IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层
IEEE802.15.4标准及其应用
IEEE802.15.4标准及其应⽤IEEE 802.15.4标准及其应⽤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。
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。
IEEE 802.15.4 标准及其技术特点IEEE 802.15.4 满⾜国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模式。
它包括物理层、介质访问层、⽹络层和⾼层。
图1是对这些层的描述。
物理层IEEE 802.15.4 提供两种物理层的选择（868/915 MHz和2.4GHz），物理层与MAC 层的协作扩⼤了⽹络应⽤的范畴。
这两种物理层都采⽤直接序列扩频（DSSS）技术，降低数字集成电路的成本，并且都使⽤相同的包结构，以便低作业周期、低功耗地运作。
(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
IEEE.802.15.4网络协议栈-MAC子层
IEEE.802.15.4网络协议栈-MAC子层在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 en tity, 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-WP AN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 80 2.15.4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。
网络中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。
zigbee 协议栈
zigbee 协议栈Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信协议，它是一种低功耗、短距离的无线网络协议，可以用于物联网中各种设备的通信。
Zigbee协议栈是指一套软件的层次结构，用于实现Zigbee协议的功能和特性。
Zigbee协议栈由四个层次组成：应用层，网络层，MAC层和物理层。
应用层是Zigbee协议栈的最高层，它提供了应用程序与其他网络层之间的接口。
应用层负责处理数据的收发，以及定义数据的格式和协议。
应用层也负责处理设备与设备之间的通信，例如传感器与控制器之间的通信。
网络层是Zigbee协议栈的中间层，它负责网络的发现和路由选择。
网络层的主要功能是将数据传输到目标设备，以及维护网络拓扑结构。
网络层使用一种叫做AODV（Ad-hoc On-Demand Distance Vector）的路由选择算法来决定数据的传输路径。
MAC层是Zigbee协议栈的第二层，它负责实现对数据的传输和控制。
MAC层的主要功能包括数据的处理、帧的编码和解码、对信道的管理等。
MAC层使用CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）协议来控制数据的传输，并通过BEACON帧来管理设备之间的通信。
物理层是Zigbee协议栈的最底层，它负责将数据从电子信号转换为无线信号，并传输到接收设备。
物理层的主要功能包括信号的调制和解调、信道编码和解码、信号的传输和接收等。
Zigbee协议栈还支持一种叫做ZDO（Zigbee Device Object）的设备对象。
ZDO是一个与设备相关的软件模块，提供了设备的管理和控制功能。
ZDO负责设备的发现、加入网络、离开网络、重置等操作，并通过指定的应用程序接口来与设备进行通信。
总的来说，Zigbee协议栈是一个非常复杂的系统，包含了多个层次和各种功能。
它通过不同的层次和模块来实现Zigbee协议的各种特性和功能，从而使得物联网设备之间可以方便地进行通信和控制。
IEEE802.15.4协议—PHY层物理特性和帧结构
IEEE802.15.4协议—PHY层物理特性和帧结构
1.PHY层的主要功能简介
●无线电收发的激活和关闭
●当前通道内的能量检测（ED）
●接收数据包的链路质量指示(LQI）
●空闲信道评估（CCA）用于载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA-CA)
●频道频率选择
●数据传输和接收
2.物理参数简介
●868/915MHz DSSS（直接序列扩频）采用BPSK（二进制相移键控）调制●868/915MHz DSSS（直接序列扩频）采用O-QPSK调制
●868/915MHz PSSS(并行序列扩频)采用BPSK和ASK（幅移键控）调制●2450MHz DSSS（直接序列扩频）采用O-QPSK调制
3.PHY帧格式简介
●SHR:同步头（包括Preamble和SFD），允许一个接收设备同步同时锁定
到每一位流。
●PHR：PHY帧头（包括Frame length和Reserved），帧的长度信息。
●PHY Payload：可变长度的有效载荷，携带MAC子层的数据帧。
其中SHR字段：Preamble，用于无线电收发器从接收的数据信息中获取芯片和同步标识，Preamble字段的长度由物理参数决定如下图所示：
SFD，指示SHR的结束和数据包的开始，不同的物理参数具备不同的长度如下图所示：。
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。
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。
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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。