IEEE802.15.4 简介

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概述：

为什么选择802.15.4？

LR-WPAN的工业化标准；

基于DSSS传输，可以与WLAN共存；

GTS用于实时应用；

提供安全机制。

与蓝牙、WLAN的对比

	802.15.4（zigbee)	802.15.1（蓝牙）	802.11（WLAN)
工作频段	2.4GHz/868MHz/915MHz	2.4GHz	2.4G 5G
峰值速率	259kb/s	720kb/s	450Mb/s
调制方式	DSSS	FHSS	DSSS,OFDM
覆盖范围	10~75m	<10m	100m
拓扑结构	星型、点对点、簇树及混合	点对点主从	AC-AP,胖AP，MESH
实时特效	否	是	是
接入方式	CSMA/CA	轮询-答复	CSMA/CA
纠错机制	差错检测/重传	前向纠错	差错检测/重传
业务范围	数据	数据+语音	多种

 

802.15.4的结构

应用层、网络层、MAC层、PHY

802.15.4的主要特征

低速率（250/40/20 kb/s）、短距离、低功耗、低内存、低价、星型/点对点/簇树拓扑结构，CSMA/CA 信道接入、动态设备地址

PHY 概述

PHY的职责

Activation and deactivation of the radio transceiver

ED(Energy Detection) within the current channel

LQI(Link Quality Indication) for received packets

CCA(Clear Channel Assessment) for CSMA/CA

Channel frequency selection

Data transimssion and reception

PHY Packet Fields

Preamble 32bits

Start of packet Delimiter 8bits

Phy Header 8 bits

PSDU 0~1016bits

 

Preamble

Start of Packet Delimiter

PHY Header

PHY Service Data Unit

 

MAC 概述

MAC层的主要任务

协调者发送网络beacon帧；

beacon的同步；

支撑PAN的关联、去关联；

支撑设备安全；

运用CSMA/CA与信道接入；

处理GTS机制；

提供两个设备之间可靠的链接。

802.15.4一些概念

两种设备类型：

RFD:reduced function device 精简功能设备

FFD:full function device 全功能设备

FFD有能力成为协调者并选取一个信道建立新网络，而RFD只能关联协调者才能使用网络。FFD才有资格向协调者提出GTS使用申请。

 

三种设备角色：

端设备：（RFD、FFD）简单的收发，不能进行分组的转发。

协调器：（FFD）通常通过发送beacon实现与周围节点的同步，具有转发分组的功能。

网络协调器：（FFD）为整个网络的主控节点，且每个802.15.4网络只能有一个网络协调者。

 

两种拓扑结构：

星型网络：只存在一个协调点即网络协调点，其它节点均为普通节点。

对等网络：除了网络协调点和普通节点外，还存在协调点，任意两个在通信范围内的节点都可以相互通信。pu

 

 

四种帧结构：

信标帧：实现协调点和周围节点的同步并对超帧结构进行相应的描述，同时节点可以beacon识别各个网络。

数据帧：与上层协议相关。

确认帧：

MAC命令帧：

 

三种不同的传输模式：

普通节点到协调者；

协调点到普通节点；

对等节点间的业务传输；

 

三类通信业务处理方式：

直接传输：

间接传输：当协调点要向节点传输数据或MAC命令帧时，将要传输的信息存储到信息列表中，等待节点发出数据请求命令后才可发送。

预留时隙GTS中的传输：对于实时业务，节点间的通信可在GTS内直接进行。

 

IEEE802.15.4标识和地址

PANid 唯一标识一个PAN，同一PAN中的所有device使用同一个PANid；

PANid两字节，0xFFFF为广播地址，0xFFFE表示节点已经加入了网络但还没有从父节点获得短地址，这是节点只能使用自己的长地址发数据包。

PANid一般由PAN coordiantor选取，PAN coordiantor 在发起一个PAN之前，会扫描周围使用的PANid，然后选择一个与周围节点不同的PANid，发起自己的PAN。

长地址8字节，一般存在ROM中，短地址的好处是减少MAC头开销，同时，短地址可以提供路由信息。

MAC运行模式

信标不使能网络：

设备通过无时隙的CSMA/CA机制发送数据

信标使能网络：

协议引入超帧的概念，实现协调器和设备的时间同步、识别PAN及实现设备之间的通信。PAN通过定义信标帧的内容来实现对超帧的控制，并周期广播。网络采用严格的时间同步，分时隙进行通信（类似WLAN的虚拟载波监听）。可以在CAP采用CSMA/CA机制通信，在CFP采用GTS机制通信。

超帧：

在IEEE802.15.4中，可以选用超帧为周期组织LR-WPAN网络内设备的通信。每个超帧都以网络协调器发出beacon开始，在beacon中包含了超帧的持续时间以及对这段时间的分配。

网络设备中的普通设备接收到包含超帧结构的信标帧后，根据其中的配置信息安排自己的任务。

超帧将通信时间分为活跃和不活跃两部分。不活跃期间PAN中的设备不会相互通信，从而可以进入休眠以节省能量。

活跃期间划分三个阶段：

beacon发送阶段；

竞争访问阶段：contention access period CAP,网络设备使用带时隙的CSMA/CA机制通信，并且任何通信必须在CAP时段结束前完成。

非竞争访问阶段：contention free access period CFP。协调器根据上一个超帧期间内PAN网络设备申请GTS的情况，将CFP划分为若干个GTS。且任何通信也必须在自己的GTS内完成。

 

树状拓扑中的扩展

为了确保父节点和子节点的超帧不互相冲突，子节点的beacon会在父节点SD结束后再等一段基本保护时间（Guard Time），然后发beacon。同时子节点的SD必须在父节点SD开始基本保护时间前结束。

 

 

帧间隔时间IFS&CSMA/CA退避算法

三种帧间距，退避时间不同，代表不同的传输优先级。加上CSMA/CA退避算法，保证了空口传输的调度。

CSMA/CA不用于发送beacon、确认帧或CFP中的数据帧。

 

802.15.4 VS 802.11 CSMA

时隙行为不同，在有时隙的CSMA/CA算法中，信道接入、CCA等均发生在时隙的边界；

CCA过程不同；

退避重试次数不同：802.11退避次数没有限制

退避算法不同：802.15.4为了省电

MAC主要功能

开始一个PAN；

扫描；

接入控制；

PAN维持；

beacon同步；

GTS控制；

 

基础操作流程：网络的相关管理

四种信道扫描：

PANid冲突检测与解决：

PAN的启动：

加入一个PAN：

退出一个PAN：

PAN的同步：

 

数据传输：

直接传输：协调点到普通节点、普通节点到协调点以及对等节点间的数据传输工作方式均采用直接传输。在CAP期间传输。

 

 

 

间接传输：只用于协调点，当协调点向普通节点传输数据时才可采用间接传输的工作方式。数据先暂存在协调点的队列中，但CAP期间普通节点询问了才发送。

 

 

 

GTS传输：在beacon使能且采用超帧结构，对于有实时业务需求的节点才可采用该工作方式。该通信过程中数据传输无需采用竞争的信道接入机制，而是在CFP的GTS时段内直接传输。

IEEE802.15.4数据速率的估算

需要考虑信道接入时间、数据帧的传输时间、ACK时序、重传时间、有效数据速率

实际数据速率：133kbps

 

 

 

 

标签：802.15,协议,简介,CA,CSMA,beacon,GTS,节点,PAN
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