802.15.4物理层介绍
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。
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
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。
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。
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。
IEEE 802.15.4与IEEE 802.11对比调研报告
IEEE 802.15.4与IEEE 802.11对比调研报告1、引言通信模块是无线多媒体传感器节点的重要组成部分。
目前用于短距离无线通信技术的主要有一下几个标准：IEEE 802.11(WiFi)、IEEE 802.15.4(ZigBee)、IEEE 802.15.1(Bluetooth)。
传统无线传感器网络（MSN）应用较多的是IEEE 802.15.4(ZigBee)。
这是一种短距离、低功耗、低速率的无线通信技术。
传统MSN采集的多是温度、适度、震动等标量信息，数据量较小，故ZigBee足够满足对速率的要求。
随着无线传感器网络中引入了多媒体，图像、音频、视频流的传输使得无线多媒体传感器网络（WMSN）的数据流量急剧增大。
ZigBee的250kbps 的速率则很难满足网络对传输速率的要求。
因此考虑是否可以采用IEEE 802.11(WiFi)技术。
IEEE 802.11b在 2.4GHz频率上的最高传输速率可以达到11Mbps，可以满足传输视频流的要求。
鉴于此，对两种技术及相应的芯片进行了调研，并对主要参数进行了对比。
2、IEEE 802.15.4（ZigBee）简介IEEE 802.15.4网络是指在同一区域内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合。
ZigBee定义了网络的物理层（PHY）和媒介访问层（MAC）。
其对物理层的定义为其定义了两个工作频段，即 2.4GHz 频段和868/915 MHz频段。
其中前者为全世界通用的免许可证的ISM频段，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有，故实际科研中多使用2.4GHz频段。
物理层采用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频）技术，在2.4GHz频段提供16路速率为250kbps的信道。
ZigBee的网络拓扑主要有星状、网状和混合状。
ZigBee最突出的有点即省电。
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。
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
• 传感器网络中的应用一般并不需要很高的信道 带宽，却要求具有较低的传输延时和极低的功 率消耗，使用户能在有限的电池寿命内完成任 务。IEEE 802.15.4/ZigBee标准把低功耗 、低成本作为主要目标，为传感器网络提供了 一种互联互通的平台，各个射频芯片厂商也陆 续推出支持该标准的无线收发芯片。 • 本章主要介绍了当前工业界已有的或正在制定 的与无线传感器网络协议想过的通信标准。包 括IEEE 802.15.4/ZigBee协议标准。
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2.1 IEEE802.15.4标准概述
• • • • • • • IEEE 802.15.4标准具。 （3）数据传输和低功耗。 （4）信标方式和超帧结构。 （5）自配置。 （6）安全性。
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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。 • 在星型结构中，整个网络的形成以及数据的传 输由中心的网络协调者集中控制，所有设备都 与中心设备PAN网络协调器通信。各个终端设 备（FFD或RFD）直接与网络协调者进行关联 和数据传输。
2.3 协议栈架构
• 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。
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.802.15.4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技术详解
100,000
ZigBee/802.15.4协议结构
ZigBee 协议栈
应用层 网络层 MAC 层 物理层
ZigBee 联盟定义 IEEE 802.15.4 定义
ZigBee与IEEE 802.15.4之间的关系
ZigBee使用IEEE 802.15.4所定义的物理层和MAC层技术。 ZigBee在IEEE 802.15.4的基础上添加网络层、应用层、安全等
ZigBee
LOW DATA-RATE RADIO DEVICES
PC & PERIPHERAL
S
mouse keyboard joystick
consoles portables educational
TOYS & GAMES
HOME AUTOMATION
security HVAC lighting closures
实现起来非常简单，适合于能量和资源受限的设备
星型拓扑结构
网络协调器
主/从关系
全功能设备(FFD) 简化功能设备(RFD) 数据流
点到点拓扑结构
点到点（Mesh型）
树型
全功能设备(FFD) 数据流
混合拓扑结构
簇型拓扑 – 例如在一个酒店部署无线 控制系统，每个房间里有一个簇头， 房间里的无线设备通过星型网连接到 簇头，各个房间的簇头再通过树型网 或Mesh网相互连接。
无线个域网各项技术对比
各种无线标准的市场定位
SHORT < RANGE > LONG
TEXT GRAPHICS INTERNET HI-FI STREAMING DIGITAL MULTI-CHANNEL
IEEE802.15.4协议MAC层介绍知识讲解
IEEE802.15.4协议MAC层介绍知识讲解1.1.1超帧结构低速⽆线个域⽹允许可选择性的使⽤超帧（superframe）结构。
超帧的格式由协调器决定。
在使⽤超帧结构的模式下，协调器会根据设置周期性的发送信标帧（beacon），⽽超帧正是由⽹络中的信标帧划分的，中间的区域称为竞争接⼊期（CAP,contention access period），如图1.1所⽰。
如果协调器不需要使⽤超帧结构，它可以停⽌发送信标帧。
信标帧可以⽤来识别个域⽹，同步个域⽹中的设备，描述超帧结构等。
图1.1 不包含GTSs的超帧结构针对⽹络负荷较低的情况或要求特定传输带宽的情况，协调器可以从超帧中划分出⼀部分时间，专门为这样的传输请求服务。
被划分出的时间称为保证时隙(GTSs．Guaranteed time slots)。
⼀个超帧中保证时隙的集合称为⾮竞争接⼊(CFP,contention-free period)，它往往紧跟在竞争接⼊期的后⾯，如图1.2所⽰。
保证时隙传输模式也是可选的，由普通设备向个域⽹协调器申请，协调器会根据当前的资源状况给予答复，并通过信标帧将下⼀个超帧的结构⼴播到⽹络中。
竞争接⼊期中的数据传输必须在⾮竞争接⼊期开始之前结束：同样，⾮竞争接⼊期中每个保证时隙⾥的数据传输也要在下⼀个保证时隙开始之前或⾮竞争接⼊期的终点之前结束。
图1.2 包含GTSs的超帧结构超帧往往被分为活跃期(active)和⾮活跃期(inactive)。
在活跃期，协调器负责组织维持该⽹络，个域⽹中的各设备间可以进⾏数据通信；⽽在⾮活跃期中，个域⽹协调器和普通设备可以进⼊低功耗模式，个域⽹中各设备不进⾏数据传输。
⼀个完整的超帧结构如图1.3所⽰。
图1.3 完整的超帧结构描述超帧结构的量为BO(Beacon Order)和SO(Superframe Order)。
其中，BO决定发送信标帧的周期，也即⼀个超帧的长度BI(beacon interval)，见(1.1)；SO决定⼀个超帧中活跃期持续的时间，即SD(superframe duration)，见(1.2)。
WSN通信标准总结
WSN通信标准总结1。
802。
15.4802。
15.4是为了适应低吞吐量的应用和WPAN的潜在需求而设计的短距离无线通信协议。
它的特点是复杂度低、低能量消耗、数据传输率低、支持设备便宜，可支持物体移动性。
802.15。
4仅对物理层和MAC层进行了规定，更上层的规定可由Zigbee协议或者6LowPAN来继续完成。
1.1 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）激活或者休眠射频收发器（2）信道能量检测（3）检测接收数据包的链路质量指示（4）空闲信道评估（5）收发数据物理层用的是三个无牌照的频段，用直接扩频技术来减少干扰。
为了保持低能耗，802。
15。
4允许设备进行周期性工作。
802。
15。
4将三个频段划分成27个双工信道.组织方式如下：频段信道数速率通信距离（理想情况）868MHz 1 20kbps 1Km915MHz 10 40kbps 同上2。
4GHz 16 250kbps 220m在868MHz和915MHz调制方式信号处理过程相同，只是数据速率不同。
处理过程如下在2。
4GHz的情况下先将PPDU的二进制数据中每4位转换为一个符号，然后将每个符号转换为长度为32的片序列，再进行O-QPSK调制。
1。
2 MAC层MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。
MAC层数据服务保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发,MAC层管理服务负责维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
MAC层的主要功能包括下面六个方面的内容：（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调器同步（2）支持PAN网络的关联和取消关联操作（3）支持无线信道通信安全（4）使用CSMA—CA机制访问信道（5）支持时槽机制（6）支持不同设备间的MAC层间可靠传输.在MAC层，802。
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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。