802.15.4协议规范(物理层)
(完整版)IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层
IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层IEEE 802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型（OSI），如图5-4所示，每一层都；实现一部分通信功能，并向高层提供服务。
IEEE 802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。
PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。
MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。
MAC子层以上的几个层次，包括特定服务的聚合子层（service specific convergence sublayer, SSCS），链路控制子层（logical link control , LLC）等，只是IEEE 802.15.4标准可能的上层协议，并不在IEEE 802.15.4标准的定义范围之内。
SSCS为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的LLC子层提供聚合服务。
LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE 802.15.4网络，为应用层提供链路层服务。
5.3.1物理层物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层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收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
物理层数据服务包括以下五方面的功能：（1）激活和休眠射频收发器；（2）信道能量检测（energy detect）；（3）检测接收数据包的链路质量指示（link quality indication , LQI）；（4）空闲信道评估（clear channel assessment, CCA）；（5）收发数据。
信道能量检测为网络层提供信道选择依据。
它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。
链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。
IEEE 802.15.4协议
1.3 目的
本次修订的目的是为了扩展 IEEE 802.15.4 的市场实用性，以及移除标准中的具有二义性的地方。 本标准的 2003 版已经显示出了需要在哪些地方进行改进。
2 参考标准
FIPS Pub 197, Advanced Encryption Standard (AES). IEEE Std 802®, IEEE Standards for Local and Metropolitan Area Networks: Overview and Architecture. IEEE Std 802®, IEEE Standards for Local and Metropolitan Area Networks: Overview and Architecture. ISO/IEC 9646-7 (ITU-T Rec. X.296), Information technology — Open systems interconnection —Conformance testing methodology and framework — Part 7: Implementation conformance statements
ieee802154协议完整中文版目录介绍概述11综述12范围13目的通用描述51介绍52ieee802154wpan的组成53网络拓扑531星型网络组成532对等网络组成54架构541物理层phy542mac55功能概述551超帧结构552数据传输模型5521协调器传输数据5522协调器接收数据5523对等数据传输553帧结构5531信标帧5532数据帧5533确认帧5534mac命令帧554提高成功传输的几率5541csmaca机制5542帧确认机制5543数据校验555电源消耗556安全56原语的概念phy层规范mac子层规范71mac子层服务规范711mac数据服务7111mcpsdatarequest71111服务原语的语义71112使用时机71113接收后的处理介绍本标准定义在个域网pan中通过无线通信进行设备互联和协议
IEEE802.15.4协议规范
基于IEEE 802.15.4的IPv6协议栈随着互联网的普及，Internet对人们生活方式的影响越来越巨大，并将继续在未来得各领域持续发挥其影响力，集成了网络技术，嵌入式技术、微机电系统（MEMS）及传感器技术的无线传感器网络将Internet为从虚拟世界延伸到物理世界，从而将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变了人与自然交互的方式，满足了人们对“无处不在”的网络的需求。
2000年12月IEEE成立了IEEE 802.15.4 工作组，致力于定义一种供廉价、固定、便捷或移动设备使用的，复杂度、成本和功耗极低的低速率无线连接技术，产品的方便灵活，易于连接、实用可靠及可继承延续是市场的驱动力，一般认为短距离的无线低功耗通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是IEEE 802.15.4标准的主要市场对象。
一方面，无线传感器网络具有“无处不在”和节点数量庞大等特点，部署无线传感器网络需要数量巨大的IP地址资源，另一方面，由于无线传感器网络的应用领域往往对安全性要求较高，而无线传感器网络自组织的先天性缺乏应有的安全机制，IPv6作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，可以满足无线传感器网络在地址和安全方面的需求，所以IETF于2004年11月成立了一个6LowPan（IPv6 over IEEE 802.15.4或IPv6 over LR_PAN）工作组，它规定了6lowPan技术底层采取IEEE 802.15.4，MAC层以上采取IPv6协议栈，致力于如何将Ipv6与IEEE 802.15.4展开，实现Ipv6数据包在IEEE 802.15.4上的传输，研究基于IPv6 over IEEE 802.15.4的无线传感器网络的关键问题。
目前这方面研究成为了一个很活跃的方向，其中，通过分析无线传感器网络对IPv6协议栈基本需求，借助协议工程学理论和软件工程的方法，设计并实现体积小、功能全、效率高，适用于IPv6无线传感器网络节点的嵌入式IPv6协议栈，已经成为一个很关键的问题。
802.15.4物理层介绍
物理层协议规范
在IEEE802.15.4-2003中，规定了两个物理层工 作频率范围2.4GHz和868/915MHz。频段类型都 是ISM。对于不同的频段范围，规定了不同的调 制方式，因而数据传输速率也是不同的。如下所 示。
O-QPSK：偏移四相相移键控调制 BPSK: 二进制相移键控调制
IEEE802.15.4一共定义了27个物理信道，信道编 号从0到26。其中2.4GHz定义了16 个信道，915MHz定义了10个信道，868MHz定 义了1个信道。
物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从 MAC层到物理层无线信道的接口。物理层的结构 和接口如下所示。
物理层数据服务
理层数据单元（PPDU）结构 PPDU数据包由以下几个基本部分组成： 一、同步包头SHR：允许接受设备锁定在比特流 上，并且与该比特流保持同步。物理层包头PHR ：包含帧长度的信息。 二、物理层净荷：携带MAC层的帧信息，长度是 个变量。 PHR:终端的MAC层向基站上报的发射功率余量。 SHR:是汇编逻辑指令---移位指令中的一种。
802.15.4物理层介绍
主讲：蓝明勇 指导老师：钟君柳
提 纲
一
IEEE802.15.4概述
IEEE 802.15.4物理层 物理层协议规范 物理层数据包
二 三四Leabharlann IEEE802.15.4概述
IEEE 802.15.4描述低速率无线个人局域网 的物理层（PHY层）和媒体接入控制协议(MAC 层) 。
谢谢观赏
IEEE 802.15.4物理层
物理层负责如下任务： 1.激活和取消无线收发器； 2.当前信道的能量检测； 3.发送链路质量指示； 4.CSMA/CA的空闲信道评估； 5.信道频率的选择； 6.数据发送与接收；
IEEE802.15.4协议—协议框架和特点
IEEE802.15.4协议目的何在？IEEE802.15.4标准旨在提供一种无线个人域网（WPANs）用于在相对较短距离的数据传输，和无线局域网(WLANs)不同，通过WPANs实现的连接只涉及很少或根本不涉及基础设施，因此具备小型、节能、低成本的特性，适用于各种设备的解决方案。
IEEE802.15.4协议有何特点？●无线数据传输的速率包括250kb/s、100kb/s、40kb/s、20kb/s●支持星型和点对点两种网络拓扑●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●可选的有保证时隙（（GTSs）●载波侦听多路访问/冲突避免（carrier sense multiple access with collisionavoidance,CSMA-CA）●支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性●具备低功耗●具备信道能量检测（ED）●具备链路质量指示（LQI）工作于2.4G ISM频段的16个信道，915频段的30个信道，868频段的3个信道设备类型有哪些？在IEEE802.15.4网络中根据设备具备的通信能力可以分为，全功能设备（Full Function Device,FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device,RFD）。
FFD以协调器、（PAN）协调器、设备等三种角色运行在网络中。
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设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。
RFD适用于非常简单的应用，如光开关或被动红外传感器，它们不需要发送大量数据，一次可能只与一个FFD关联，因此RFD可以使用最小的资源和内存容量来实现。
网络拓扑结构IEEE802.15.4网络包括星型和对等两种网络拓扑结构如下图所示：全功能设备（FullFunction Device,FFD）○精简功能设备（Reduced Function Device,RFD）←→通信流程在星型结构中，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信，这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。
IEEE_802.11及802.15.4协议
IEEE802.11
使用扩频技术的好处
扩频是一种在信号传输前先将信号的带宽进行扩展的技术。采用扩频的好处是：❏ 抗干扰。若使用窄频，容易受到使用相同频率的通信干扰导致完全无法通信(“盖台”)❏ 对于非特定的目的接收器，扩展了带宽的信号混在背景噪声中，让蓄意想侦听窃取数据资料的人不易判别真正的信号，避免了他人的截听❏ 提供了供多个用户使用同一传输波段的方法，保证了无线设备在频段上的可用性和可靠的吞吐量，也保证使用同一频段的设备不互相影响。
IEEE802.11
距离越远、信号越弱、速率越低
11Mbps 5.5Mbps2Mbps1Mbps
距离
802.11b 采用了动态速率漂移技术，可以根据环境噪声变化对传输速率进行自动调整。在理想情况下，发送节点以最高速率11Mb/s进行发射。当设备移动到覆盖范围之外，或者出现重大干扰时，发送节点将自动逐次降低速率，以 5.5Mb/s、2Mb/s
Transmitter
Receiver
IEEE802.11
DSSS（直接序列扩频）
Direct Sequence Spread Spectrum（Chip code 也称为 pseudo-noice 或 spreading code）DSSS系统则将要传输的数据流通过扩展码调制而人为地扩展带宽，即使在传输波段中存在部分噪声信号，接收机也可以无错误地接收数据。
自组网络
A
E
D
C
F
源结点
目的结点
转发结点B
转发结点
转发结点
IEEE802.11
IEEE802.11的物理层❏ WLAN 传输方式有 红外线 (Infra Red, IR) 和 无线电射频 两种❏ 红外系统的优点：不受无线电干扰；视距传输，检测和窃听困难，保密性好。缺点是：对非透明物体的透过性极差，传输距离受限；易受日光、荧光灯等干扰；半双工通信。❏ 无线电射频系统采用 扩频 (Spread Spectrum) 技术进行调制。扩频技术的频率范围开放在 ISM 频段，此频段不需申请：
802[1].15.4简介
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802.15.4简介802.15.4包括用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层两个规范。
它能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间（10m直径或更小）工作的简单器件。
802.15.4支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。
但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。
LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在关联过程中指配的16位短地址。
一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。
下面分别介绍802.15.4的主要特点。
１．工作频段和数据速率802.15.4工作在工业科学医疗(ISM)频段，它定义了两个物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。
免许可证的2.4GHz ISM频段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有。
在802.15.4中，总共分配了27个具有三种速率的信道：在2.4GHz频段有16个速率为250Kbit/s(或62.5 K symbol/s)的信道，在915 MHz频段有10个40 Kbit/s（或40 K symbol/s）的信道，在868MHz频段有1个20 Kbit/s（或20 K symbol/s）的信道。
ISM频段全球都有的特点不仅免除了802.15.4器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。
这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。
在保持简单性的同时，802.15.4还试图提供设计上的灵活性。
一个802.15.4网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在２７个信道中选择一个工作信道。
从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。
例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250 Kbit/s，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20 Kbit/s这样的低速率就能满足要求。
IEEE802.15.4标准及其应用
用户名:密码:登录注册查看文章IEEE 802.15.4标准及其应用2011-06-28 20:10清水绿竹清清流水 绿色竹林主页博客相册个人档案好友i贴吧概 述 在《电子设计应用》创刊号中，笔者已经介绍了无线个人网络(WPAN)和无线分布式感知/控制网络(WDSCN)。
与其他的网络一样，WPAN 和WDSCN 网络中的网络设备可能会由不同的公司进行开发生产，所以一个统一的协议或标准显得尤其重要。
2002年，IEEE 802.15 工作组成立, 专门从事WPAN 标准化工作。
它的任务是开发一套适用于短程无线通信的标准，通常我们称之为无线个人局域网(WPANs)。
目前，IEEE 802.15 WPAN 共拥有4个工作组：蓝牙WPAN 工作组 蓝牙是无线个人局域网的先驱。
在初始阶段，IEEE 并没有制定蓝牙相关的标准，所以经过一段快速发展时期后，蓝牙很快就有了产品兼容性的问题。
现在，IEEE 决定制定行业标准来开发能够相互兼容的蓝牙芯片、网络和产品。
图1 802.15.4标准的结构图2 802.15.4的MAC 层数据帧共存组 为所有工作在2.4GHz 频带上的无线应用建立一个标准。
高数据率 WPAN 工作组 其802.15.3标准适用于高质量要求的多媒体应用领域。
802.15.4工作组 为了满足低功耗、低成本的无线网络要求，IEEE 标准委员会在2000年12月份正式批准并成立了802.15.4工作组，任务就是开发一个低数据率的 WPAN(LR-WPAN)标准。
它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据率的传输。
表1中概 括了一些802.15.4的特点。
目前该标准仍处于不断改善和修订阶段，预计于2003年初推出正式标准。
802.15.4无线发射/接收机及网络被Motorola 、Philips 、Eaton 、Invensys 和Honeywell 这些国际通信与工业控制界巨头们极力推崇。
802154协议
802.15.4协议802.15.4是一种低功耗无线个人局域网（WPAN）协议，由IEEE（国际电气电子工程师协会）制定。
该协议为低功耗设备之间提供了一种简单、低成本的通信解决方案，适用于各种物联网（IoT）应用。
协议概述802.15.4协议定义了物理层和媒体访问控制（MAC）层规范，用于在低功耗、低速率的无线网络中实现设备之间的通信。
该协议支持多种网络拓扑结构，如星型、树型和网状网络。
物理层规范802.15.4协议使用ISM频段（Industrial, Scientific and Medical，工业、科学和医疗频段），包括2.4GHz频段和868/915MHz频段。
其中2.4GHz频段是最常用的频段，具有全球范围内的可用性。
协议支持多种调制方式和数据速率，例如O-QPSK调制和250kbps的数据速率。
MAC层规范802.15.4协议的MAC层规范定义了一套用于媒体访问控制和网络管理的协议。
MAC层使用了CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听多点接入/冲突避免）机制来实现多节点之间的无冲突数据传输。
协议规定了两种不同的MAC层工作模式：非信标模式和信标模式。
非信标模式中，节点可以根据需要自由发送和接收数据；信标模式中，网络中存在一个信标节点，用于同步和调度其他节点的通信。
网络拓扑结构802.15.4协议支持多种网络拓扑结构，以满足不同应用场景的需求。
1.星型网络：所有节点直接连接到一个中心节点，中心节点负责网络的管理和调度。
2.树型网络：节点之间以层级结构组织，根节点负责网络管理，并通过中间节点转发数据。
3.网状网络：节点之间可以直接通信，没有中心节点，数据可以通过多个路径传输。
适用场景802.15.4协议在物联网应用中具有广泛的应用前景。
1.家庭自动化：通过无线传感器和执行器，实现家庭设备的智能控制，如灯光、温度、安防等。
802.15.4物理层介绍
物理层协议规范
在IEEE802.15.4-2003中，规定了两个物理层工 作频率范围2.4GHz和868/915MHz。频段类型都 是ISM。对于不同的频段范围，规定了不同的调 制方式，因而数据传输速率也是不同的。如下所 示。
O-QPSK：偏移四相相移键控调制 BPSK: 二进制相移键控调制
IEEE802.15.4一共定义了27个物理信道，信道编 号从0到26。其中2.4GHz定义了16 个信道，915MHz定义了10个信道，868MHz定 义了1个信道。
谢谢观赏
IEEE 802.15.4物理层
物理层负责如下任务： 1.激活和取消无线收发器； 2.当前信道的能量检测； 3.发送链路质量指示； 4.CSMA/CA的空闲信道评估； 5.信道频率的选择； 6.数据发送与接收；
MAC：介质访问控制层 CSMA/CAZ:载波多路侦听技术 原语：指由若干条机器指令构成的一段程序，用以完成特定的功能， 它在执行阶段是不可分割的，即一旦开始执行到结束之前不允许中 断。
802.15.4物理层介绍
主讲：蓝明勇 指导老师：钟君柳
提 纲
一
IEEE802.15.4概述
IEEE 802.15.4物理层 物理层协议规范 物理层数据包
二 三
四
IEEE802.15.4概述
IEEE 802.15.4描述低速率无线个人局域网 的物理层（PHY层）和媒体接入控制协议(MAC 层) 。
物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从 MAC层到物理层无线信道的接口。物理层的结构 和接口如下所示。
物理层数据服务
理层数据单元（PPDU）结构 PPDU数据包由以下几个基本部分组成： 一、同步包头SHR：允许接受设备锁定在比特流 上，并且与该比特流保持同步。物理层包头PHR ：包含帧长度的信息。 二、物理层净荷：携带MAC层的帧信息，长度是 个变量。 PHR:终端的MAC层向基站上报的发射功率余量。 SHR:是汇编逻辑指令---移位指令中的一种。
IEEE_802.15.4协议解析
4/10
0/5/6/10 /14 附加安 全头部
2 超帧 描述
可变 GTS分 配释放 信息
可变 待发数 据目标 地址信 息
可变
2
地址 域
帧负载
FCS校 验 帧尾 (MFR)
帧头(MHR)
MAC 负载
信标帧格式 超帧字段：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问时断持续时间 GTS分配释放信息：将无竞争时断划分为若干个GTS，并把每个GTS 具体分配给某个设备 转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址 信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口
以及相关的保密措施。
应用层 ZigBee的应用层由应用子层(APS)、设备对象(ZDO)以
及制造商定义的应用设备对象组成。
APS子层的作用包括维护绑定表、在绑定设备间传输信息。 ZDO的作用包括在网络中定义一个设备的作用、发现网络中的设备 并确定它们能提供何种服务、起始或回应绑定需求以及在网络设备中 建立一个安全的连接。 制造商定义的应用对象根据ZigBee定义应用说明执行实际的应用。
MAC层网络设备
两种设备类型:
精简功能设备(RFD) 全功能设备(FFD)
FFD 与RFD 的差别：FFD 有能力成为协调者并选取一个频道建 立新的网络，而RFD 只能透过向协调者注册并连结后才能使用网 络；另一个差别在于，并不是任何节点都有资格向协调者提出 GTS使用申请，此节点必须属于FFD 才可向协调者要求保证传输 时槽使用权。 三种设备角色:
超帧结构
在IEEE 802.15.4中，可以选用超帧为周期组织LR-WPAN网络内 设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧开始，在信 标帧中包含了超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收到包含超帧结构的信标帧后，就可以根据 其中的配置信息安排自己的任务。 超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。
第2章 IEEE 802.15.4无线传感器网络通信标准
2.6 MAC/PHY信息交互流程
• ③ 上层服务接口（high layer service interface）。针对工业应用，无线网关要求 提供上层服务及接口，使用户可以通过无线网 关对现场设备进行组态、调校。上层服务接口 位于ZigBee APS层与TCP/IP层之间，为系统 实现各种服务提供通用接口。
2.6 MAC/PHY信息交互流程
• 无线网关的通信模型如图所示。
2.6 MAC/PHY信息交互流程
• 模型主要包括以下3个方面： • ① 无线通信机制。现场设备与无线网关之间 数据通信采用了ZigBee无线通信技术。 ZigBee无线通信技术采用CSMACA接入方式 ，有效避免了无线电载波之间的冲突，保证了 数据传输的可靠性。其MAC层和物理层由 IEEE802.15.4工作小组制定，NWK和APS则 由ZigBee联盟来制定，其他部分——ZDO（ ZigBee设备对象）和ZAO（ZigBee应用对象 ），由用户根据不同应用来完成。
2.3 协议栈架构
IEEE 802.15.4 协议的特点 数据率 250kbps （2450 MHz） 20 kbps （868 MHz，915 MHz） M 等候时间 作用范围 每个网络节点 电池寿命 10~50ms 到 1s 一般 10cm 到 10m，最多达 100m 最多可达 65534 通过采用不对称能耗节点及无源模式等优 化手段，延长电池寿命，使电池使用寿命 匹配其储存寿命
2.2 网络组成和拓扑结构
• IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可以组织 成两种拓扑结构：星型网络拓扑结构和点对点 网络拓扑。 • 点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管 理链路状态信息，认证设备身份等功能。但与 星型网络不同，点对点网络只要彼此都在对方 的无线辐射范围之内，任何两个设备之都可以 直接通信。
IEEE802.15.4 协议规范
基于IEEE802.15.4的IPv6协议栈随着互联网的普及，Internet对人们生活方式的影响越来越巨大，并将继续在未来得各领域持续发挥其影响力，集成了网络技术，嵌入式技术、微机电系统（MEMS）及传感器技术的无线传感器网络将Internet为从虚拟世界延伸到物理世界，从而将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变了人与自然交互的方式，满足了人们对“无处不在”的网络的需求。
2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种供廉价、固定、便捷或移动设备使用的，复杂度、成本和功耗极低的低速率无线连接技术，产品的方便灵活，易于连接、实用可靠及可继承延续是市场的驱动力，一般认为短距离的无线低功耗通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是IEEE802.15.4标准的主要市场对象。
一方面，无线传感器网络具有“无处不在”和节点数量庞大等特点，部署无线传感器网络需要数量巨大的IP地址资源，另一方面，由于无线传感器网络的应用领域往往对安全性要求较高，而无线传感器网络自组织的先天性缺乏应有的安全机制，IPv6作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，可以满足无线传感器网络在地址和安全方面的需求，所以IETF于2004年11月成立了一个6LowPan（IPv6over IEEE802.15.4或IPv6over LR_PAN）工作组，它规定了6lowPan技术底层采取IEEE802.15.4，MAC层以上采取IPv6协议栈，致力于如何将Ipv6与IEEE802.15.4展开，实现Ipv6数据包在IEEE802.15.4上的传输，研究基于IPv6over IEEE802.15.4的无线传感器网络的关键问题。
目前这方面研究成为了一个很活跃的方向，其中，通过分析无线传感器网络对IPv6协议栈基本需求，借助协议工程学理论和软件工程的方法，设计并实现体积小、功能全、效率高，适用于IPv6无线传感器网络节点的嵌入式IPv6协议栈，已经成为一个很关键的问题。
协议规范 物理层
802.15.4协议规范（物理层）IEEE802.15.4-2003协议规范规定了一个MAC层和两个PHY层。
802.15.4的主要协议框架如图所示。
这边只介绍物理层。
802.15.4协议架构1．协议概述在LR WPAN（无线个人区域网）中，存在两种不同类型的设备，一种是完整功能设备（FFD），一种是简化功能设备（RFD）。
FFD可以同时和多个RFD或FFD进行通信，所以常作为协调器，而RFD只能和一个FFD进行通信。
一个网络中至少有一个FFD作为PAN 主协调器。
LR WPAN网络中根据不同需要有两种网络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。
星型拓扑结构由一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是一个具有完整功能的设备，从设备可以是FFD也可以是RFD。
在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信，任何一个设备都可以定义为PAN 主协调器。
无论是星型拓扑还是对等拓扑网络结构。
每一个独立的PAN都以一个标识符以确保唯一性。
在设备发起连接时，可采用64位的长地址，只有在连接成功时，系统分配了PAN的标识符后，才能采用16位的短地址码进行连接。
在LR WPAN中，允许有选择性的使用超帧结构，超帧的格式由主协调器来定义，它分为16个大小相等的时隙，其中第一个时隙为PAN的信标帧。
任何从设备如果想在两个信标之间的竞争接入期间（CAP）进行通信，则需要使用具有时隙和免冲突载波检测多路接入（CSMA CA）机制同其他设备进行竞争通信。
在一些特殊情况下，可采用PAN主协调器的超帧中的一部分来完成这些特殊要求。
这部分称为保护时隙（GTS）。
多个保护时隙构成一个免竞争时期（CFP），但最多可分配7个GTS。
因为有足够的CAP空间保证为其他网络设备和其他希望加入网络的新设备提供竞争接入的机会。
有无GTS的超帧结构分别如下所示。
timetime无GTS 的超帧有GTS 的超帧1.1数据传输LR WPAN 中，主要有3种数据传输模式：从设备向主协调器发送数据；主协调器向从设备发送数据；从设备之间传送数据。
IEEE_802.15.4原理解析
安全层 依靠相称性密匙保护、应用保护机制、合适的密码机制
IEEE 802.15.4 标准
IEEE 802.15.4的物理层定义了物理信道和MAC子层间的接口， 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 道上收发数据，物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的 数据库。 在IEEE 802.15.4的MAC层中引入了超帧结构和信标帧的概念。 这两个概念的引入极大了方便了网络管理，我们可以选用以超帧 为周期组织LR-WPAN网络内设备间的通信。每个超帧都以网络 协调器发出信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时 间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧 开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例 如进入休眠状态直到这个超帧结束。 MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。 前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，后者 维护一个存储MAC子层协议相关信息的数据库。
端设备 End device (RFD or FFD)：只具有简单的收发功能，不能进 行分组的转发。 协调器 Coordinator (FFD)：通常通过发送信标实现与周围节点的同 步，且具有转发分组的功能。 网络协调器 PAN Coordinator (FFD)：为整个网络的主控节点，并且 每个IEEE 802.15.4网络只能有一个网络协调点
IEEE 802.15.4 与 ZigBee
ZigBee是由ZigBee Alliance所 主导的标准，定义了网络层、安全 层应用层、以及各种应用产品的架 构;而由IEEE所定制的802.15.4标准， 则是定义了物理层及MAC层。
802.15-4标准
Note
TX output power
Refer to Table F.12
IEEE 802.15.4 F.8
N4010
TXPSD Spectrum Mask
Absolute Limits: -30Db,RelativeLimits: -20dB
IEEE 802.15.46.5.3.1
N4010
EVM
Less than 35% for 1000 chips
EEE 802.15.46.9.3
N4010
Center Frequency Tolerance
±40 ppm maximum
EEE 802.15.46.9.4
N4010
RX sensitivity
–85 dBm,Under PSDU length = 20 octets.
Refer Document
779–787 MHz
314–316 MHz
430–434 MHZ
由于芯片不支持这些频段，所以这些标准今后补充。
总结：IEEE网上有2009版和2011版，但是下载要收费，无法确定最新标准和2006版的有多少差别。从以上频段支持可以看出2400MHz频段是世界上应用最广的频段。
TBD
TI建议测试TX,RX,sleep三种状态
2400M频段：Fc=2405+5(k-11),for k=11 to 26
ISM Band For SRDs（for short-range devices），同样也支持wideband，但是在欧盟没有法律效力的，只是在某些国家被认可的规范。
ETSI ERC 70-03 for ISM Band (SRD),ETSI EN 300 328 for Wideband
IEEE802.15.4简述
IEEE 802.15.4 简述简述包括：1IEEE 802.15.4标准概述2IEEE 802.15.4网络简介3IEEE 802.15.4网络拓扑结构及形成过程4IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层5IEEE.802.15.4网络协议栈-MAC子层6IEEE802.15.4的安全服务IEEE 802.15.4标准概述随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米范围之内通信的需求，这样就出现了个人区域网络（personal area network, PAN）和无线个人区域网络（wireless personal area network, WPAN）的概念。
WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。
1998年3月，IEEE 802.15工作组。
这个工作组致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personal operating space, POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。
POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。
在IEEE 802。
15工作组内有四个任务组（task group, TG），分别制定适合不同应用的标准。
这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。
下面是四个任务组各自的主要任务：（1）任务组TG1：制定IEEE 802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。
这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。
（2）任务组TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与 IEEE 802.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。
（3）任务组TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网络标准。
uwb物理层参数
uwb物理层参数
UWB（Ultra Wideband）是一种超宽带无线通信技术，其定义来自美国联邦通信委员会和DARPA。
它的工作频带为3.1~10.6GHz，系统带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带宽至少为500MHz。
这种技术的主要特点包括超宽的频带，其频率覆盖从3G~5G，6G~10G共7G的频段，单信道带宽超过500MHz；功率低，按FCC等法规，其输出功率被限制在-41dBm/MHz，按单个信道500MHz计算，其信道功率为-14.3dBm；以及使用超短脉冲，维持时间为零点几纳秒。
UWB物理层规范由IEEE 802.15.4z标准定义，包括了LRP (Low Rate Pulse) 和HRP (High Rate Pulse) 两种类型。
在处理数据帧方面，UWB PHY层的数据帧主要包括三个部分：同步头、物理层头以及PDU数据段。
此外，UWB还具有丰富的处理流程和相关参数，例如SHR preamble，用于AGC设置、天线分集选择、定时采集、粗频偏和细频偏恢复、分组和帧同步、信道估计以及测距前沿信号跟踪等等。
总的来说，UWB物理层参数涵盖了频带宽度、输出功率、脉冲宽度等多个方面，与其独特的工作原理和丰富的技术规格密切相关。
802.15.4协议规范（物理层）
802.15.4协议规范（物理层）802.15.4协议规范（物理层）IEEE802.15.4-2003协议规范规定了⼀个MAC层和两个PHY层。
802.15.4的主要协议框架如图所⽰。
这边只介绍物理层。
802.15.4协议架构1．协议概述在LR WPAN（⽆线个⼈区域⽹）中，存在两种不同类型的设备，⼀种是完整功能设备（FFD），⼀种是简化功能设备（RFD）。
FFD可以同时和多个RFD或FFD进⾏通信，所以常作为协调器，⽽RFD只能和⼀个FFD进⾏通信。
⼀个⽹络中⾄少有⼀个FFD作为PAN 主协调器。
LR WPAN⽹络中根据不同需要有两种⽹络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。
星型拓扑结构由⼀个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是⼀个具有完整功能的设备，从设备可以是FFD也可以是RFD。
在对等拓扑结构中，每⼀个设备都可以与在⽆线通信范围内的其他任何设备进⾏通信，任何⼀个设备都可以定义为PAN 主协调器。
⽆论是星型拓扑还是对等拓扑⽹络结构。
每⼀个独⽴的PAN都以⼀个标识符以确保唯⼀性。
在设备发起连接时，可采⽤64位的长地址，只有在连接成功时，系统分配了PAN的标识符后，才能采⽤16位的短地址码进⾏连接。
在LR WPAN中，允许有选择性的使⽤超帧结构，超帧的格式由主协调器来定义，它分为16个⼤⼩相等的时隙，其中第⼀个时隙为PAN的信标帧。
任何从设备如果想在两个信标之间的竞争接⼊期间（CAP）进⾏通信，则需要使⽤具有时隙和免冲突载波检测多路接⼊（CSMA CA）机制同其他设备进⾏竞争通信。
在⼀些特殊情况下，可采⽤PAN主协调器的超帧中的⼀部分来完成这些特殊要求。
这部分称为保护时隙（GTS）。
多个保护时隙构成⼀个免竞争时期（CFP），但最多可分配7个GTS。
因为有⾜够的CAP空间保证为其他⽹络设备和其他希望加⼊⽹络的新设备提供竞争接⼊的机会。
有⽆GTS的超帧结构分别如下所⽰。
timetime⽆GTS 的超帧有GTS 的超帧1.1数据传输LR WPAN 中，主要有3种数据传输模式：从设备向主协调器发送数据；主协调器向从设备发送数据；从设备之间传送数据。
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802.15.4协议规范（物理层）IEEE802.15.4-2003协议规范规定了一个MAC层和两个PHY层。
802.15.4的主要协议框架如图所示。
这边只介绍物理层。
802.15.4协议架构1．协议概述在LR WPAN（无线个人区域网）中，存在两种不同类型的设备，一种是完整功能设备（FFD），一种是简化功能设备（RFD）。
FFD可以同时和多个RFD或FFD进行通信，所以常作为协调器，而RFD只能和一个FFD进行通信。
一个网络中至少有一个FFD作为PAN 主协调器。
LR WPAN网络中根据不同需要有两种网络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。
星型拓扑结构由一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是一个具有完整功能的设备，从设备可以是FFD也可以是RFD。
在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信，任何一个设备都可以定义为PAN 主协调器。
无论是星型拓扑还是对等拓扑网络结构。
每一个独立的PAN都以一个标识符以确保唯一性。
在设备发起连接时，可采用64位的长地址，只有在连接成功时，系统分配了PAN的标识符后，才能采用16位的短地址码进行连接。
在LR WPAN中，允许有选择性的使用超帧结构，超帧的格式由主协调器来定义，它分为16个大小相等的时隙，其中第一个时隙为PAN的信标帧。
任何从设备如果想在两个信标之间的竞争接入期间（CAP）进行通信，则需要使用具有时隙和免冲突载波检测多路接入（CSMA CA）机制同其他设备进行竞争通信。
在一些特殊情况下，可采用PAN主协调器的超帧中的一部分来完成这些特殊要求。
这部分称为保护时隙（GTS）。
多个保护时隙构成一个免竞争时期（CFP），但最多可分配7个GTS。
因为有足够的CAP空间保证为其他网络设备和其他希望加入网络的新设备提供竞争接入的机会。
有无GTS的超帧结构分别如下所示。
timetime无GTS 的超帧有GTS 的超帧1.1数据传输LR WPAN 中，主要有3种数据传输模式：从设备向主协调器发送数据；主协调器向从设备发送数据；从设备之间传送数据。
在星型拓扑中，因为从设备之间不能传输数据，所以只有两种传输方式，而在对等拓扑结构中则可能包含3种：从设备向主协调器发送数据在信标网络中，从设备首先监听网络的信标，当监听到后，在适当的时候，从设备将使用有时隙的CSMA CA 向主协调器发送数据帧，当主协调器接收到后，返回一个表明已成功接收的确认帧，如图所示：信标网络数据传输到主协调器在非信标网络中，从设备使用非时隙的CSMA CA 向主协调器发送数据帧，主协调器接收到后也同样返回一个确认帧，如图所示。
非信标网络数据传输到主协调器主协调器向从设备发送数据在信标网络中，当主协调器需要发送数据给从设备时，它会在网络信标中表明存在有要传输的数据信息，此时，从设备处于周期性监听网络信标的状态，当发现主协调器有数据要传送给它时，它将采用有时隙的CSMA CA机制，先通过MAC层发送一个数据请求指令。
当主协调器接收到后，采用有时隙的CAMA CA发送数据信息帧给从设备，从设备接收完毕后，返回一个确认帧给主协调器。
在非信标网络中，主协调器存储要传输的数据，将通过与从设备建立数据连接，由从设备先发送请求数据传输命令后，再进行数据传输，如下所示。
从设备之间传送数据这种传输方式出现在对等网络中。
因为在对等网络中，设备与设备之间的通信随时都可能发生，所以通信设备之间必须处于随时可通信的状态，如下任意一种：设备始终处于接收状态或设备间保持相互同步。
前者设备要采用非时隙的CSMA CA 机制来传输数据，后者需采取一些其他措施以确保通信设备之间相互同步。
1.2帧的结构这里一共定义了四种帧结构：1）信标帧信标帧由主协调器的MAC 层生成，并向网络中的所有从设备发送，以保证各从设备与主协调器同步。
信标帧的结构如下所示，MAC 层服务单元（MSDU ）加上MAC 帧头MHR 和MAC 帧尾MFR 构成MAC 层信标帧MPDU ，作为物理层信标包载荷发送到物理层，在加上物理层的同步帧头SHR 和物理层帧头PHR ，共同构成了物理层的信标包PPDU 。
信标帧格式2）数据帧数据帧则是用来设备之间数据传输时生成的。
要传输的数据是由应用层生成，然后到MAC层，类似上面组成MPDU后进入物理层，再构成PPDU。
具体如下图。
数据帧格式3）确认帧确认帧是为了确保通信的可靠性，通常是接收设备接收到正确的帧信息后，向发送设备返回一个确认信息，表明已正确接收相应的信息。
接收设备将接收到的信息经物理层和MAC 层并纠错解码后，回复发送端的数据，如果没有检查出数据的错误，则由MAC层生成的一个确认帧，发送回发送端，具体结构如下所示。
确认帧格式4）MAC层命令帧为了控制设备的工作状态，同网络中的其他设备进行通信，根据应用的实际需要，对设备进行控制，控制命令由应用层产生，在MAC层根据控制命令的类型，生成的MAC 层命令帧如下所示。
MAC命令帧1.3原语概念原语则是一个非常重要的概念，用于描述不同的层之间的提供的服务和所要执行的任务。
每一层的服务只要完成两证功能：根据它的下层服务要求，为上层提供相应的服务；另一种是根据上层的服务要求，对它的下层提供相应的服务。
由服务原语组成的事件将在一个用户的服务接入点（SAP）与建立对等连接的用户的相同层之间传送。
服务提供者N-layer服务原语原语通常分为四种类型：Request，Indication，Response，还有Confirm。
分别表示请求原语、指示原语、响应原语和确认原语。
下面会介绍物理层的原语。
2.物理层协议规范在IEEE 802.15.4-2003中，规定了两个物理层工作频率范围2.4GHz 和868/915MHz 。
频段类型都是ISM 。
对于不同的频段范围，规定了不同的调制方式，因而数据传输速率也是不同的。
如下所示。
频段/MHz 扩展参数数据参数码片速率/kchip ·s﹣1调制比特速率/kbps 符号速率/kBau d·s﹣1符号868~868.6300BPSK 2020二进制902~928600BPSK 4040二进制2400~2483.52000O-QPSK 25062.516相正交IEEE 802.15.4一共定义了27个物理信道，信道编号从0到26。
其中2.4GHz 定义了16个信道，915MHz 定义了10个信道，868MHz 定义了1个信道。
物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC 层到物理层无线信道的接口。
在物理层中，包含一个物理层管理实体（PLME ），该实体通过调用物理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接口，同时，还负责维护由物理层所管理的目标数据库，该数据库包含有物理层个域网络的基本信息。
物理层的结构和接口如下所示。
物理层结构模型2.1物理层原语在物理层中，存在有数据服务接入点和物理层实体服务接入点，通过这两个服务接入点提供如下两种服务，它们是：a 通过物理层数据服务接入点（PD SAP ）为物理层数据提供服务；b 通过物理层管理实体（PLME ）服务的接入点（PLME SAP ）为物理层管理提供服务。
物理层数据服务物理层数据服务接入点所支持的原语有请求原语、确认原语和指示原语。
物理层数据请求原语PD-DATA.request原语如下：PD DATA.request （psduLength,psdu ）此原语由MAC 层生成，发送给物理层实体，请求发送一个MAC 层协议数据单元（MPDU ）。
psduLength 表示物理层实体发送PSDU中字节个数，psdu表示物理层实体发送由字节构成的PSDU。
物理层实体收到后，如果发射机正处于激活状态（TX_ON）状态，物理层就构造一个PPDU，并发送，发送完毕后向MAC层返回一个SUCCESS状态的PD DATA.confirm原语；而如果收发机正处于接收（RX_ON）或关闭状态（TRX_OFF）,则物理层实体将返回一个带有RX_ON或TRX_OFF状态的PD DATA.confirm原语，表示发射机尚未激活。
诸如此类物理层数据服务还有物理层数据确认原语PD-DATA.confirm，物理层用此向MAC层报告向对等的MAC层发送MAC层协议数据单元的结果状态，为物理层对PD DATA.request原语的响应。
还有物理层数据指示原语PD DATA.indication物理层借此向本地MAC层实体传送一个MPDU，即当物理层接收到来自远方发送来的数据后，通过该原语，将接收到的数据包发送到MAC层。
物理层管理服务在网络中，用物理层管理实体服务接入点（PLME SAP）在MAC层管理实体（MLME）和物理层管理实体（PLME）之间传送管理命令原语。
请求清楚信道评估原语PLME-CCA.requestMAC层用此原语请求物理层管理实体执行清除信道评估（CCA），此原语由MAC层管理实体生成，当CSMA CA算法需要进行信道评估时，MAC层管理实体就会向物理层管理实体发送该原语。
如果此时接收机正处于激活状态，则物理层立即执行CCA，完毕后PLME 返回一个带有BUSY或IDLE状态的PLME CCA.confirm原语；如果接收机处于未激活状态，则PLME返回一个TRX_OFF或TX_ON状态的PLME CCA.confirm原语。
物理层管理服务还有还有其他9个原语，这里就不一一介绍了，具体参见协议内容。
物理层枚举型数据由上面介绍可知，其协议原语中的状态通常为枚举型，下面做了统计和归纳，列出了在物理层协议规范中所定义的枚举型数据值以及相应的功能。
物理层枚举型数据的描述枚举型数据值功能描述BUSY0x00CCA检测到一个忙的信道BUSY_RX0x01收发机正处于接收状态时，要求改变其状态BUSY_TX0x02收发机正处于发送状态时，要求改变其状态FORCE_TRX_OFF0x03强制将收发机关闭IDLE0x04CCA检测到一个空闲信道INVALID_PARAMETER0x05SET/GET原语的参数超出了有效范围RX_ON0x06收发机正处于或将设置为接收状态SUCCESS0x07原语成功执行TRX_OFF0x08收发机正处于或将设置为关闭状态TX_ON0x09收发机正处于或将设置为发射状态UNSUPPORTED_ATTRIBUTE0x0A不支持SET/GET原语属性标识符2.2物理层数据包物理层数据单元（PPDU）结构PPDU数据包由以下几个基本部分组成：同步包头SHR：允许接受设备锁定在比特流上，并且与该比特流保持同步。
物理层包头PHR：包含帧长度的信息。
物理层净荷：携带MAC层的帧信息，长度是个变量。