綁定；綁定設備間信息發(fā)送；組地址的定義與管理；64 位長地址映射到 16 位網絡地址；包的分組與組裝；數據可靠傳輸。需求水平和服務水平接口的關鍵是設備的綁定。綁定表保存在網絡中的協(xié)調器和路由器中。綁定表能把源地址和源端點映射到一個或多個目標地址和目標端點。一組綁定設備的簇 ID 號相同。2．應用框架應用框架是應用對象發(fā)包和收包的執(zhí)行環(huán)境。應用對象由 ZigBee 設備制造商定義。應用對象處于應用層的頂部，由設備制造商所決定。應用對象執(zhí)行具體應用。應用對象可以是燈泡、燈開關、LED、I/O 線等。應用層面由應用對象運行。每個應用對象通過相應的端點尋址，端點號范圍從 1 號到 240 號。0 號端點是 ZigBee 設備對象的地址，255 號端點是廣播地址，信息能發(fā)送到特定節(jié)點的所有端點。241 號—254 號端點預留作未來使用。3．ZigBee 設備對象(ZDO)ZDO 負責所有設備的管理。具體來說，ZDO 負責開啟應用支持子層和網絡層；定義設備的工作模式，如：協(xié)調器、路由器、終端設備；發(fā)現設備和確定設備提供什么應用服務；發(fā)起和響應綁定請求；安全管理。設備發(fā)現只能由協(xié)調器或路由器發(fā)起。終端設備響應設備發(fā)現查詢后，根據請求發(fā)送自己的 IEEE 地址或網絡地址。協(xié)調器或路由器發(fā)送自己的 IEEE 地址或發(fā)送附加上關聯設備網絡地址的網絡地址。(如果設備是協(xié)調器或路由器的子節(jié)點，設備就會關聯協(xié)調器或路由器。)設備發(fā)現允許 adhoc 網絡和自愈網絡。服務發(fā)現是每個節(jié)點找出服務適合什么應用的過程。這條信息然后用在綁定表中關聯提供服務的設備和需要服務的設備。4．ZigBee 配置文件ZigBee 配置文件，也稱為層面，是不同設備上應用之間信息處理的協(xié)定，是應用領域和應用領域接口所需要的設備描述。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的無線開關去控制另一家制造商生產的照明設備。配置文件分為三種：公共層面(或標準層面)、私立層面和出版層面。公共層面由 ZigBee 聯盟管理，私立層面由 ZigBee 產品賣主定義，進行使用的限制。如果層面的所有者出版了層面，那么私立層面就轉變成出版層面 [6]。 ZigBee 無線網絡的組網ZigBee 協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過服務接入點 SAP 相連接的。每一層都可以通過本層和下一層的 SAP 調用下層所提供的服務，同時通過與上層的SAP 通信，為上層提供相應服務。SAP 是層與層之間的唯一接口，而具體的服務是以通信原語的形式供層與層之間調用。在調用下層服務時，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。這樣就做到了數據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，它們之間的關系如圖 所示 [12]。圖 服務原語Request：請求原語，用于上層向本層請求指定的服務。Confirm：確認原語，用于本層響應上層發(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部事件。Response：響應原語，用于上層響應本層發(fā)出的指示原語。ZigBee 標準提供了兩個必須的功能服務實體，它們分別為管理服務實體和數據服務實體。管理服務實體通過網絡管理實體服務接入點(NLMESAP)提供網絡管理服務，并允許應用和堆棧相互作用。數據服務實體生成協(xié)議數據單元(PDU)，并通過數據實體服務接入點(NLDESAP)提供數據傳輸服務。 網絡管理服務 (1)ZigBee 網絡的建立建立一個新網絡的過程從 原語的使用開始。只有那些可以成為 ZigBee 協(xié)調器并且當前沒有加入任何網絡的設備才能建立新網絡。如果該程序已經在其他設備中開始運行，網絡層管理實體(NLME)就必須結束該程序，并通知上一層屬于非法請求。這一過程通過發(fā)送 原語，并設置其狀態(tài)參數為 來實現。過程啟動以后，網絡層管理實體首先要求 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行能量掃描，尋找可能存在的網絡。信道掃描通過發(fā)送 原語到 MAC 層，將 ScanType 參數設置為能量掃描。MAC層將結果有 原語傳回網絡層(NWK)。網絡層管理實體根據能量檢測來對這些信道進行排序，并忽略一些能量值低于某一可接受水平的信道。然后，網絡層管理實體發(fā)送 原語進行主動掃描，需要將ScanType 參數設置成主動掃描并把 ChannelList 設置成可接受信道，用以尋找其他的 ZigBee 設備。為了選取建立新網絡的最佳信道，網絡層管理實體需要尋找現有網絡數量最少的第一個信道。如果沒有發(fā)現合適的信道，網絡層管理實體就要結束該程序并通知上一層網絡建立失敗。如果發(fā)現了合適的信道，網絡層管理實體就要為新網絡選擇一個 PAN 標識符。首先要檢查可選的 PANID 參數是否在指定的 原語中被指定。如果存在并且沒有與現有的 PANID 沖突，這個值就成為新網絡的PANID。否則設備會選擇一個隨機的 PAN 標識符。一旦網絡層管理實體做出選擇，它就要通過發(fā)送 原語把 MAC 層的 macPANID 屬性設置為該值。PAN 標識符被選定后，網絡層管理實體就要選擇一個 16 位的網絡地址并設置 MAC層的 maeShortAddress 屬性與該網絡地址一致。如果該網絡地址被選定，網絡層管理實體發(fā)送 原語給 MAC 層以設定網絡幀格式。按照 NLME 原語、信道掃描結果和選定的 PAN 標識符提供的信息設置 原語的參數。PAN 狀態(tài)通過 原語傳回網絡層。一旦接收到 PAN 啟動的狀態(tài)值，網絡層管理實體通知上層網絡實體初始化ZigBee 協(xié)調器的要求，發(fā)送 原語(狀態(tài)參量設成 原語從 MAC 層返回的值)。 (2)允許設備 ZigBee 網絡允許設備加入網絡的過程由 原語開始。只有ZigBee 協(xié)調器和 ZigBee 路由器才能允許設備加入網絡。如果該程序己經在其他任意設備上被運行，網絡層