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1、物联网,武奇生,第六章 无线传感器网络协议规范与通信技术,本章内容： IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4网络结构 Zigbee协议规范 无线传感器网络组网 无线传感器网络的开发与应用 无线传感器网络应用实例-环境监测,6.1 IEEE 802.15.4标准,IEEE802.15.4标准是低速无线个域网（LR-WPAN，Low Rate Wireless Personal Area Network）进行短距离无线通信的IEEE标准。 特点： 1）在不同的载波频率下实现了20 Kbps、40 Kbps和250 Kbps三种不同传输速率； 2）支持星形和点对点两种网络拓扑结构
2、； 3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球唯一的扩展地址； 4）支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA/CA)； 5）支持确认(ACK)机制，保证传输可靠性。,6.2 IEEE 802.15.4网络结构,IEEE 802.15.4网络是指在一个个人操作空间（POS）内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合。 全功能设备（Full Function Device，FFD） 精简功能设备（Reduced Function 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
3、设备通信，或者通过一个FFD设备向外发送数据。这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（Coordinator）。,PAN网络协调器(PAN coordinator)，是LR-WPAN网络中的主控制器。PAN网络协调器除了直接参与应用外，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。 IEEE 802.15.4网络设备的数量以及它们之间关系是动态变化的。,图6-1 IEEE 802.15.4网络组件及拓扑关系,IEEE802.15.4通信协议主要是描述和定义物理层和MAC层的标准。 物理层：实现无线传感器网络的通信架构的基础 MAC层：用来处理所有对物理层的访问，并负责完
4、成信标的同步、支持个域网络关联和去关联、提供MAC实体间的可靠连接、执行信道接入CSMA/CA机制等任务。 IEEE802.15.4标准也采用了满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模型的分层结构，定义了单一的MAC层和多样的物理层。,图6-2 IEEE 802.15.4 标准体系层次图,6.2.1 物理层,物理层定义了无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据传输和物理层管理服务。 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：包括信道能量监测（Energy Detect, ED），链接质量指示（Link Quality Indication, LQI）和空闲
5、信道评估（Clear Channel Assessment, CCA）等。,图6-3 PHY模型,IEEE802.15.4标准规定物理层主要有以下功能： (1)激活或休眠无线收发器； (2) 对当前信道进行能量检测； (3) 发送链路质量指示； (4) CSMA/CA媒质访问控制方式的空闲信道评估； (5) 信道频率的选择； (6) 数据接收与发送。,信道能量检测：为上层提供信道选择的依据，主要是测量目标信道中接收信号的功率强度。该检测本身不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声信号功率之和。 链路质量指示：为上层服务提供接收数据时无线信号的强度和质量信息，它要对检测信号进行解码，生成一个
6、信噪比指标。 空闲信道评估：判断信道是否空闲。IEEE802.15.4标准定义了三种空闲信道评估模式： （1）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； （2）判断无线信号特征，该特征包含两个方面，即扩频信号特征和载波频率； （3）前两种方法的综合，同时检测信号强度和特征，判断信道是否空闲。,IEEE802.15.4 工作频段 （1）24002483.5MHz （2）902928MHz （3）868868.6MHz,表1 IEEE802.15.4标准的信道特性,IEEE802.15.4标准定义了27个物理信道，信道编号从0到26，每个具体的信道对应一个中心频率，这27个物
7、理信道覆盖了表1中的三个不同频段。 中心频率定义如下： 式中： 为信道编号， 为信道对应的中心频率。,在PHY层的有关参数中，有以下四个重要参数需要注意： 传输能量（Power）：约1 ； 传输中心频率的兼容性即频率稳定度（标识了无线解码器工作频率的稳定程度）：约 （part per million，百万分比）； 接收器感度： ， ， 分组差错率（ ）； 接收信号强度指示的测量（RSSI）。,物理层载波调制及扩频 物理层三个不同的频段上数据传输速率、信号处理过程和调制方式等指标都是不同的。,图6-4 2.4GHz物理层调制及扩频模块,2.4GHz频段物理层将协议数据单元（PHY Protoco
8、l Data Unit, PPDU）每字节的高四位和低四位分别映射组成数据符号（Symbol），不同数据符号又被映射成32位伪随机噪声数码片（Chip），具体内容见表2。数码片序列采用半正弦波形的偏移四相移相键控技术（Q-QPSK）调制。对偶数序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制。,表2 Symbol-Chip 映射表,868MHz、915MHz频段上信号处理过程相同，只是数据速率不同。868/915频段物理层先将PPDU二进制数据进行差分编码，差分编码是将当前数据位与前一编码位以模为2异或而成。 发送： 接收： 式中： 为进行编码的原始数据； 为对应的编码位； 为前一编码位。
9、经编码的数据位又被映射成15位伪随机噪声数码片（Chip），如表3所示。数据码片序列采用二相的移相键控技术（BPSK）调制。,图6-5 868/915MHz物理层调制及扩频模块,表3 数据符号-数据码片映射表,PPDU结构 PPDU数据由数据流同步的头文件（SHR）、含有帧长度信息的物理层报头（PHR）和承载有MAC帧数据的净荷组成。,表4 PPDU结构,6.2.2 MAC层,MAC层提供两种服务： MAC层数据服务：保障MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发。 MAC层管理服务：从事MAC层的管理活动，并维护一个信息数据库。 特征：联合、分离、确认帧传递、通道访问机制、帧确认、保证时
10、隙管理和信令管理，,图6-6 MAC层模型,PD-SAP是PHY层提供给MAC层的数据服务接口；PLME-SAP是PHY层提供给MAC层的管理服务接口；MLME-SAP是MAC层提供给网络层的管理服务接口，MCPS-SAP是MAC层提供给网络层的数据服务接口；MAC层的数据传输服务主要是实现MAC数据帧的传输；MAC层的管理服务主要有信道的访问，PAN的开始和维护，节点加入和退出PAN、设备间的同步实现、传输事务管理等。,MAC层的主要具备以下7个功能： 1.网络协调器产生并发送信标帧； 2.网络中普通设备与信标同步； 3.支持PAN网络的关联（Association）和取消关联（Disass
11、ociation）操作； 4.为设备的安全性提供支持； 5.信道接入方式采用CSMA-CA机制； 6.处理和维护时槽保障（Guaranteed Time Slot, GTS）机制； 7.在两个对等的MAC实体间提供一个可靠的通信链路。,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。 时槽保障机制GTS和时分复用机制（Time Division Multiple Access，TDMA） IEEE 802.15.4网络可以分为有信标网络（Beacon-Enable Network）和无信标网络（Non Beacon-Enable Network）。 超帧结构:超帧格式
12、是由网络中的协调器来定义，而超帧结构的大小边界是由网络中的信标所设定，一个超帧包括了16个相同大小的时隙。 数据传送模式:有三种方式，一是设备传送数据到协调器，二是协调器发送数据给设备，三是对等设备间传送数据。星型拓扑网络中只存在前两种数据传送方式，因为数据只在协调器和设备间交换；而在对等网络结构中所有三种方式都存在。,设备传送数据到协调器 在信标使能方式中，设备必须先取得信标来与协调器同步，之后使用开槽载波检测多址与碰撞避免（Slotted CSMA-MA）方式传送资料。 在非信标使能方式中，器件简单的利用无槽载波检测多址与碰撞避免（Unslotted CSMA-MA）方式传送资料。左图所示
13、为信标使能方式中设备发送数据给协调器，右图所示为非信标使能方式中设备发送数据给协调器。,图6-8 数据传送至协调器,协调器传送数据到设备 在信标使能方式中，协调器会利用信标中的字段来告知设备有数据即将传送。设备则周期性的监听信标，如果判定自身就是协调器传送数据的对象，则该器件利用开槽载波检测多址与碰撞避免（Slotted CSMA-MA）方式将MAC命令请求控制信息传送给协调器。 在非信标使能方式中，设备利用无槽载波检测多址与碰撞避免（Unslotted CSMA-MA）方式将MAC命令请求控制信息传送给协调器，如果协调器有数据要传送，则利用Unslotted CSMA-MA方式将数据送出。左
14、图所示为信标使能方式中协调器发送数据给设备，右图所示为非信标使能方式中协调器发送数据给设备。,图6-9 协调器发送数据至设备,设备间数据传送 在点对点的PAN中，任一设备均可以与在其无线辐射范围内的设备进行通信。为了保障通信的有效性，这些设备需要保持持续接收状态或者通过某些机制实现彼此同步。如果采用持续接收方式，设备间只是简单的使用CSMA-CA收发数据；如果采用同步方式，需要采取其他措施达到同步目的。超帧在某种程度上可以用来实现点到点通信的目的。,MAC层帧结构主要包括MAC帧头（MAC HeadeR，MHR）、MAC负载和MAC帧尾（MAC FooteR，MFR）三部分，其具体结构下表所示
15、。,表6-5 MAC层帧格式,表5 MAC层帧格式,MAC层帧分类：IEEE 802.15.4标准中共定义了四种类型的帧，分别为：信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。,表7 信标帧结构,表8 数据帧结构,表9 确认帧结构,表10 命令帧结构,6.2.3 IEEE 802.15.4安全服务,1.帧安全 MAC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4种：访问控制、数据加密、帧完整性检查和顺序更新。 访问控制提供的安全服务是确保个设备只和它愿意通信的设备通信。 数据加密服务使用对称密钥来保护数据，防止第三方直接读取数据帧信息。 帧完整性检查通过一个不可逆的单向算法对整个MAC帧进
16、行运算，生成一个消息完整性代码(Message Integrity Code，MIC)，并将其附加在数据包的后面发送。接收方式用同样的过程对MAC帧进行运算，对比运算结果和发送端给出的结果是否一致，以此判断数据帧是否被第三方修改。,顺序更新使用一个有序编号避免帧重发攻击。接收到一个数据帧后，新编号要与最后一个编号比较。如果新编号比最后一个编号新，则校验通过，编号更新为最新的；反之，校验失败。 2.安全模式 在LR-WPAN网络中设备可以根据自身需要选择不同的安全模式：无安全模式，ALC模式和安全模式。 无安全模式是MAC子层默认的安全模式。处于这种模式下的设备不对接收到的帧进行任何安全检查。当某个设备接收到一个帧时，只检查帧的目的地址。如果目的地址是本设备地址或广播地址，这个帧就会被转发给上层，否则丢弃。在设备被设置为混杂模式(Promiscuous)的情况下，它会向上层转发所有接收到的帧。,访问控制列表(Acces
