(完整版)IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层
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
IEEE.802.15.4网络协议栈-MAC子层
用户名: 密码: 登录 注册查看文章 IEEE.802.15.4网络协议栈-MAC 子层2011-06-28 20:08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贴吧在IEEE 802系列标准中，OSI 参考模型的数据链路层进一步划分为MAC 和LLC 两个子层。
MAC 子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而LLC 在MAC 子层的基础上，在设备间提供面向连接和非连接的服务。
MAC 子层提供两种服务：MAC 层数据服务和MAC 层管理服务（MAC sublayer management entity, MLME ）。
前者保证MAC 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC 子层协议状态相关信息的数据库。
MAC 子层主要功能包括下面六个方面：（1）协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；（2）支持PAN 网络的关联（association ）和取消关联（disassociation ）操作；（3）支持无线信道通信安全；（4）使用CSMA-CA 机制访问信道；（5）支持时槽保障（guaranteed time slot, GTS ）机制；（6）支持不同设备的MAC 层间可靠传输。
关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认证的过程。
LR-WPAN 网络中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络，这时就需要进行关联和取消关联操作。
时槽保障机制和时分复用（time division multiple access, TDMA ）机制相似，但它可以动态地为有收发请求的设备分配时槽。
使用时槽保障机制需要设备间的时间同步，IEEE 802.15.4中的时间同步通过下面介绍的“超帧”机制实现。
1．超帧在IEEE 802.15.4中，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（beacon ）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。
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；
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析IEEE 802.15.4是一种无线传感器网络标准，旨在提供低成本、低功耗和低速率的无线连接。
它通常用于监控和控制应用程序，如智能家居、工业自动化和环境监测等。
在本文中，我们将对IEEE 802.15.4无线传感器网络的性能进行分析，包括网络容量、能耗、传输距离、传输速率等方面。
一、网络容量IEEE 802.15.4网络的容量取决于网络拓扑结构、数据包大小、数据传输速率等因素。
通常情况下，IEEE 802.15.4网络的最大容量受到物理层和MAC层的限制。
在物理层，IEEE 802.15.4使用2.4GHz频段进行通信，最大传输距离取决于天线和环境因素，并且存在传输干扰的风险。
在MAC层，IEEE 802.15.4采用CSMA/CA协议来进行信道访问，因此网络容量受到信道竞争和冲突的影响。
二、能耗能耗是无线传感器网络中的重要考量因素。
IEEE 802.15.4在能耗方面有较好的表现，主要是由于其低功耗特性。
具体来说，IEEE 802.15.4采用了低功耗睡眠模式和低功耗待机模式来降低能耗，进而延长节点的电池寿命。
IEEE 802.15.4还支持能源高效的数据传输机制，如数据压缩、碎片化传输等，来减少能耗。
三、传输距离传输距离是指节点之间能够可靠通信的最大距离。
在IEEE 802.15.4标准中，2.4GHz频段的传输距离一般在10-100米之间，取决于环境和天线功率。
为了扩展传输距离，可以采用中继节点或信号放大器来增强信号。
四、传输速率传输速率是指数据从一个节点传输到另一个节点的速度。
在IEEE 802.15.4中，传输速率一般为250kbps，在低功耗模式下可降至20kbps。
这种低速率的设计是为了降低功耗，适用于周期性数据采集和低带宽的应用场景。
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。
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。
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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。
这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。
空闲信道评估判断信道是否空闲。
IEEE 802.15.4定义了三种空闲信道评估模式：第一种简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值就认为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。
1.物理层的载波调制
PHY层定义了三个载波频段用于收发数据。
在这三个频段上发送数据使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面存在一些差异。
三个频段总共提供了27个信道（channel）：868MHz频段1个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16个信道。
具体分配如表在868MHz和915MHz这两个频段上，信号处理过程相同，只是数据速率不同。
处理过程，首先将物理层协议数据单元（PHY protocol data unit，PPDU）的二制数据差分编码，然后再将差分编码后的每一个位转换为长度为15的片序列（chip sequence），最后BPSK调制到信道上。
差分编码是将数据的每一个原始比特与前一个差分编码生成的比特进行异或运算：En=Rn ⊕En-1 ，其中En是差分编码的结果，Rn为要编码的原始比特，En-1是上一次差分编码的结果。
对于每个发送的数据包，R1是第一个原始比特，计算E1时假定E0=0。
差分解码过程与编码过程类似：Rn=En⊕En-1，对于每个接收到的数据包，E1是第一个需要解码的比特，计算R1时假定E0=0。
差分编码以后，接下来就是直接序列扩频。
每一个比特被转换为长度为15的片序列。
扩频过程按下表进行，扩频后的序列使用BPSK调制方式调制到载波上。
868/915MHz比特到片序列转换表
输入比特片序列值（C1 C2 (14)
01 111101011001000000010100110111
2．4GHz频段的处理过程，首行将PPDU的二进制数据中每4位转换为一个符号（symbol），然后将每个符号转换成长度为32的片序列。
在把符号转换片序列时，用符号在16个近似正交的伪随便噪声序列的映射表，这是一个直接序列扩频的过程。
扩频后，信号通过O-QPSK调制方式调制到载波上。
2．物理层的帧结构
物理帧第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。
帧起始分隔符（start-of-frame delimiter, SFD）字段长度为一个字节，其值固定为0xA7，标识一个物理帧的开始。
收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字节上。
帧长度（frame length）由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。
物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元（PHY service data unit, PSDU），一般用来承载MAC帧。