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 51 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868868.6300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制868868.6*400ASK25012.520-bitSPSS902928*1600ASK250505-bitSPSS868868.6*400O-QPSK1002516-ary正交902928*1000O-QPSK25062.516-ary正交24002483.52000O-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 52 偏移量计算在网络中的深度偏移量Cskip021152130ZigBee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 53: 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 54: 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1IEEE 802.15.4-2006/20032ZigBee specification v1.13Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks (draft ietf 6lowpan format-13)(work in progress)46LoWPAN: Overview, Assumptions, Problem Statement and Goals (draft ietf 6lowpan problem08.txt)(work in progress)5Neighbor Discovery for IP version 6 (draft ietf ipv6 2461bis-04.txt) (work in progress)66LoWPAN 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)