无线传感器网络通信标准

命令帧 ID
命令帧 负载
帧头(MHR)
命令帧格式
MAC 负载
2
FCS校 验
帧尾 (MFR)
• 命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。
• 命令帧有9种类型。
• 命令帧的功能：把设备关联到PAN；与协调器交换数据； 分配GTS。
• 命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。
IEEE 802.15.4标准
• MAC子层功能实现
信道分配和调制方式
IEEE 802.15.4标准
Ocets：4 字节
1 字节
1 字节
可变
前导码 （pre
ambl e）
SFD （ 帧 起 始 分 隔 符）
Frame lengt h
(7 比特)
Reserved (1 比特)
PSDU
固定值： OX A7
同步头(SHR)
物理帧格式PHY
物理帧头(PHR)
access 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
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
《无线传感器网络技术》讲义
第五章、通信标准
2010年8月20日
内容提要
1. IEEE 802.15.4标准 2. ZigBee标准 3. 6LowPan草案 4. 主要参考文献源自文库
内容提要
1. IEEE 802.15.4标准 2. ZigBee标准 3. 6LowPan草案 4. 主要参考文献
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
• IEEE 802.15任务组 – TG1：制定IEEE 802.15.1标准（蓝牙无线个人区域网 络标准）；中等速率、近距离的WPAN网络标准。 – 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标准概述
IEEE 802.15.4标准
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
频段 (MHz)
868–868.6 902–928
扩频参数
片速率 调制方式 (kchip/s)
300
BPSK
600
BPSK
数据参数
比特速率 符号速率 (kb/s) (ksymbol/s)
20
20
40
40
符号
二进制 二进制
868–868.6*
400
ASK
250
12.5 20-bitSPSS
902–928*
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
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 链路状态信息、认证 设备身份等功能
MLME-ASSOCIATE .confirm
Association request Ackowledgement
MLME-ASSOCIATE .indication
Data request Ackowledgement Association response
Ackowledgement
MLME-ASSOCIATE .response MLME-COMM-STATUS .indication
负
载
IEEE 802.15.4标准
• 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
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
• 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 理信道提供点到点通讯的服务接口
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
• 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 域
附加安 全头部
• PAN的建立与维护 • 关联请求与取消 • 与信标帧的同步 • 数据的间接传输方式 • 数据的发送，接收与重传 • GTS的分配与管理 • MAC子层PIB的维护 • MAC子层的安全策略
IEEE 802.15.4标准
设备高层
设备 MLME
协调器 MLME
协调器高 层
MLME-ASSOCIATE .request macResponseWaitTime
设备关联的消息流程
IEEE 802.15.4标准
设备高层
设备 MLME
MLME-DISASSOCIATE .request
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
2
FCS校 验
帧尾 (MFR)
IEEE 802.15.4标准
Ocets: 2
1
2
帧控制域 (Frame Control)
帧序列号 (Seq Num)
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。
• 特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准 中定义的链路控制子层（LLC）子层 提供聚合服务
• LLC为应用层提供链路层服务
IEEE 802.15.4 协议栈架构
IEEE 802.15.4标准
• IEEE 802.15.4标准功能概述
• 超帧结构 • 数据传输模型 • MAC层帧结构 • 数据可靠传输机制 • 低功耗策略 • 数据的安全服务
•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
1600
ASK
250
868–868.6*
400
O-QPSK
100
50
5-bitSPSS
25
16-ary正交
902–928*
1000
O-QPSK
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
接收信标帧
发送信标帧
接收(incoming)超帧 不活跃时段 发送(outgoing)超帧
超帧持续时间长度(SD) 开始时间 > SD
超帧持续时间长度(SD) 信标帧周期(BI)
接收信标帧 不活跃时段
中间协调器接收和发送信标帧
IEEE 802.15.4标准
Ocets: 2
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；
• 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
• 目标：为在个人操作空间（POS）内相互连通的无线设备 提供通信标准。
• 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GTS支持； • 支持安全机制；