无线传感器网络第7讲通信标准.ppt
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无线传感网络精品PPT课件
Arduino核心库函数和系统库 函数
• void setup()//初始化配置函数，在main函数中首先 被执行，只执行一次
• void loop()//无限循环函数 • delay()//延迟函数 • ……
Zigduino基础实验
• 通用数字IO口点亮LED • 串口的使用 • ADC口光敏传感器控制 • 外部中断点亮LED • 定时器的使用 • 1602型LCD的应用
无线传感网络(WSN)
无线传感网络关键词
英文：Wireless Sensors Networking •传感 •无线网络
概念
• 无线传感器网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世 界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备 位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线 通信方式形成的一个多跳自组织网络。
下载程序后，LED红 灯亮了。然后你用黑
• pinMode(1,INPUT); //配置1号数字引脚为输入模式
色导线的
• void loop() •{ • if (digitalRead(1))
就可以发现灯灭了， 因为3号引脚读取的 电平是低电平。（默 //读取1号引脚的电平判断是否为高电平 认情况下管脚输入的
digitalWrite(3,HIGH); delay(1000);//延时1000ms digitalWrite(3,LOW); delay(1000);
怎么理解delay( )函数？就好像 一个要走路的人在原地踏步！
MCU一旦上电，根本停不下来
Arduino包含的以下数字IO口库函数
• void pinMode(uint8_t pin, uint8_t mode)：设置管脚的方向， pin表示管脚的序号,mode表示方向，只能取INPUT，OUTPUT 两个值,如下面的代码把管脚10设成输入：
无线传感器网络传感器网络的通信与组网技术53页PPT
无线传感器网络传感器网络的通信与
组网技术
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
组网技术
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
无线传感器网络的理论及应用PPT教学课件
2020/12/11
13
以数据为中心
在无线传感器网络中，人们通常只关心某 个区域内某个观测指标的数值，而不会去 具体关心单个节点的观测数据。 用户使用传感器网络查询事件时，直接将 所关心的事件通告给网络，而不是通告给 某个确定编号的节点。网络在获得指定事 件的信息后汇报给用户。
2020/12/11
网络的通信保密和安全性十分重要，信道 加密、抗干扰、用户认证和其他安全措施 都需要特别考虑。
2020/12/11
8
无线传感器网络的特征
深入研究表明，无线传感器网络有着与无 线自组网络明显不同的技术要求和应用目 标。无线自组网络以传输数据为目的，致 力于在不依赖于任何基础设施的前提下为 用户提供高质量的数据传输服务；而无线 传感器网络以数据为中心，将能源的高效 使用作为首要设计目标。
2020/12/11
22
无线传感器网络的体系结构概述
应用服务接口
网络管理接口
安
全
/
拓 扑 控
服 务 质 量
移 动
/ 能
2020/12/11
3
无线传感器网络的特征
作为Internet在无线和移动范畴的扩展和延伸，无线自组网络 （Ad-hoc Network）由若干采用无线通信的节点动态地形成一个 多跳的移动性对等网络，从而不依赖于任何基础措施。
无线传感器网络与 无线自组网络的共 同特点：
分布式 自组织 拓扑变化 多跳路由 安全性差
2020/12/11
6
多跳路由
由于节点发射功率限制，节点的覆盖范围 有限，通常只能与它的邻居节点通信。
多跳路由是由普通网络节点协作完成，没 有专门的路由设备。每个节点既可以是信 息的发起者，也可以是转发者。
第7章 无线传感器网络PPT课件
2
本章内容简介
☆无线传感器网络概述 ☆无线传感器网络的体系结构 ☆无线传感器网络的通信协议 ☆无线传感器网络的应用 ☆无线传感器网络的研究进展 ☆无线传感器网络的仿真
无线网络教学平台 /wireless
Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press
无线网络教学平台 /wireless
Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press
5
WSN与传统网络区别特性
无线传感器网络的特性 ☆WSN是集成了监测、控制以及无线通信的网络
系统，节点数目庞大、分布密集。
13
WSN宏观系统框架
无线传感器网络包含传感器节点(Sensor Node)、 汇聚节点(Sink Node)和管理节点(Manager Node)
第7章 无线传感器网络
\
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
无线网络教学平台 /wireless
Jin & Jiang, 无线网络技术教程：原理、应用与仿真实验, Tsinghua University Press
3
无线传感器网络概述
无线传感器网络的背景
☆通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞 速发展和日渐成熟 ☆各种具备感知、计算和通信能力的微型传感器 的出现 ☆由许多微型传感器共同构成的无线传感器网络 备受关注 ☆WSN可使人们在任何时间、任何地点和任何环 境条件下获得大量详实可靠的物理世界的真ss
无线传感器网络技术ppt课件
.
11
模拟调制和数字调制
数字调制是用数字基带信号对高频载波的 某一参量进行控制，使高频载波随着数字 基带信号的变化而变化。目前通信系统都 在由模拟制式向数字制式过渡，因此数字 调制已经成为了主流的调制技术。
.
12
数字调制
幅度
频率
相位
通过调节三个参数可以表达信息
.
13
幅度调制 Amplitude shift keying e.g. MICA TR1000
-110(2.4kBaud)
19.7 250k -25~0 -94(250kBaud1)9
物理层帧结构
4B
1B
1B
前导码
SFD 帧长度（7位） 保留位
同步头
帧的长度，最大为128B
可变长度 PSDU
PHY负荷
前导码：第一个字段，其字节数一般取4， 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，当然字节数 越多同步效果越好，但那需要更多的能量消 耗。
.
15
直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)
跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)
跳时(Time Hopping Spread Spectrum, THSS)
宽带线性调频扩频(chirp Spread Spectrum, chirp-SS，简称切普扩频)。
提供传送数据的通路 传输数据 其他管理功能
.
PPDU数据
Bit to Symbol Symbol to Chip
Modulator RF信号
2
物理接口标准
通常物理接口标准对物理接口的四个特性进行了描述：
无线传感器网络技术概述PPT课件
3
一、什么是传感器网络
计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能 的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起 来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协 议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计 算机系统。
所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的 媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的 用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同， 利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备 份。
工作站
PC PDA WSN 节点等
生物芯片
18
三、传感器网络的网络结构
sink -汇聚点 sensor node -传感器节点 sensor field -监测区域
19
传感器网络的常用逻辑结构图
传感器1 传感器2
无线链路
无线接口 模块
…
传感器N
监控主机
20
传感器节点
功能：采集、处理、控制和通信等 网络功能：兼顾节点和路由器 资源受限：存储、计算、通信、能量
Sink节点
功能：连接传感器网络与Internet等外部网络， 实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管 理节点的监测任务，转发收集到的数据。
特点：连续供电、功能强、数量少等
21
传感器节点实物示例
感知能力＋计算能力＋通信能力 体积小 能耗小
22
23
传感器节点
传感器模块：信息采集、数据转换 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发
无线传感器网络 Wireless Sensor Networks
1
参考书目
书名：无线传感器网络 作者：孙利民，李建中，陈渝，朱红松 出版社：清华大学出版社
一、什么是传感器网络
计算机网络，是指将地理位置不同的具有独立功能 的多台计算机及其外部设备，通过通信线路连接起 来，在网络操作系统，网络管理软件及网络通信协 议的管理和协调下，实现资源共享和信息传递的计 算机系统。
所谓无线网络，就是利用无线电波作为信息传输的 媒介构成的无线局域网（WLAN），与有线网络的 用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同， 利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备 份。
工作站
PC PDA WSN 节点等
生物芯片
18
三、传感器网络的网络结构
sink -汇聚点 sensor node -传感器节点 sensor field -监测区域
19
传感器网络的常用逻辑结构图
传感器1 传感器2
无线链路
无线接口 模块
…
传感器N
监控主机
20
传感器节点
功能：采集、处理、控制和通信等 网络功能：兼顾节点和路由器 资源受限：存储、计算、通信、能量
Sink节点
功能：连接传感器网络与Internet等外部网络， 实现两种协议栈之间的通信协议转换，发布管 理节点的监测任务，转发收集到的数据。
特点：连续供电、功能强、数量少等
21
传感器节点实物示例
感知能力＋计算能力＋通信能力 体积小 能耗小
22
23
传感器节点
传感器模块：信息采集、数据转换 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发
无线传感器网络 Wireless Sensor Networks
1
参考书目
书名：无线传感器网络 作者：孙利民，李建中，陈渝，朱红松 出版社：清华大学出版社
无线传感器网络技术原理及应用课件第7章
27
7.2 RFID标准
RFID标准化的目的在于，通过制定、发布和实施标准， 解决编码、通信、空中接口和数据共享等问题，最大程度地 促进了RFID技术与相关系统的应用。RFID标准的主要内容 包括以下几个方面：
28
技术：包含的层面很多，主要是接口和通信技术，如空 中接口、防碰撞方法、中间件技术和通信协议等。
5
图7-1 RFID应用系统组成
6
7.1.2 分类 RFID的分类多种多样，根据不同的标准和要求以及分类
的依据不同，主要可以分为以下几种。 1. 按供电方式分类 根据标签的供电方式可以将RFID系统分为有源、无源和
半有源系统。 有源的RFID与无源的RFID系统主要是指标签的工作电
源是否由内部电池供给。有源电子标签又称为主动标签，标 签的工作电源完全由内部电池供给，同时标签电池的能量供 应部分转换为电子标签与读写器通信所需的射频能量。
4
7.1.1 组成 RFID应用系统由读写器、标签和高层等部分组成，如图
7-1所示。 读写器和标签可以构成一个简单的应用系统，例如公交
车上的消费系统。复杂的应用需要一个读写器同时读取n个 标签。更复杂的应用系统需要解决读写器的高层处理问题。
射频识别技术的核心在标签上，读写器是根据标签的性 能而设计的。虽然在RFID系统中标签的价格和性能比读写器 低，但通常情况下，在应用中标签的数量是很大的，尤其是 在物流应用中，标签的应用量不仅大而且可能一次性使用， 而读写器的数量相对要少并且可以重复使用。
21
解调器：去除载波，取出调制信号。 电压调节器：把由读写器送来的射频信号转换为直流电 源，并经过大电容存储能量，再通过稳压电路来提供稳定的 电源。 逻辑控制单元：译码读写器送来的信号，并依据要求返 回数据给阅读器。 存储单元：用于系统运行及存放识别数据。
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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标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的设备集合。
全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD） 协调器：与RFD相关联的FFD设备 PAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发
•帧组成 •地址格式：16位短地址和64位扩展地址 •帧控制字段的内容指示地址类型 •帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧
IEEE 802.15.4标准
Ocets: 2
帧控制 域
(Frame Control)
1
帧序列 号 (Seq
Num)
4/10
地址 域
帧头(MHR)
0/5/6/10 /14
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
2
FCS校 验
帧尾 (MFR)
IEEE 802.15.4标准
Ocets: 2
帧控制域 (Frame Control)
1
帧序列号 (Seq Num)
2 FCS校验
帧头(MHR)
帧尾(MFR)
确认帧格式
如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位 设置为1，设备需要回应一个确认帧。
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
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 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
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； 可选的确保服务的同步时隙GTS(Guaranteed Time Slot)支持； 支持安全机制；
IEEE 802.15.4标准
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
附加安 全头部
2
超帧 描述
可变
可变
GTS分 配释放
信息
待发数 据目标 地址信
息
MAC 负载
信标帧格式
可变 帧负载
2
FCS校 验
帧尾 (MFR)
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
确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。
确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。
IEEE 802.15.4标准
Ocets: 2
帧控制 域
(Frame Control)
1
4/20
0/5/6/10 /14
1
可变
帧序列 号
(Seq No)地址Leabharlann 域附加安 全头部250
250
100
数据参数 符号速率 (ksymbol/s)
20 40
12.5
50
25
符号 二进制 二进制 20-bitSPSS 5-bitSPSS 16-ary正交
250
62.5
16-ary正交
2400–2483.5
2000
O-QPSK
250
62.5
16-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
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
Ocets: 2
帧控制 域
(Frame Control)
1
帧序列 号
(Seq No)
4/20
地址 域
帧头(MHR)
0/5/6/10 /14
附加安 全头部
可变
数据帧负载
MAC 负载
数据帧格式
传输上层发送到MAC子层的数据 MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层 MAC帧： MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息
信息、认证设备身份等功能 允许多跳路由的方式传输数据 适合于设备分布范围广的应用
（工业检测与控制）
点到点拓扑结构
IEEE 802.15.4标准
基于开放系统互连模型（OSI） 每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务 物理层由射频收发器和底层的控制模块组成 数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点
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
帧控制 域
(Frame Control)
1
帧序列 号 (Seq
Num)
0/2
0/2/8
0/2
目标 目标地
源
PAN ID
址
PAN ID
地址域
帧头(MHR)
0/2/8 源地址
0/5/6/10 /14
附加安 全头部
可变
帧负载
MAC 负载
2
FCS校 验
帧尾 (MFR)
•MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境 下的可靠数据传输
IEEE 802.15.4标准
所有设备都与中心设备PAN网 络协调器通讯
网络协调器持续供电，其他设 备电池供电
适合家庭自动化、个人计算机 外围设备、个人康护护理等小 范围的室内应用
星型拓扑结构
IEEE 802.15.4标准
任何两个设备之间都可以通讯 网络协调器负责管理链路状态
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）的共存问题
TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准。 TG4：制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准。
IEEE 802.15.4标准
IEEE 802.15.4标准
信标帧
无竞争访问
竞争访问时段(CAP) 时段(CFP)
GTS GTS
不活跃时段(Inactive)
信标帧
超帧持续时间长度(SD)
信标帧周期(BI)
•以超帧为周期组织LR-WPAN内设备间的通讯 •信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息 •超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分 •不活跃阶段：设备进入休眠状态 •活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分 为16个等长时槽 •CSMA-CA访问机制；
频段 (MHz)
868–868.6 902–928 868–868.6* 902–928* 868–868.6* 902–928*
扩频参数
片速率 (kchip/s)
调制方式
300
BPSK
600
BPSK
400
ASK
1600 400
ASK O-QPSK
1000
O-QPSK
比特速率 (kb/s) 20 40
每个 MBOA MAC 设备都有一个唯一的 64 位 MAC 地址（ EUI-64）。
为了减少通讯冗余,MBOA 将 64 位 MAC 映射为一个16 位 设备地址 — DevAddr。
相隔 2 级跳程［ＨＯＰ］以上的MBOA 设备可在毫无冲突 的情况下再利用通话时间,16 位设备地址,信标时间槽。这些 通话时间可能是通过分布式预约协议（DRP）预约得到的无 冲突时间片,也可能是基于优先级竞争访问（PCA）的有冲 突时间片。
IEEE 802.15.4标准
IEEE 802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的设备集合。
全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD） 协调器：与RFD相关联的FFD设备 PAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发
•帧组成 •地址格式：16位短地址和64位扩展地址 •帧控制字段的内容指示地址类型 •帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧
IEEE 802.15.4标准
Ocets: 2
帧控制 域
(Frame Control)
1
帧序列 号 (Seq
Num)
4/10
地址 域
帧头(MHR)
0/5/6/10 /14
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
2
FCS校 验
帧尾 (MFR)
IEEE 802.15.4标准
Ocets: 2
帧控制域 (Frame Control)
1
帧序列号 (Seq Num)
2 FCS校验
帧头(MHR)
帧尾(MFR)
确认帧格式
如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位 设置为1，设备需要回应一个确认帧。
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
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 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
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； 可选的确保服务的同步时隙GTS(Guaranteed Time Slot)支持； 支持安全机制；
IEEE 802.15.4标准
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
附加安 全头部
2
超帧 描述
可变
可变
GTS分 配释放
信息
待发数 据目标 地址信
息
MAC 负载
信标帧格式
可变 帧负载
2
FCS校 验
帧尾 (MFR)
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
确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。
确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。
IEEE 802.15.4标准
Ocets: 2
帧控制 域
(Frame Control)
1
4/20
0/5/6/10 /14
1
可变
帧序列 号
(Seq No)地址Leabharlann 域附加安 全头部250
250
100
数据参数 符号速率 (ksymbol/s)
20 40
12.5
50
25
符号 二进制 二进制 20-bitSPSS 5-bitSPSS 16-ary正交
250
62.5
16-ary正交
2400–2483.5
2000
O-QPSK
250
62.5
16-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
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
Ocets: 2
帧控制 域
(Frame Control)
1
帧序列 号
(Seq No)
4/20
地址 域
帧头(MHR)
0/5/6/10 /14
附加安 全头部
可变
数据帧负载
MAC 负载
数据帧格式
传输上层发送到MAC子层的数据 MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层 MAC帧： MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息
信息、认证设备身份等功能 允许多跳路由的方式传输数据 适合于设备分布范围广的应用
（工业检测与控制）
点到点拓扑结构
IEEE 802.15.4标准
基于开放系统互连模型（OSI） 每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务 物理层由射频收发器和底层的控制模块组成 数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点
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
帧控制 域
(Frame Control)
1
帧序列 号 (Seq
Num)
0/2
0/2/8
0/2
目标 目标地
源
PAN ID
址
PAN ID
地址域
帧头(MHR)
0/2/8 源地址
0/5/6/10 /14
附加安 全头部
可变
帧负载
MAC 负载
2
FCS校 验
帧尾 (MFR)
•MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境 下的可靠数据传输
IEEE 802.15.4标准
所有设备都与中心设备PAN网 络协调器通讯
网络协调器持续供电，其他设 备电池供电
适合家庭自动化、个人计算机 外围设备、个人康护护理等小 范围的室内应用
星型拓扑结构
IEEE 802.15.4标准
任何两个设备之间都可以通讯 网络协调器负责管理链路状态
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）的共存问题
TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准。 TG4：制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准。
IEEE 802.15.4标准
IEEE 802.15.4标准
信标帧
无竞争访问
竞争访问时段(CAP) 时段(CFP)
GTS GTS
不活跃时段(Inactive)
信标帧
超帧持续时间长度(SD)
信标帧周期(BI)
•以超帧为周期组织LR-WPAN内设备间的通讯 •信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息 •超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分 •不活跃阶段：设备进入休眠状态 •活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分 为16个等长时槽 •CSMA-CA访问机制；
频段 (MHz)
868–868.6 902–928 868–868.6* 902–928* 868–868.6* 902–928*
扩频参数
片速率 (kchip/s)
调制方式
300
BPSK
600
BPSK
400
ASK
1600 400
ASK O-QPSK
1000
O-QPSK
比特速率 (kb/s) 20 40
每个 MBOA MAC 设备都有一个唯一的 64 位 MAC 地址（ EUI-64）。
为了减少通讯冗余,MBOA 将 64 位 MAC 映射为一个16 位 设备地址 — DevAddr。
相隔 2 级跳程［ＨＯＰ］以上的MBOA 设备可在毫无冲突 的情况下再利用通话时间,16 位设备地址,信标时间槽。这些 通话时间可能是通过分布式预约协议（DRP）预约得到的无 冲突时间片,也可能是基于优先级竞争访问（PCA）的有冲 突时间片。