IEEE802154简述.docx
《IEEE802154简述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《IEEE802154简述.docx（11页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
IEEE802154简述
IEEE802.15.4简述
简述包括：
1IEEE802.15.4标准概述
2IEEE802.15.4网络简介
3IEEE802.15.4网络拓扑结构及形成过程
4IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层
5IEEE.802.15.4网络协议栈-MAC子层
6IEEE802.15.4的安全服务
IEEE802.15.4标准概述
随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米范围之内通信的需求，这样就出现了个人区域网络（personalareanetwork,PAN）和无线个人区域网络（wirelesspersonalareanetwork,WPAN）的概念。
WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。
1998年3月，IEEE802.15工作组。
这个工作组致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personaloperatingspace,POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。
POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。
在IEEE802。
15工作组内有四个任务组（taskgroup,TG），分别制定适合不同应用的标准。
这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。
下面是四个任务组各自的主要任务：
（1）任务组TG1：
制定IEEE802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。
这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。
（2）任务组TG2：
制定IEEE802.15.2标准，研究IEEE802.15.1与IEEE802.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。
（3）任务组TG3：
制定IEEE802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网络标准。
该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。
（4）任务组TG4：
制定IEEE802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络（low-ratewirelesspersonalareanetwork,LR-WPAN）制定标准。
该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。
任务组TG4定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。
LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。
与WLAN相比，LR-WPAN网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。
IEEE802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议。
IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：
（1）在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；
（2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构；
（3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；
（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance,CSMA-CA）；
（5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。
IEEE802.15.4网络简介
IEEE802.15.4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE802.15.4标准相互通信的一组设备的集合，又名LR-WPAN网络。
在这个网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（full-device,FFD）和精简功能设备（reduced-device,RFD）。
FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。
RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。
这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（coordinator）。
RFD设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样RFD设备可以采用非常廉价的实现方案。
IEEE802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调器（PANcoordinator）的FFD设备，是LR-WPAN网络中的主控制器。
PAN网络协调器（以后简称网络协调器）除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。
无线通信信道的特征是动态变化的。
节点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围不是确定的。
这就造成了LR-WPAN网络中设备的数量以及它们之间关系的动态变化。
IEEE802.15.4网络拓扑结构及形成过程
IEEE802.15.4网络根据应用的需要可以组织成星型网络，也可以组织成点对点网络。
在星型结构中，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。
在这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。
星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。
与星型网不同，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之都可以直接通信。
点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。
点对点网络模式可以支持adhoc网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。
不过一般认为自组织问题由网络层来解决，不在IEEE802.15.4标准讨论范围之内。
点对点网络可以构造更复杂的网络结构，适合于设备分布范围广的应用，比如在工业检测与控制、货物库存跟踪和智能农业等方面有非常好的应用背景。
网络拓扑的形成过程
虽然网络拓扑结构的形成过程属于网络层的功能，但IEEE802.15.4为形成各种网络拓扑结构提供了充分支持。
这部分主要讨论IEEE802.15.4对形成网络拓扑结构提供的支持，并详细地描述了星型网络和点对点网络的形成过程。
1、星型网络形成
星型网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。
任何一个FFD设备都有成为网络协调器的可能，一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决定。
一种简单的策略是：
一个FFD设备在第一次被激活后，首先广播查询网络协调器的请求，如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为了这个网络中的普通设备。
如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个FFD设备就可以建立自己的网络，并且成为这个网络的网络协调器。
当然，这里还存在一些更深入的问题，一个是网络协调器过期问题，如原有的网络协调器损坏或者能量耗尽；另一个是偶然因素造成多个网络协调器竞争问题，如移动物体阻挡导致一个FFD自己建立网络，当移动物体离开的时候，网络中将出现多个协调器。
网络协调器要为网络选择一个惟一的标识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。
不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。
选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。
星型网络中的两个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。
2、点对点网络的形成
点对点网络中，任意两个设备只要能够彼此收到对方的无线信号，就可以进行直接通信，不需要其他设备的转发。
但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过该协调器的功能不再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。
网络协调器的产生同样由上层协议规定，比如把某个信道上第一个开始通信的设备作为该信道上的网络协议器。
簇树网络是点对点网络的一个例子，下面以簇树网络为例描述点到点网络的形成过程.
在簇树网络中，绝大多数设备是FFD设备，而RFD设备总是作为簇树的叶设备连接到网络中。
任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器，为其他设备提供同步信息。
在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。
网络协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。
网络协调器首先将自己设为簇头（clusterheader,CLH），并将簇标识符（clusteridentifier,CID）设置为0，同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识符，形成网络中的第一个簇。
接着，网络协调器开始广播信标帧。
邻近设备收到信标帧后，就可以申请加入该簇。
设备可否成为簇成员，由网络协调器决定。
如果请求被允许，则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。
新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居列表中。
上面讨论的只是一个由单簇构成的最简单的簇树。
PAN网络协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头，以此形成更多的簇。
新簇头同样可以选择其他设备成为簇头，进一步扩大网络的覆盖范围。
但是过多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信开销。
为了减少延迟和通信开销，簇头可以选择最远的通信设备作为相邻簇的簇头，这样可以最大限度地缩小不同簇间消息传递的跳数，达到减少延迟和开销的目的。
IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层
IEEE802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型（OSI），每一层都实现一部分通信功能，并向高层提供服务。
IEEE802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。
PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。
MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。
MAC子层以上的几个层次，包括特定服务的聚合子层（servicespecificconvergencesublayer,SSCS），链路控制子层（logicallinkcontrol,LLC）等，只是IEEE802.15.4标准可能的上层协议，并不在IEEE802.15.4标准的定义范围之内。
SSCS为IEEE802.15.4的MAC层接入IEEE802.2标准中定义的LLC子层提供聚合服务。
LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE802.15.4网络，为应用层提供链路层服务。
一、物理层
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。
物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
物理层数据服务包括以下五方面的功能：
（1）激活和休眠射频收发器；
（2）信道能量检测（energydetect）；
（3）检测接收数据包的链路质量指示（linkqualityindication,LQI）；
（4）空闲信道评估（clearchannelassessment,CCA）；
（5）收发数据。
信道能量检测为网络层提供信道选择依据。
它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。
链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。
这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。
空闲信道评估判断信道是否空闲。
IEEE802.15.4定义了三种空闲信道评估模式：
第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。
1.物理层的载波调制
PHY层定义了三个载波频段用于收发数据。
在这三个频段上发送数据使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面存在一些差异。
三个频段总共提供了27个信道（channel）：
868MHz频段1个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16个信道。
在868MHz和915MHz这两个频段上，信号处理过程相同，只是数据速率不同。
处理过程，首先将物理层协议数据单元（PHYprotocoldataunit，PPDU）的二制数据差分编码，然后再将差分编码后的每一个位转换为长度为15的片序列（chipsequence），最后BPSK调制到信道上。
差分编码是将数据的每一个原始比特与前一个差分编码生成的比特进行异或运算：
En=Rn⊕En-1，其中En是差分编码的结果，Rn为要编码的原始比特，En-1是上一次差分编码的结果。
对于每个发送的数据包，R1是第一个原始比特，计算E1时假定E0=0。
差分解码过程与编码过程类似：
Rn=En⊕En-1，对于每个接收到的数据包，E1是第一个需要解码的比特，计算R1时假定E0=0。
差分编码以后，接下来就是直接序列扩频。
每一个比特被转换为长度为15的片序列。
扩频过程按下表进行，扩频后的序列使用BPSK调制方式调制到载波上。
2．4GHz频段的处理过程
首先将PPDU的二进制数据中每4位转换为一个符号（symbol），然后将每个符号转换成长度为32的片序列。
在把符号转换片序列时，用符号在16个近似正交的伪随便噪声序列的映射表，这是一个直接序列扩频的过程。
扩频后，信号通过O-QPSK调制方式调制到载波上。
二、物理层的帧结构
物理帧第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。
帧起始分隔符（start-of-delimiter,SFD）字段长度为一个字节，其值固定为0xA7，标识一个物理帧的开始。
收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字节上。
帧长度（length）由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。
物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元（PHYservicedataunit,PSDU），一般用来承载MAC帧。
IEEE.802.15.4网络协议栈-MAC子层
在IEEE802系列标准中，OSI参考模型的数据链路层进一步划分为MAC和LLC两个子层。
MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而LLC在MAC子层的基础上，在设备间提供面向连接和非连接的服务。
MAC子层提供两种服务：
MAC层数据服务和MAC层管理服务（MACsublayermanagemententity,MLME）。
前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
MAC子层主要功能包括下面六个方面：
（1）协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；
（2）支持PAN网络的关联（association）和取消关联（disassociation）操作；
（3）支持无线信道通信安全；
（4）使用CSMA-CA机制访问信道；
（5）支持时槽保障（guaranteedtimeslot,GTS）机制；
（6）支持不同设备的MAC层间可靠传输。
关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认证的过程。
LR-WPAN网络中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络，这时就需要进行关联和取消关联操作。
时槽保障机制和时分复用（timedivisionmultipleaccess,TDMA）机制相似，但它可以动态地为有收发请求的设备分配时槽。
使用时槽保障机制需要设备间的时间同步，IEEE802.15.4中的时间同步通过下面介绍的“超帧”机制实现。
1．超帧
在IEEE802.15.4中，可以选用以超帧为周期组织LR-WPAN网络内设备间的通信。
每个超帧都以网络协调器发出信标帧（beacon）为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。
网络中普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。
超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。
在不活跃期间，PAN网络中的设备不会相互通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。
超帧有活跃期间划分为三个阶段：
信标帧发送时段、竞争访问时段（contentionaccessperiod,CAP）和非竞争访问时段（contention-freeperiod,CEP）。
超帧的活跃部分被划分为16个等长的时槽，每个时槽的长度、竞争访问时段包含的时槽数等参数，都由协调器设定，并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。
在超帧的竞争访问时段，IEEE802.15.4网络设备使用带时槽的CSMA-CA访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。
在非竞争时段，协调器根据上一个超帧PAN网络中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS。
每个GTS由若干个时槽组成，时槽数目在设备申请GTS时指定。
如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时槽数目。
每个GTS中的时槽都指定分配给了时槽申请设备，因而不需要竞争信道。
IEEE802.15.4标准要求任何通信都必须在自己分配的GTS内完成。
超帧中规定非竞争时段必须跟在竞争时段后面。
竞争时段的功能包括网络设备可以自由收发数据，域内设备向协调者申请GTS时段，新设备加入当前PAN网络等。
非竞争阶段由协调者指定的设备发送或者接收数据包。
如果某个设备在非竞争时段一直处在接收状态，那么拥有GTS使用权的设备就可以在GTS阶段直接向该设备发送信息。
2．数据传输模型
LR-WPAN网络中存在着三种数据传输方式：
设备发送数据给协调器、协调器发送数据给设备、对等设备之间的数据传输。
星型拓扑网络中只存在前两种数据传输方式，因为数据只在协调器和设备之间交换；而在点对点拓扑网络中，三种数据传输方式都存在。
LR-WPAN网络中，有两种通信模式可供选择：
信标使能通信和信标不使能通信。
在信标使能的网络中，PAN网络协调器定时广播标帧。
信标帧表示超帧的开始。
设备之间通信使用基于时槽的CSMA-CA信道访问机制，PAN网络中的设备都通过协调器发送的信标帧进行同步。
在时槽CSMA-CA机制下，每当设备需要发送数据帧或命令帧时，它首先定位下一个时槽的边界，然后等待随机数目个时槽。
等待完毕后，设备开始检测信道状态：
如果信道忙，设备需要重新等待随机数目个时槽，再检查信道状态，重复这个过程直到有空闲信道出现。
在这种机制下，确认帧的发送不需要使用CSMA-CA机制，而是紧跟着接收帧发送回源设备。
在信标不使能的通信网络中，PAN网络协调器不发送信标帧，各个设备使用非分时槽的CSMA-CA机制访问信道。
该机制的通信过程如下：
每当设备需要发送数据或者发送MAC命令时，它首先等候一段随机长的时间，然后开始检测信道状态：
如果信道空闲，该设备立即开始发送数据；如果信道忙，设备需要重复上面的等待一段随机时间和检测信道状态的过程，直到能够发送数据。
在设备接收到数据帧或命令帧而需要回应确认帧的时候，确认帧应紧跟着接收帧发送，而不使用CSMA-CA机制竞争信道。
3．MAC层帧结构
MAC层帧结构的设计目标是用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。
每个MAC子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。
帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。
MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。
帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。
在MAC子层中设备地址有两种格式：
16位（两个字节）的短地址和64位（8个字节）的扩展地址。
16位短地址是设备与PAN网络协调器关联时，由协调器分配的网内局部地址；64位扩展地址是全球惟一地址，在设备进入网络之前就分配好了。
16位短地址只能保证在PAN网络内部是惟一的，所以在使用16位短地址通信时需要结合16位的PAN网络标识符才有意义。
两种地址类型的地址信息的长度是不同的，从而导致MAC帧头的长度也是可变的。
一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段的内容指示。
在帧结构中没有表示帧长度的字段，这是因为在物理层的帧里面有表示MAC帧长度的字段，MAC负载长度可以通过物理层帧长和MAC帧头的长度计算出来。
IEEE802.15.4网络共定义了四种类型的帧：
信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧。
1）信标帧
信标帧的负载数据单元由四部分组成：
超帧描述字段、GTS分配字段、待转发数据目标地址字段和信标帧负载数据。
（1）信标帧中超帧描述字段规定了这个超帧的持续时间，活跃部分持续时间以及竞争访问时段持续时间等信息。
（2）GTS分配字段交无竞争时段划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给了某个设备。
（3）转发数据目标地址列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址。
一个设备如果发现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里，则意味着协调器存有属于它的数据，所以它就会向协调器发出请求传送数据的MAC命令帧。
（4）信标帧负载数据为上层协议提供数据传输接口。
例如在使用安全机制的时候，这个负载域将根据被通信设备设定的安全通信协议填入相应的信息。
通常情况下，这个字段可以忽略。
在信标不使能网络里，协调器在其他设备的请求下也会发送信标帧。
此时信标帧的功能是辅助协调器向设备传输数据，整个帧只有待转发数据目标地址字段有意义。
2）数据帧
数据帧用来传输上层发到MAC子层的数据，它的负载字段包含了上层需要传送的数据。
数据负载传送至MAC子层时，被称为MAC服务数据单元。
它的首尾被分别附加了MHR头信息和MFR尾信息后，就构成了MAC帧。
MAC帧传送至物理层后，就成为了物理帧的负载PSDU。
PSDU在物理层被“包装”，其首部增加了同步信息SHR和帧长度字段PHR字段。
同步信息SHR包括用于同步的前导码和SFD字段，它们都是固定值。
帧长度字段的PHR标识了MAC帧的长度，为一个字节长而且只有其中的低7位有效位，所以MAC帧的长度不会超过127个字节。
3）确认帧
如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的控制信息字段的确认请求位被置1，设备需要回应一个确认帧。
确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度应该为零。
确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。
4）命令帧
MAC命令帧用于组建PAN网络，传输同步数据等。
目前定义好的命令帧有力种类型，主要完成三方面的功能：
把设备关联到PAN网络，与协调器交换数据，分配GTS。
命令帧在格式上和其他类型的帧没有太多的区别，只是帧控制字段的帧类型位有所不同。
帧头的帧控制字段的帧类型为011B（B表示二进制数据）表示这是一个命令帧。
命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。
负载数据是一个变长结构，所有命令帧负载的第一个字节是命令类型字节，后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义。
IEEE802.15.4的安全服务
IEEE802.15.4提供的安全服务是在应用层已经提供密钥的情况下的对称密钥服务。
密钥的管理和分配都由上层协议负责。
这种机制提供的安全服务基于这样一个假定：
即密钥的产生、分配和存储都在安全方式下进行。
在IEEE802.15.4中，以MAC帧为单位提供了四种帧安全服务，为了适用各种不同的应用，设备可以在三种安全模式中进行选择。
1．帧安全
MAC子层可以为输入输出的MAC帧提供安全服务。
提供的安全服务主要包括四种：
访问控制、数据加密、帧完整性检查和顺序更新。
访问
升级会员 