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关于zigbee协议栈各层的系统分析

发布时间:2021-09-26 00:43 作者:LOL外围 点击: 【 字体:

本文摘要:随着传感器网络的肆意应用于;随着物联网概念的愈演愈烈;随着通信技术的很快发展,人们明确提出了在自身附近几米范围内通信的拒绝,这样就经常出现了个人区域网络PAN(PersonalAreaNetwork)和无线个人区域网络WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备创建无线连接,把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式相连在一起,使他们可以互相通信甚至终端LAN或者Internet。

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随着传感器网络的肆意应用于;随着物联网概念的愈演愈烈;随着通信技术的很快发展,人们明确提出了在自身附近几米范围内通信的拒绝,这样就经常出现了个人区域网络PAN(PersonalAreaNetwork)和无线个人区域网络WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备创建无线连接,把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式相连在一起,使他们可以互相通信甚至终端LAN或者Internet。

  2001年8月正式成立的zigbee联盟就是一个针对WPAN网络而正式成立的产业联盟。该联盟致力于近距离、较低复杂度、较低数据速率、低成本的无线网络技术。

他们研发的技术被称作zigbee技术,该技术期望被部署到商用电子、住宅及建筑自动化、工业设备监测、PC外设、医疗传感设备、玩具以及游戏等其他无线传感和掌控领域当中。  1.1IEEE802.15.4标准  zigbee联盟月底2005年6月27日发布了第一份zigbee规范zigbeeSpecificationV1.0。

这标准定义了在IEEE802.15.4-2003物理层和标准媒体终端掌控层上的网络层及反对的应用服务。zigbee联盟的长年目标是需要创建基于互操作平台和配置文件的可前端、低成本嵌入式基础架构。

    1.1.1IEEE802.15.4协议框架  IEEE802.15.4标准使用分层结构。每一层为上层获取一系列类似的服务:数据实体提供数据传输服务,管理实体则获取所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点SAP(ServiceAccessPoint)为上层获取一个模块,每个SAP都反对一定数量的服务原语来构建所需的功能。  IEEE802.15.4标准堆栈架构是在OSI七层模型的基础上根据市场和应用于的实际必须定义了,如图2-1。

其中,IEEE802.15.4标准定义了底层:物理层PHY(PhysicalLayer)和媒体访问控制子层MAC(MediumAccessControlSub-Layer)层。zigbee联盟在此基础上定义了网络层NWK(NetworkLayer),应用层APL(ApplicationLayer)架构。其中应用层还包括应用于反对子层APS(ApplicationSupportSub-Layer),应用于框架AF(ApplicationFramework),zigbee设备对象ZDO(zigbeeDeviceObjects)以及用户定义应用于对象(Manufacturer-DefinedApplicationObjects)。

[16]  IEEE802.15.4工作在工业科学医疗ISM(Industrial、ScientificandMedical)频段,定义了两个物理层PHY,分别工作在两个频段上:868/915MHz和2.4GHz。其中低频段物理层覆盖面积了868MHz的欧洲频段和915MHz的美国与澳大利亚等国的频段。

低频段2.4GHz则全球通用。  IEEE802.15.4MAC层使用防止冲突多载波信道终端CSMA-CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)方式,主要负责管理传输信标帧,实时以及获取可信赖的传输机制。

  1.1.2网络节点类型    在W-PAN中有三种网络角色:PAN网络协商器、协商器和设备。这三种角色在IEEE802.15.4规范中分别对应zigbee协商器ZC(zigbeeCoordinator)、zigbee路由器ZR(zigbeeRouter)和终端设备ZED(zigbeeEndDevice)。  协商器和路由器不能是全功能器件FFD。一个PAN的网络中,最少要有一个全功能器件成网络的协商器,它可以看做是一个PAN的网关节点(SINK节点),它是网络创建的起点,负责管理PAN网络的初始化,确认PAN的ID号和PAN操作者的物理信道并专责较短地址分配,当作信任中心和储存安全性密钥,与其他网络的相连等。

协商器在重新加入网络之后取得一定的短地址空间。这个空间内,他有能力容许其他节点重新加入网络,并分配较短地址。当然协商器还不具备路由和数据发送的功能。

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在任何一个流形网络上,所有设备都有一个唯一的64位IEEE长地址,该地址可以在PAN中用作必要通信。或者当所有设备之间都早已不存在相连时,可以将其改变为16位的网络较短地址分配给PAN设备。因此在设备发动相连时使用的是64位的长地址,只有相连顺利后,系统分配了PAN的标志符后,才能使用16位的短地址来通信。路由器可以只运营一个存放在有路由协议的精简协议栈,负责管理网络数据的路由,构建数据货运功能。

  在网络中最基本的节点就是终端节点ZED,一个终端节点可以是全功能器件FFD或者是精简功能器件RFD。  1.2.1IEEE802.15.4  IEEE802.15.4还包括用作短距离无线个人域网LR-WPAN的物理层PHY和媒体终端掌控层MAC两个规范。图2-4得出了IEEE802.15.4的分层参考模型。  1.2.1.1IEEE802.15.4PHY层  物理层的起到主要是利用物理介质为数据链路层获取物理相连,负责管理处置数  据传输率并架空数据出错率,以便半透明较低传输比特流。

zigbee协议的物理层主要负责管理以下任务:  (1)启动和重开RF收发器。  (2)信道能量检测。  (3)对接管到的数据报展开链路质量命令LQI(LinkQualityIndication)。

  (4)为CSMA/CA算法获取空闲信道评估CCA(ClearChannelAssessment)。  (5)对通信信道频率展开自由选择。

  (6)数据包的传输和接管  IEEE802.15.4的物理层定义了物理信道和MAC子层间的模块,提供数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上发送数据,物理层管理服务确保一个物理层涉及数据构成的数据库。  1.2.1.2IEEE802.15.4MAC层  IEEE802.15.4媒体插手掌控层的延用了传统无线局域网中的带上冲突防止的载波多路侦听采访技术CSMA/CA方式,以提升系统的兼容性。这种设计,不但使多种流形结构网络的应用于显得非常简单,还可以构建十分有效地的功耗管理。

  MAC层已完成的具体任务如下:  (1)协商器产生并发送到信标帧(Beacon)。  (2)普通设备根据协商器的信标帧与协商器实时。

  (3)反对PAN网络的关联(Association)和中止关联(Disassociation)操作者。  (4)为设备的安全性获取反对。

  (5)用于CSMA-CA机制分享物理信道。  (6)处置和确保时隙确保GTS(GuaranteedTimeSlot)机制。  (7)在两个对等的MAC实体之间获取一个可信的数据链路。  在IEEE802.15.4的MAC层中引进了超强帧结构和信标帧的概念。

这两个概念的引进很大了便利了网络管理,我们可以搭配以超强帧为周期的组织LR-WPAN网络内设备间的通信。每个超强帧都以网络协商器收到信标帧为始,在这个信标帧中包括了超强帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。

网络中的普通设备接管到超强帧开始时的信标帧后,就可以根据其中的内容决定自己的任务,例如转入休眠状态直到这个超强帧完结。  MAC子层获取两种服务:MAC层数据服务和MAC层管理服务(MACsub-layermanagemententity,MLME)。前者确保MAC协议数据单元在物理层数据服务中准确发送,后者确保一个存储MAC子层协议涉及信息的数据库。


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