《物联网技术与应用(第2版)》第6章 无线传感器网络协议规范与通信技术

表1 IEEE802.15.4标准的信道特性
物理层 （MHz）
868/915
2400
扩频参数
频段 （MHz）
868～ 868.6
码片速 率
（Kchip/ s）
300
调制 方式
BPSK
902～928 600 BPSK
2400～ 2483.5
2000
QQPSK
数据参数
比特率 (kbps)
符号速 率 符号特
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设备向外发送数据。这个与 RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器 （Coordinator）。
PAN网络协调器(PAN coordinator)，是LR-WPAN网络 中的主控制器。PAN网络协调器除了直接参与应用 外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以 及分组转发等任务。
PD-SAP
物理层 PHY
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PLME-SAP
物理层管理实体 PLME
PHY PIB
RF-SAP
图6-3 PHY模型
IEEE802.15.4标准规定物理层主要有以下功能： (1)激活或休眠无线收发器； (2) 对当前信道进行能量检测； (3) 发送链路质量指示； (4) CSMA/CA媒质访问控制方式的空闲信道评估； (5) 信道频率的选择； (6) 数据接收与发送。
特点： 1）在不同的载波频率下实现了20 Kbps、40 Kbps和250
Kbps三种不同传输速率； 2）支持星形和点对点两种网络拓扑结构； 3）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； 4）支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA/CA)； 5）支持确认(ACK)机制，保证传输可靠性。
信道能量检测：为上层提供信道选择的依据，主要 是测量目标信道中接收信号的功率强度。该检测本 身不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪 声信号功率之和。
链路质量指示：为上层服务提供接收数据时无线信 号的强度和质量信息，它要对检测信号进行解码， 生成一个信噪比指标。
空闲信道评估：判断信道是否空闲。IEEE802.15.4标 准定义了三种空闲信道评估模式：
物联网
第六章 无线传感器网络协议规范与 通信技术
本章内容：
IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4网络结构 Zigbee协议规范 无线传感器网络组网 无线传感器网络的开发与应用 无线传感器网络应用实例-环境监测
6.1 IEEE 802.15.4标准
IEEE802.15.4标准是低速无线个域网（LR-WPAN， Low Rate Wireless Personal Area Network）进行短距离 无线通信的IEEE标准。
IEEE 802.15.4网络设备的数量以及它们之间关系是动 态变化的。
网络协 调器
网络协 调器
RFD FFD
信道
图6-1 IEEE 802.15.4网络组件及拓扑关系
IEEE802.15.4通信协议主要是描述和定义物理层和 MAC层的标准。
物理层：实现无线传感器网络的通信架构的基础
MAC层：用来处理所有对物理层的访问，并负责完 成信标的同步、支持个域网络关联和去关联、提供 MAC实体间的可靠连接、执行信道接入CSMA/CA机 制等任务。
6.2.1 物理层
物理层定义了无线信道和MAC子层之间的接口，提 供物理层数据传输和物理层管理服务。
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：包括信道能量监测（Energy Detect,
ED），链接质量指示（Link Quality Indication, LQI） 和空闲信道评估（Clear Channel Assessment, CCA）等。
F 2405 5(k 11)MHz
k 0
k 1, 2 10
k 11,12 26
式中：k 为信道编号，F为信道对应的中心频率。
在PHY层的有关参数中，有以下四个重要参数需要注意：
传输能量（Power）：约1 ；
传输中心频率的兼容性即频m率W稳定度（标识了无线解码
器工作频率的稳定程度）：约 （part per million，百
(ksymbol 征
/s)
20
20 二进制
40
40 二进制
250
62.5
十六进 制
IEEE802.15.4标准定义了27个物理信道，信道编号从0 到26，每个具体的信道对应一个中心频率，这27个物 理信道覆盖了表1中的三个不同频段。
中心频率定义如下：
F 868.3MHz
F 906 2(k 1)MHz
IEEE802.15.4标准也采用了满足国际标准组织（ISO） 开放系统互连（OSI）参考模型的分层结构，定义了 单一的MAC层和多样的物理层。
上层协议
IEEE 802.2 逻辑 链路类型 LLC
业务特定汇聚子 层SSCS
其他逻辑链路 控制标准
介质访问层 MAC
物理层 PHY
图6-2 IEEE 802.15.4 标准体系层次图
万分比）；
40 ppm
接收器感度：
，
，
分组差错率（85dBm(2450MHz) ）92；dBm(868 / 915MHz) 1%
接收信号强度指示PS的DU测量2（0BRSSI）。
物理层载波调制及扩频
物理层三个不同的频段上数据传输速率、信号处理 过程和调制方式等指标都是不同的。
（1）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；
（2）判断无线信号特征，该特征包含两个方面，即扩 频信号特征和载波频率；
（3）前两种方法的综合，同时检测信号强度和特征， 判断信道是否空闲。
IEEE802.15.4 工作频段 （1）2400～2483.5MHz （2）902～928MHz （3）868～868.6MHz
6.2 IEEE 802.15.4网络结构
IEEE 802.15.4网络是指在一个个人操作空间（POS） 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。
全功能设备（Full Function Device，FFD） 精简功能设备（Reduced Function Device, RFD） FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通