《《无线传感器网络技术无线传感器网络技术》》讲义讲义第五章、通信标准2007年8月20日 内容提要1.IEEE 802.15.4标准2.ZigBee标准 3.6LowPan草案 4.主要参考文献 内容提要1.IEEE 802.15.4标准2.ZigBee标准 3.6LowPan草案 4.主要参考文献 IEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准的主要特征：•实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率；•支持星型和点到点两种拓扑结构；•在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址其中16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址；•采用可选的时槽保障（Guaranteed Time Slots，GTS）机制；•采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信道访问机制；•支持ACK机制以保证可靠传输；•低功耗机制；•信道能量检测（Energy Detection，ED）；•链路质量指示（Link quality indication，LQI）；•工作在ISM频段上，其中在2450 MHz 波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道；•数据安全策略。
IEEE 802.15.4标准•IEEE 802.15.4标准概述•网络组成及拓扑结构 •协议栈架构 •功能概述 •物理层规范•信道分配及调制方式 •物理层帧格式 •物理层功能实现 •MAC子层规范•MAC子层的信道访问方式 •MAC子层的帧格式 •MAC子层的功能实现 IEEE 802.15.4标准•IEEE 802.15.4标准概述•网络组成及拓扑结构网络组成及拓扑结构 •协议栈架构协议栈架构 •功能概述功能概述 •物理层规范•信道分配及调制方式 •物理层帧格式 •物理层功能实现 •MAC子层规范•MAC子层的信道访问方式 •MAC子层的帧格式 •MAC子层的功能实现 IEEE 802.15.4标准图 5-1：星型和点到点拓扑结构 IEEE 802.15.4标准图 5-2：IEEE 802.15.4 协议栈架构 IEEE 802.15.4标准•IEEE 802.15.4标准功能概述•超帧结构•数据传输模型•MAC层帧结构•数据可靠传输机制•低功耗策略•数据的安全服务 IEEE 802.15.4标准图 5-3：超帧结构 IEEE 802.15.4标准•IEEE 802.15.4标准概述•网络组成及拓扑结构 •协议栈架构 •功能概述 •物理层规范•信道分配及调制方式信道分配及调制方式 •物理层帧格式物理层帧格式 •物理层功能实现物理层功能实现 •MAC子层规范•MAC子层的信道访问方式 •MAC子层的帧格式 •MAC子层的功能实现 IEEE 802.15.4标准表格 5‑1 信道分配和调制方式频段段 (MHz)扩频参数参数数据参数数据参数片速率片速率 (kchip/s)调制方式制方式比特速率比特速率 (kb/s)符号速率符号速率 (ksymbol/s)符号符号868–868.6300BPSK2020二进制902–928600BPSK4040二进制868–868.6*400ASK25012.520-bitSPSS902–928*1600ASK250505-bitSPSS868–868.6*400O-QPSK1002516-ary正交902–928*1000O-QPSK25062.516-ary正交2400–2483.52000O-QPSK25062.516-ary正交注：*项为可选项目，系802.15.4-2006新增内容 IEEE 802.15.4标准图 5-4：物理帧格式Ocets：4 字节1 字节1 字节可变前导码（preamble）SFDFrame length(7 比特)Reserved(1 比特)PSDU同步头(SHR)物理帧头(PHR)PHY 负载 IEEE 802.15.4标准图 5-5：物理层参考模型 IEEE 802.15.4标准•物理层功能实现•数据的发送与接收•物理信道的能量检测(ED：Energy Detection)•射频收发器的激活与关闭•空闲信道评估(CCA：clear channel assessment)•链路质量指示(LQI：link quality indication)•物理层属性参数的获取与设置 IEEE 802.15.4标准•IEEE 802.15.4标准概述•网络组成及拓扑结构 •协议栈架构 •功能概述 •物理层规范•信道分配及调制方式 •物理层帧格式 •物理层功能实现 •MAC子层规范•MAC子层的信道访问方式子层的信道访问方式 •MAC子层的帧格式子层的帧格式 •MAC子层的功能实现子层的功能实现 IEEE 802.15.4标准•IEEE 802.15.4标准的MAC子层功能•采用CSMA-CA机制来访问物理信道；•协调器对网络的建立与维护；•支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）；•协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；•间接传输的实现(Transaction handling)；•在两个MAC实体之间提供数据可靠传输；•可选的GTS支持；•支持安全机制； IEEE 802.15.4标准图 5-6：中间协调器接收和发送信标帧 IEEE 802.15.4标准图 5-7：CSMA-CA 算法（概） IEEE 802.15.4标准图 5-7：CSMA-CA 算法 IEEE 802.15.4标准图 5-7：CSMA-CA 算法（续） IEEE 802.15.4标准图 5-8：MAC帧格式 IEEE 802.15.4标准图 5-10：数据帧格式图 5-9：信标帧格式 IEEE 802.15.4标准图 5-12：命令帧格式图 5-11：确认帧格式 IEEE 802.15.4标准图 5-13：MAC层参考模型 IEEE 802.15.4标准•MAC子层功能实现•PAN的建立与维护•关联请求与取消•与信标帧的同步•数据的间接传输方式•数据的发送，接收与重传•GTS的分配与管理•MAC子层PIB的维护•MAC子层的安全策略 IEEE 802.15.4标准图 5-14：设备关联的消息流程 IEEE 802.15.4标准图 5-15：设备发起取消关联的消息流程 IEEE 802.15.4标准图 5-16：与协调器同步消息流程(信标使能网络) IEEE 802.15.4标准图 5-17：GTS分配过程消息流程图 IEEE 802.15.4标准图 5-18：GTS释放消息流程 内容提要1.IEEE 802.15.4标准2.ZigBee标准 3.6LowPan草案 4.主要参考文献 ZigBee标准 图 5-19：ZigBee协议栈模型 ZigBee标准 •Zigbee网络层功能实现 •ZigBee网络的形成过程与设备的维护 •ZigBee路由机制 •应用层规范简介 ZigBee标准 •Zigbee网络层功能实现 •ZigBee网络的形成过程与设备的维护网络的形成过程与设备的维护 •ZigBee路由机制路由机制 •应用层规范简介 ZigBee标准 图 5-20：数据实体与管理实体 ZigBee标准 图 5-21：Coordinator功能模块示意图 ZigBee标准 图 5-22：Router功能模块示意图 ZigBee标准 图 5-23：End Device功能模块示意图 ZigBee标准•ZigBee网络的形成过程与设备的维护•网络建立网络建立 •设备加入设备加入 •设备短地址分配设备短地址分配 •设备离开设备离开 •邻居列表的维护邻居列表的维护 ZigBee标准 表格 5‑2 偏移量计算在网络中的深度偏移量Cskip021152130 ZigBee标准 图 5-24：地址分配 ZigBee标准•ZigBee网络路由机制 •路由消耗路由消耗(Routing Cost)的计算的计算•路由表维护路由表维护•路由发现路由发现 •树形路由过程树形路由过程 ZigBee标准 路径总的路由花费：每个子路段计算出的内部链接花费函数： ZigBee标准 表格 5‑3: 路由表名称大小描述目的地址2字节该路径的目的设备地址状态3比特路由发现的状态0x0：ACTIVE0x1：DISCOVERY_UNDERWAY0x2：DISCOVERY_FAILED0x3：INACTIVE0x4-0x7：RESERVED下一跳地址2字节通往目的设备路径上的下一跳设备地址 ZigBee标准 图5-25: 树形路由 ZigBee标准 表格 5‑4: 路由发现表名称大小描述路由请求ID1 byte路由请求命令帧的一个序列号，当设备每发起一个路由请求时，该序列号加1源设备地址2 bytes发起路由请求设备的地址发送设备地址2 bytes最后一次发送最小路由损耗路由请求命令帧的设备地址，用来确定路由回复命令帧最终的路径前向损耗1 byte从路由请求的源设备到当前设备的累积路由损耗剩余损耗1 byte从当前设备到目的设备的累积路由损耗定时时间2 bytes路由发现倒计时定时器 ZigBee标准 图5-26: 通过路由发现得到的路径 ZigBee标准 •Zigbee网络层功能实现 •ZigBee网络的形成过程与设备的维护 •ZigBee路由机制 •应用层规范简介 ZigBee标准 图5-27: APS参考模型 内容提要1.IEEE 802.15.4标准2.ZigBee标准 3.6LowPan草案 4.主要参考文献 6LowPan草案 •动机与存在的问题 •协议报文转换适配层和帧格式 •地址管理机制 •Mesh网络下的多跳传输方法及路由 •邻居发现协议 6LowPan草案图5-28: 协议栈结构 6LowPan草案图5-29: 各种封装的IPv6层数据报文格式 6LowPan草案图5-29: 各种封装的IPv6层数据报文格式（续） 6LowPan草案图5-30: 采用dispatch类型头部的帧格式以及具体的dispatch值 6LowPan草案图5-31: Mesh传输的报文格式 6LowPan草案图5-32: 分片传输的头部帧格式 6LowPan草案图5-33: LowPanHC1压缩报文格式 6LowPan草案图5-34: LOAD协议的三种消息格式 内容提要1.IEEE 802.15.4标准2.ZigBee标准 3.6LowPan草案 4.主要参考文献 主要参考文献[1]IEEE 802.15.4-2006/2003[2]ZigBee specification v1.1[3]Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks (draft ietf 6lowpan format-13)(work in progress)[4]6LoWPAN: Overview, Assumptions, Problem Statement and Goals (draft ietf 6lowpan problem08.txt)(work in progress)[5]Neighbor Discovery for IP version 6 (draft ietf ipv6 2461bis-04.txt) (work in progress)[6]6LoWPAN Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing (LOAD) (draft daniel 6lowpan load adhoc routing-02.txt)[7] LowPan Neighbor Discovery Extensions (draft chakrabarti 6lowpan ipv6 nd-01.txt) 。