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物联网 IEEE 802.15.4协议概述

2017-11-15
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摘要:IEEE 802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。它属于IEEE 802.15工作组。IEEE 802.15.4是ZigBee、WirelessHART、 和MiWi规范的基础。



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引言


    IEEE是一个非营利性科技学会,该组织在国际计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等学术领域中都是主要的权威。在电气及电子工程、计算机及控制技术领域中,IEEE 发表的文献占了全球将近1/3。IEEE一直致力于推动电工技术在理论方面的发展和应用方面的进步。作为科技革新的催化剂,IEEE通过在广泛领域的活动规划和服务支持其成员的需要。作为全球最大的专业学术组织,IEEE在学术研究领域发挥重要作用的同时也非常重视标准的制定工作。IEEE专门设有IEEE标准协会(IEEE-SA,IEEE Standard Association),负责标准化工作。IEEE-SA下设标准局,标准局下又设置两个分委员会,即新标准制定委员会(New Standards Committees)和标准审查委员会(Standards Review Committees)。 IEEE的标准制定内容包括电气与电子设备、试验方法、原器件、符号、定义以及测试方法等多个领域。IEEE现有42个主持标准化工作的专业学会或者委员会。为了获得主持标准化工作的资格,每个专业学会必须向IEEE-SA提交一份文件,描述该学会选择候选建议提交给IEEE-SA的过程和用来监督工作组的方法。当前有25个学会正在积极参与制定标准,每个学会又会根据自身领域设立若干个委员会进行实际标准的制定。例如,我们熟悉的IEEE 802.11、802.16、802.20等系列标准,就是IEEE计算机专业学会下设的802委员会负责主持的。IEEE 802又称为局域网/城域网标准委员会(LMSC,LAN /MAN Standards Committee),致力于研究局域网和城域网的物理层和MAC层规范。



IEEE 802.15.4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(carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA);

(5)支持确认(ACK)机制,保证传输可靠性。


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特点



(1)支持简单器件


    802.15.4低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在802.15.4中定义了14个物理层基本参数和35个媒体接入控制层基本参数,总共为49个,仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在802.15.4中定义了两种器件:全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。对全功能器件,要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件,在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话,可以按三种方式工作,即用作个人域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话,仅用于非常简单的应用。


(2)信标方式和超帧结构


    802.15.4网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使能方式中,协调器定期广播信标,以达到相关器件同步及其他目的。在非信标使能方式中,协调器不定期地广播信标,而是在器件请求信标时向它单播信标。在信标使能方式中使用超帧结构,超帧结构的格式由协调器来定义,一般包括工作部分和任选的不工作部分。


(3)数据传输和低功耗


   在802.15.4中,有三种不同的数据转移:从器件到协调器;从协调器到器件;在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点,把数据传输分为以下三种方式: 直接数据传输:这适用于以上所有三种数据转移。采用无槽载波检测多址与碰撞避免(CSMA-CA)或开槽CSMA-CA的数据传输方法,视使用非信标使能方式还是信标使能方式而定。间接数据传输:这仅适用于从协调器到器件的数据转移。在这种方式中,数据帧由协调器保存在事务处理列表中,等待相应的器件来提取。通过检查来自协调器的信标帧,器件就能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分组。有时,在非信标使能方式中也可能发生间接数据传输。在数据提取过程中也使用无槽CSMA-CA或开槽CSMA-CA。有保证时隙(GTS)数据传输:这仅适用于器件与其协调器之间的数据转移,既可以从器件到协调器,也可以从协调器到器件。在GTS数据传输中不需要CSMA-CA。低功耗是802.15.4最重要的特点。因为对电池供电的简单器件而言,更换电池的花费往往比器件本身的成本还要高。在有些应用中,更换电池不仅麻烦,而且实际上是不可行的,例如嵌在汽车轮胎中的气压传感器或高密度布设的大规模传感器网。所以在802.15.4的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制。多数机制是基于信标使能的方式,主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间,或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。


(4)安全性


安全性是802.15.4的另一个重要问题。为了提供灵活性和支持简单器件,802.15.4在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全性方式,对于某种应用,如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护,器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全性,器件可以使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据,在这一级不采取加密措施。第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件,但它不能防止攻击者在通信双方交换密钥时通过窃听来截取对称密钥。为了防止这种攻击,可以采用公钥加密。


(5)自配置


    802.15.4在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能,以达到支持自配置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星状网,而且还允许创建自配置的对等网。在关联过程中可以实现各种配置,例如为个人域网选择信道和识别符(ID),为器件指配16位短地址,设定电池寿命延长选项等。


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网络拓扑


802.15.4 支持星型网络和点对点网络。


    星型网络的通信建立在设备和中央控制器(pan coordinator)之间,设备可能是终端节点(RFD),也可能连接其他应用(FFD),(Pan FFD)主要被用于初始化,终止网络或路由,每一个网络设备都有一个独一无二的64位地址,这个地址可直接用于网络通信,此外,当设备连接到pan coordinator时会被分到一个16位的短地址来替换长地址,pan coordinator一般需要持续供电,连接设备多采用电池供电,星型网络主要用于智能家居,玩具,游戏,个人健康领域。


    点对点网络中不同于星型网络的是他的FFD之间(传播范围内)可以相互通信,点对点拓扑结构可以实现更复杂的网络,如网状网络,点对点网络具有自组网性质,主要用于智能农业,传感器网络等。


    协调器(pan coordinator)会选择一个网络地址,同时为每个终端设备分配一个短地址,这一个网络中支持使用短地址通信,详细过程在更高层协议中(ZigBee)。在星型网络中,当一个FFD激活后,他会建立自己的网络并成为一个pan coordinator,为了独立于其他星型网络,他会在他的广播范围内选择一个独一的网络标识,然后等待终端设备加入到这个网络中。对于点对点网络通常指定计算资源最好的FFD为pan coordinator,一个点对点网络例子是树形网络,在树形网中RFD只能作为叶子设备,因为RFD不能连接其他设备,任何一个FFD都有可作为一个协调器为其他终端或协调器提供同步服务,只有一个计算机资源最好的FFD会被作为全局的pan coordinator,这个pan coordinator会选择一个独一的网络标识形成第一个集群(cluster)并向邻近设备广播一个信标帧,设备接收到这个信标帧后会向pan coordinator发出联网请求,网络连接建立后,这个设备作为pan coordinator的子设备表项,pan coordinator加入这个设备的父设备列表,如何其他设备不能与pan coordinator建立连接,他可以寻找其他coordinator连接并建立父子节点。如果要构建一个更复杂网状网络,首先需要指定第一个pan coordinator,first pan coordinator会指定某个相邻设备为另一个pan coordinator,设备之间就会渐渐形成一个多树形的网络结构,这个结构扩展了网络的覆盖区域,但增加了网络信息的延迟。


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网络结构与超帧结构


   802.15.4 只定义了OSI网络模型的PHY和MAC层,上层为网络层和应用层,802.2的LLC层可经过SSCS中间层接入MAC 层。


物理层:PHY层向MAC层提供数据和管理服务接入点(AP),物理层通过无线信道接收和发送物理数据(PPDUs)


物理层特性主要有:发射器活跃状态,能量探测(ED),链路质量指示(LQI),信道选择,清空信道评估(CCA),和发射接收数据包。


MAC层:MAC层向更高层提供数据和服务的接入点,MAC层的数据(MPDUs)通过PHY数据服务传送。


MAC层特性有:信标管理,信道存取,GTS管理,帧确实机制,确认帧发送,连接,和安全机制。


    802.15.4可选用超帧结构,该结构由协调器定义 ,超帧绑定了来于协调器的信标,同时分为16个大小相等的时隙,超帧可以有一个活跃和不活跃部分,在不活跃期,协调器会进入低电压状态,信标帧位于超帧的第一个时隙,如果协调器不希望使用超帧结构,他就会关闭信标发送,信标用于同步连接的设备,区分网络,和描述超帧结构,任何设备想要在竞争访问期间通信必须采用CSMA/CA机制,所有通信传输必须在下一个信标来临时完成。


低延迟或需要特别数据带宽的应用中,PAN协调器可以将超帧中部门活跃的时段贡献给这样的应用。这些时段就叫做保证时隙(GTSs)。同一超帧中的多个GTSs组成了无竞争时段(CFP),无竞争时段经常是位于超帧结构活跃部分的末尾、紧跟竞争访问时段(CAP)后出现的。一个PAN协调器在一个超帧中最多能分配7个这样的GTSs,并且一个GTS可以占用多个时间槽(但是一个GTSs不可以横跨两个超帧)。虽然超帧中可以有7个多的GTSs时段,但是超帧中绝大多数时段还是留给了联网的设备或想要联网的设备用于竞争访问时段(CAP)。所有用于竞争的信息都在无竞争时段(CFP)到来前传输完毕。同样,GTSs时段的数据也必须在下一个超帧到来前传输完成。


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结论


    IEEE 802.15.4作为ZigBee协议的MAC层和PHY层,具有低速率、低功耗、自组织的特点,同时支持超帧结构和多种网络拓扑结构,因此该协议在物联网领域将具有更加广阔的应用前景。


参考资料:

1.IEEE Std 802.15.4™-2006

2.计算机网络 (第四版) 谢希仁


本文转载自: Beep的博客(http://blog.csdn.net/beep_)  

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