ZigBee无线网络和收发器25.docx

1、ZigBee无线网络和收发器251 第三章 ZigBee和IEEE 802.15.4协议层物理层的全部内容由outman翻译1.1 ZigBee和IEEE 802.15.4网络层1.2 ZigBee和IEEE 802.15.4物理层这个图含的信息量可能需要贯穿在我们的整个学习过程中了，此处先不详解，只是先作为“上方宝剑”挂出来，这个是整个这一章的脉络。不过，还是要来认识下这里面的几位关键“人物”的：第一位叫“PHY”物理层，他是最底层的员工，最终把这些“0”和“1”送到空气中的活就是他干的；第二位叫“MAC”介质读取控制层（这个家伙肯定是老外，连个像样的中文名都没有）；第三位叫“NWK”网络层

2、，这是个中层干部，属于实干家型（就是公司里电话最多的那种领导）；第四位叫“APL”应用层，有同学问了，这层里面怎么这么复杂？说实话，我也还没弄明白呢，不过按常理来说，高层复杂是应该的，到我们的政府机关看看就知道啦另外，下面两层是由IEEE 802.15.4来定义的，而中层领导上的就是由Zigbee组织来定义的，那什么是我们定义的呢？就是这个“协议栈”上面的，那就是最高最高的领导啦第三章，第一层“PHY”物理层1.2.1 频率安排首先，我们从干活的这个小兄弟开始认识。他要把一个比特送到空中，是有几条航线可以选的，就这是所谓的“频道”，每一个频道对应一个频率，而每一个频道又有几种调制方式，我们可以

3、理解为坐不同的“飞机”。下图是IEEE 802.15.4中对频道的安排：对于这里面的“频道页”的定义，不是太清楚为什么要这样定义，不过我觉得用前面说的“飞机”的概念，更容易理解些。有三种不同的飞机，每种飞机都可以走0-26，共27条航线，这就是“物理层”在送数据的时候要做出的选择。其中，0号航线的频率是868MHZ，915M上有10条航线，其频率可以通过下面公式计算：中心频率(MHz) 906 + 2 ( 频道号 1)同样，2.4G波段上的频率值为：中心频率(MHz) 2405 + 5 ( 频道号 1)1.2.2 能量检测ED就像航空公司一样，“比特”想要“飞”起来，也是有“航空管制”的，在起

4、飞前要确认下航道有没有被占用，这可不能像开车，塞车了就等会，飞机要在空中停了，那不得掉下来（我小时候总这么想）。能量检测就是用来实现这个目的的，当然，这只是个“能量”检测，它不会去区分到底是谁在占用“航道”，它只检测有或者没有。当然，这也是物理层的上级MAC层给他的任务之一，不过允许他不用百分百准确，允许10db的误差，结果会以一个8比特的字节向上报告。1.2.3 载波检测CS载波检测也是检测当前频道能不能用的，但与ED不同，上面说了ED不会去区分到底是谁在占用“航道”，但是CS会的，它会根据载波的特征去判断当前占用“航道”的是不是与自己一样的IEEE 802.15.4物理层信号，如果是，那不

5、管ED值是多少，都会返回一个“频道忙”的信息。1.2.4 连接质量指示LQI还记得电脑的WIFI指示吧，我也不了解WIFI协议，但我想这应该是相同的东西吧。在802.15.4中，有两种检测连接质量的方法，一个是检测“接收信号强度”RSS，另外一个是检测“信噪比”SNR。RSS值是通过检测接收到的信号的全部能量情况来判断的。又有人举手了？这位同学有什么问题？什么，这是怎么做到的？呃、这个我真不懂，不过我知道肯定有个寄存器来读的。至于这个值是怎么来的，你还是问下做IC的人，或者你找个不是那么忙的教授，说不定他知道不过这位小同学啊，看你问这个问题，我得多说你几句了。你这么“叫真”不好，倒不是打击你，

6、我知道你说不定能成个人物，不过，学习是要讲“深度”和“广度”并举的，如果什么事情都一头钻进去，你会迷路的。我们继续，那“信噪比”SNR，顾名思义，就是信号除以噪声的比率了。当然，值越大表示信号质量越好。每一个接收到的数据包都会做一个LQI的测量，它至少有八个等级。这个测量是物理层很重要的一个任务，因为这个值不但他的直属领导MAC层要用到，他的上几层领导网络层和应用层都用得到。比如说网络层（NWK）在选择路由的时候，LQI就是一个很重要的指标，LQI值高的路径当然要优先考虑，当然，这也只是一个因素，比如说这个LQI高的路径里的设备都是电池供电的，那么在频繁选择这个路径的同时，必然会导致这些设备电

7、池寿命缩短。所以，一定要多方面权衡这就体现了“领导”的作用。1.2.5 空闲频道评估CCA（注：本教程里的中文名称可能不符合标准，只是方便笔者说明问题，如对名称有异议，欢迎在本教程论坛中讨论）这里有一个很重要的名词叫“CSMA-CA”，听起来就像高科技，不知道和CDMA有没什么关系（做通讯的朋友开始扔砖头了）它有一个不太帅的中文名字叫“载波侦听多点接入/冲突避免”，笔者现在还无法对这个概念做个定义，不过倒是可以用“白话”翻译一下。在上文中我们看到，当我们的“PHY层”小弟要发送一个比特的时候，要面临那么多选择，走哪个航线，选什么样的飞机等等，那这么复杂的决策，“小弟”能搞得定吗？要两个“小弟”

8、都在争一个位置，打架了怎么办？按社会常理来看，这应该不是哪个人决定的，而是有个“制度”，这样说，能理解不？当然，制度也是要人来执行的，一个最底层的工作叫“空闲频道评估”CCA，这个也是由我们的小弟“物理层”来做的。他要告诉MAC层，当前频率有没有被其它设备占用。而且这个工作不能只做一次就汇报，要检测8个符号周期。在IEEE 802.15.4物理层协议中，有三种CCA模式：1.只检测ED值。只要ED值高于一个门限就认为当前频道被占用。这个门限值可以由设计者来定义。2.只由CS结果来决定。只要CS的检测结果为: 当前频道被IEEE 802.15.4定义的设备占用，则返回频道忙。3.由上述两个值的“

9、与”或者“或”逻辑来决定。也说是说ED值高于门限“并且”有802.15.4设备占用，则认为频道忙ED值高于门限“或者”有802.15.4设备占用，则认为频道忙那究竟采用哪种CCA模式呢？这个可以通过PHY属性值phyCCAMode来设置。这个值也是PHY-PIB值的一部分，下面的章节会对这个概念进行介绍。1.2.6 物理层常量和属性首先说明一下“常量”和“属性”这两个词，所谓的常量就是说在“编译”好之后不能变的量；而属性则是可以改变的。在Zigbee协议栈中，每一层都有自己的常量和属性。如表3.2所示，物理层中只有两个常量，aMaxPHYPacketSize指示“物理层服务数据单元”PSDU不

10、能超过127字节；而aTurnaroundTime说明一个设备由接收状态转为发送状态的最大时间，也就是说一个接收器必须在12个符号周期内完成接收任务。同时要说明的一点是，PHY和MAC层的所有常量都有一个前缀“a”，这是Zigbee协议的规定，NWK和APL层分别以前缀“nwkc”和“apsc”开始。物理层的“属性”包含在“物理层PAN信息基准表”PHY-PIB中，这个表是专门用来管理物理层服务的，详细信息在表3.3中，其中有（+）标志的为只读属性，上层只可以对此类属性进行“读”操作，只有物理层自己才能“写”；而有（*）标志的属性，其个别指定位为“只读”；其余的属性则可读可写。后面章节会对每个

11、属性详细阐述。1.2.7 物理层服务我们研究了半天物理层是怎么工作的，下面看下我们到底怎么“吩咐”他，他到底提供了哪些“服务”。物理层提供了两种类型的服务，一种是数据服务，一种叫物理层管理服务。顾名思义，数据服务通过无线电波对“物理协议层数据单元”PPDU进行发送和接收，说简单点就是收发数据；另外，物理层中包含了一个叫“物理层管理实体”PLME的一个管理单元，如下图所示，数据服务是通过PD-SAP实现的，而物理层管理服务是通过PLME-SAP来实现的，其中PLME也包含上文所述的PHY-PIB。1.2.7.1 物理层数据服务咦，这个图是不是上错位置啦？怎么还是1.11呢？不会啦，像俺这么仔细的

12、人，咋会犯这种低级错误呢感觉这个地方应该补补课了，这个图里面有一个很重要的概念，就是“Payload”，字面理解，就是要付费的信息，那其他的信息不用“付费”吗？恩，可以这样理解，除了Payload之外的信息都是些辅助信息，免费赠送啦PHY的Payload就是整个MAC层数据，MAC层的Payload就是整个NWK层数据，以此类推。从上图中我们也容易看出，每一层都会增加一些本层的辅助信息，然后传递给下层去传输。回到这节的主题，物理层的数据服务到底可以做哪些事情呢？简单地来说，就是为MAC层提供了“MAC协议层数据单元”MPDU的传输，这个名字不陌生吧，前面我们不是刚讲了一个PPDU吗？当然还会有

13、NPDU和APDU啦，道理都一样，就不一一介绍啦。不过，不要忘记那些“免费赠送”的信息哦，那也是很重要的，比如LQI信息等等。如果传输服务失败，会返回下面几种原因之一1、 发送器工作不正常2、 发送器在接收模式，一个设备同时只能在接收和发送中的一种状态3、 发送器忙再上一个图来直观表示下各层间的通讯这个图貌似复杂，但谁让咱都是“炎黄子孙”呢，用老祖宗的一句话就能理解这个图了兵对兵，将对将。1.2.7.2 物理层管理服务如图3.2，此服务名为PLME-SAP，它会在PLME和MLME中传递命令信息。它提供的服务有如下几种：1、空闲频道评估CCA2、能量检测ED3、打开/关闭发送器4、从PHY-P

14、IB中获取信息5、设置PHY-PIB属性1.2.7.2.1 空闲频道评估CCA其概念已在前面讲解过，这里看下它可能返回的结果：1. 发送器异常，那CCA就没意义了2. 频道空闲，可以传输3. 频道或者发送器忙，这两种情况PLME不再做区分，均返回“忙”1.2.7.2.2 能量检测EDED检测请求由MLME发出，由PLME执行，最终结果返回MLME。1.2.7.2.3 打开/关闭发送器MLME可以通过PLME让发送器进入以下三种状态之一：发送器关闭、发送器打开和接收器打开1.2.7.2.4 从PHY-PIB中获取信息同样，读取请求由MLME发出，由PLME执行，最终属性返回MLME1.2.7.2

15、.5 设置PHY-PIB属性除了只读属性外，MLME可通过PLME设置PHYPIB的属性1.2.8 服务原语在802.15.4和Zigbee协议中，用“原语”的概念来描述相邻两个层间的服务，层间调用函数或者传递信息，都可以用原语来表示。虽然，在整个系统中，有很多不同的层，但是层间的通讯方式是非常相似的。比如PHY、MAC与NWK层都为他们的上一级提供数据服务，其请求数据服务的机制类似：高层通过DSAP向下级请求传输，下级传输成功后将状态返回给上级。正是由于这种相似性，才让“服务原语”这种方式显得格外重要。每一个原语要么执行一个指令，要么返回一个之前指令的运行结果。原语也会带着指令运行需要的参数

16、。上图描述了某层为其上层提供服务的一般方法，如图所示，有四种类型的原语：请求、指示、响应和确认。换句话说，在802.15.4和Zigbee标准中的所有服务都可以归类为上述四种原语之一。原语用下面的格式来描述：(注：出于本文读者多数为现在或者未来的软件工程师，后面直接用英文名称来表述四种原语).request.indication.response.confirm首先，由N+1层向N层用request原语申请一个服务，比如说MAC层向PHY层请求一个MPDU传输服务，它必须要向PHY层申请一个PD-Data.request的原语。而N层会向其服务用户（经常是N+1层）发出一个indication

17、的原语，用来指示一个对N+1层很重要的事件。比如说，PHY层接收到一组数据，需要将此数据传递给MAC层，那么它就向MAC层产生发出一个PD_Data.indication的原语，用来向其传递数据。如果这个indication原语要求对其做出响应，那么N+1层就会发出一个response原语。值得注意的是，PHY和NWK层没有任何response原语，而只有MAC和APL层有。而confirm原语是由N层发出，用来最终确认最初N+1层申请的request服务已经完成。比如在上例中，数据发送完成后，PHY层会告诉MAC层，传输已经成功完成。注：本文只是用一种浅显易懂的方式，让读者了解原语的基本概念

18、，如果读者需要深入了解每层提供的原语细节，请直接阅读802.15.4和Zigbee的协议文档。1.2.9 物理层的数据包格式如图所示，PPDU主要包含三部分主要内容：同步头（SHR），PHY层头信息（PHR）和PHY层的“有效负载”-payload。我们一起来分析一下，这三部分里面具体包含了哪些内容。同步头SHR包含了接收时所需要的同步信息，以使得在接收端产生与发送端相同的同步信息，用以还原最初的比特流。PHR包含了数据桢的长度信息。PHY Payload是它的上层服务用户要求它发送的实际有效数据。SHR包含了一个“前导同步（preamble）”和一个“桢开始分隔符（SFD）”，Preambl

19、e用来让接收器获取同步信息的，其详细信息暂不做介绍，如果后续有需要再补上。SFD代表了SHR的结束与PHR的开始，除了ASK调制模式外，其他模式的SFD数据如下图所示：下一部分的数据是PHY数据包的桢长度，它代表了PHY的Payload（PSDU）的全部字节长度，其值的范围为1127（前述的PHY常量中可对其进行定义），但实际上它取决于802.15.42006的标准，如下图所示，当其值为5，表示的是这是一个MAC的“握手”桢，9127可以为任意的MPDU，而04，68暂为定义，为以后的扩展定义做保留。最后的部分PSDU是PHY层的实际“Payload”，它是由MAC层提供的，需要PHY层传输的

20、有效数据。就是要付费的那部分另外，在802.15.4标准中，数据的传输顺序是这样的：SHR的低位首先传输，而PSDU的高位是最后传输的。1.2.10 物理层的职责总结PHY层这位“小弟”是直接跟无线电波打交道的，讲了这么多，最后让我们回头再来总结下，他到底要做些什么：1.激活、禁止无线电波传输2.发送、接收数据3.选择一个频道（发送器需要发送数据的准确频率）4.实现能量检测（ED）。ED检测是用来评估所要传输的频道的能量值，用以决定当前频道是否空闲，是否可用以传输数据。5.进行空闲频道评估CCA6.产生LQI值，用以衡量接收数据包的质量，指示信号强度第三章中以上部分由outman翻译/1.3

21、IEEE 802.15.4 MAC层（注意点：网络中的设备类型有三种，协调器，路由器，终端。有时又将路由器和终端统称为设备（Device），即非协调器。文中很多处使用“设备”一词，很多情况下，其意思不是指所有的设备，而是指除协调器外的其他设备类型，遇到“设备”一词时，请大家自己结合上下文具体理解“设备”的意思。）MAC层为其下一层和PHY层之间提供了接口，在zigbee无线网络中，这个“下一层”指的是NWK层。IEEE802.15.4不是专门为zigbee应用而开发的，因此“下一层”可以是任何网络协议层。在这边书中，主要讨论了MAC层和zigbee NWK层间的相互作用。图3.6显示了MAC子

22、层参考模型。MAC层类似于PHY层，有一个管理实体叫MAC层管理实体（NLME）, 它负责MAC管理服务。MLME与其在NWK层中的对应项（NWK层管理实体，或NLME）进行相互作用。MAC层也有其自己的数据库，叫做MAC PAN信息库（MAC-PIB）。所有的MAC常量都有一个通用的前缀a ，所有的MAC属性都有一个通用前缀mac 。MAC-PIB的大小比PHY-PIB要大。(“IEEE 802.15.4 standard document 2”中提供了MAC的常量和属性)。1.3.1 信标操作和超帧结构信标使能的网络优点之一就是具有保证时隙（GTS）。信标帧就是包含信标信息的MAC帧，例如

23、信标间的时间间隔和GTS个数。信标帧格式在3.3.5.2小节有介绍。在信标操作中，可能会使用一个超帧结构。如图3.7所示，一个超帧以两个信标帧为边界。在IEEE 802.15.4标准中，是否使用超帧结构是可选的。在一个超帧中可以有最多三种类型的时间段（Period）：竞争时间段（CAP）, 无竞争时间段（CFP）和非激活时间段（Inactive Period）。附上CAP英文解释：contention access period (CAP): The period of time immediately following a beacon frame during which devices

24、 wishing to transmit will compete for channel access using a slotted carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA-CA) mechanism.直接跟在信标帧后的这段时间内，想要发送信息的设备，将会使用CSMA-CA机制进行竞争，这段时间就是CAP。在CAP期间，所有想发送信息的设备需要使用CSMA-CA机制来访问一个频道。该频道对同网络中的所有设备同样有效，第一个开始使用一个有效频道的设备将会把该频道据为己有，直到它当前的发送完成。如果设备发现频道正

25、忙，它会等待一段随机时间然后重新访问。对一个大网络中的多数设备来说，这是最可能的信道访问机制。MAC命令帧必须在CAP期间发送。在CAP期间，无法保证任意设备都能使用一个频道，而CFP则为特定的设备保证了一个时隙，因此，设备无需使用CSMA-CA机制来访问频道。这为许多低延迟应用，例如那些等待不起一段/随机和潜在的长时间/直到频道有效的应用，提供了一个很好的选择。CFP中不允许使用CSMA-CA。CAP和CFP合起来叫激活时间段（Active Period）。激活时间段被平均分成了16等份的时隙，信标帧总是开始于第一个时隙的开头。CFP中有最多7个GTS, 每个GTS占用一或多个时隙。超帧可以

26、选择是否带有非激活时间段，非激活时间段允许设备进入省电模式。在省电模式期间，协调器可以关闭它的收发器线圈来节省电池能量。超帧结构由协调器定义，并且在网络层中使用MLME-START.request primitive请求原语进行配置。两个连续信标间的持续时间，时间间隔（BI）, 由数值macBeaconOrder (BO)属性和aBaseSuperframeDuration常量使用下面的等式决定：BI = aBaseSuperframeDuration 2BO（symbols）例如，给出aBaseSuperframeDuration的值是960 Symbols, 而BO的值是2，那么信标间隔B

27、I将会是3840 symbols. (“IEEE 802.15.4 standard document 2”中提供了MAC的常量和属性)。在一个信标使能的网络中，BO可以是0-14中的任何值，如果BO的值被设置为15，网络将被认为是非信标使能，并且不使用任何超帧。类似的，超帧激活时间段的长度叫做超帧持续时间（SD）, 由下面等式计算得到：SD = aBaseSuperframeDuration 2SO（symbols）其中SO是macSuperframeOrder属性的值。超帧持续时间SD不能超出信标间隔BI，因此,SO的值总是小于或等于BO。在一个非信标使能的网络中（例如BO = 15时），

28、协调器不发送信标，除非它从网络的某个设备接收到一个信标请求命令。设备使用信标请求命令来定位协调器的位置。3.3.5.5.5小节提供了信标请求命令的格式。非信标网络中的PAN协调器设置SO的值为15。在信标使能网络中，除了PAN协调器，任何协调器都可以选择性的发送信标和创建自己的超帧。图3.8显示了当PAN协调器和网络中另一个协调器都在发送信标时所需要的时序。协调器只能在PAN协调器超帧的非激活时间段开始发送信标。PAN协调器信标被叫做“接收信标”，其他任何协调器的信标被叫做“发送信标”，两个超帧的激活时间段（Active Period）必须具有相等的长度。除了PAN 协调器，其他的协调器只能发

29、送一个信标来表明其超帧的开始，而超帧的结束则可以和PAN协调器的结束相同。如果一个设备没有使用其GTS来获得一段延长时间，它的GTS将会终止，并且协调器可以把这个特定的GTS分配给一个不同的设备。非激活时间段能够导致GTS终止，它总是两个超帧长度的整数倍，这个倍数的值（n）取决于BO的值：n = 2(8 BO) if 0 = BO = 8n = 1 if 8 = BO = 14 例如，一个设备的BO为7，且在四个连续的超帧中没有使用它的GTS，那么它的GTS将会终止。1.3.2 帧间间隔从一个设备向另一个发送数据时，发送设备必须在两个连续发送的帧间进行简短的等待，以允许接收设备在下一帧到达前对接收到的帧进行处理，这被称作帧间间隔（IFS）。IFS的长度取决于发送帧的大小。小于或等于aMaxSIFSFramesSize的MPDU被当作短帧，而长帧则是长度大于 aMaxSIFSFramesSize个字节的MPDU。短帧后的等待阶段被称作是短IFS(SIFS)，SIFS的最小值是 macMinSIFSPeriod。类似的，长帧后跟随一个长IFS(LIFS), 其最小长度是 macMinLIFSPeriod。 macMinSIFSPeriod和macMinLIFSPeriod的值