關(guān)于zigbee協(xié)議棧各層的系統(tǒng)分析

　　隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的大肆應(yīng)用；隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的爆發(fā)；隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)PAN（Personal Area Network）和無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)WPAN（Wireless Personal Area Network）的概念。WPAN網(wǎng)絡(luò)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無(wú)線連接，把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個(gè)設(shè)備通過(guò)無(wú)線方式連接在一起，使他們可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。

　　2001年8月成立的zigbee聯(lián)盟就是一個(gè)針對(duì)WPAN網(wǎng)絡(luò)而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于近距離、低復(fù)雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。他們開(kāi)發(fā)的技術(shù)被稱為zigbee技術(shù)，該技術(shù)希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動(dòng)化、工業(yè)設(shè)備監(jiān)測(cè)、PC外設(shè)、醫(yī)療傳感設(shè)備、玩具以及游戲等其他無(wú)線傳感和控制領(lǐng)域當(dāng)中。

　　1.1 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

　　zigbee聯(lián)盟已于2005年6月27日公布了第一份zigbee規(guī)范“zigbee SpecificaTIon V1.0”。這標(biāo)準(zhǔn)定義了在IEEE 802.15.4-2003物理層和標(biāo)準(zhǔn)媒體接入控制層上的網(wǎng)絡(luò)層及支持的應(yīng)用服務(wù)。zigbee聯(lián)盟的長(zhǎng)期目標(biāo)是能夠建立基于互操作平臺(tái)和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎(chǔ)架構(gòu)。

　　1.1.1 IEEE802.15.4協(xié)議框架

　　IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)。每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)SAP（Service Access Point）為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能。

　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)堆棧架構(gòu)是在OSI七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)市場(chǎng)和應(yīng)用的實(shí)際需要定義了，如圖2-1。其中，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了底層：物理層PHY（Physical Layer）和媒體訪問(wèn)控制子層MAC（Medium Access Control Sub-Layer）層。zigbee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層NWK（Network Layer），應(yīng)用層APL（ApplicaTIon Layer）架構(gòu)。其中應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層APS（ApplicaTIon Support Sub-Layer），應(yīng)用框架AF（ApplicaTIon Framework），zigbee設(shè)備對(duì)象ZDO（zigbee Device Objects）以及用戶定義應(yīng)用對(duì)象（Manufacturer-Defined Application Objects ）。［16］

　　IEEE 802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療ISM（Industrial、Scientific and Medical）頻段，定義了兩個(gè)物理層PHY，分別工作在兩個(gè)頻段上：868/915 MHz和2.4GHz。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz的歐洲頻段和915MHz的美國(guó)與澳大利亞等國(guó)的頻段。高頻段2.4GHz則全球通用。

　　IEEE 802.15.4 MAC層采用避免沖突多載波信道接入CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式，主要負(fù)責(zé)傳輸信標(biāo)幀，同步以及提供可信賴的傳輸機(jī)制。

　　1.1.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型

　　在W-PAN中有三種網(wǎng)絡(luò)角色：PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和設(shè)備。這三種角色在IEEE 802.15.4規(guī)范中分別對(duì)應(yīng)zigbee協(xié)調(diào)器ZC（zigbee Coordinator）、zigbee路由器ZR（zigbee Router）和終端設(shè)備ZED（zigbee End Device）。

　　協(xié)調(diào)器和路由器只能是全功能器件FFD。一個(gè)PAN的網(wǎng)絡(luò)中，至少要有一個(gè)全功能器件成網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，它可以看作是一個(gè)PAN的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（SINK節(jié)點(diǎn)），它是網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)，負(fù)責(zé)PAN網(wǎng)絡(luò)的初始化，確定PAN的ID號(hào)和PAN操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配，充當(dāng)信任中心和儲(chǔ)存安全密鑰，與其他網(wǎng)絡(luò)的連接等。協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡(luò)之后獲得一定的短地址空間。這個(gè)空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并分配短地址。當(dāng)然協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。在任何一個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上，所有設(shè)備都有一個(gè)唯一的64位IEEE長(zhǎng)地址，該地址可以在PAN中用于直接通信?；蛘弋?dāng)所有設(shè)備之間都已經(jīng)存在連接時(shí)，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)?6位的網(wǎng)絡(luò)短地址分配給PAN設(shè)備。因此在設(shè)備發(fā)起連接時(shí)采用的是64位的長(zhǎng)地址，只有連接成功后，系統(tǒng)分配了PAN的標(biāo)志符后，才能采用16位的短地址來(lái)通信。路由器可以只運(yùn)行一個(gè)存放有路由協(xié)議的精簡(jiǎn)協(xié)議棧，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能。

　　在網(wǎng)絡(luò)中最基本的節(jié)點(diǎn)就是終端節(jié)點(diǎn)ZED，一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)可以是全功能器件FFD或者是精簡(jiǎn)功能器件RFD。

　　1.2.1 IEEE 802.15.4

　　IEEE802.15.4包括用于低速無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)LR-WPAN的物理層PHY和媒體接入控制層MAC兩個(gè)規(guī)范。圖2-4給出了IEEE 802.15.4的分層參考模型。

　　1.2.1.1 IEEE 802.15.4 PHY層

　　物理層的作用主要是利用物理介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，負(fù)責(zé)處理數(shù)

　　據(jù)傳輸率并架空數(shù)據(jù)出錯(cuò)率，以便透明低傳送比特流。zigbee協(xié)議的物理層主要負(fù)責(zé)以下任務(wù)：

　?。?）啟動(dòng)和關(guān)閉RF收發(fā)器。

　?。?）信道能量檢測(cè)。

　?。?）對(duì)接收到的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行鏈路質(zhì)量指示LQI（Link Quality Indication）。

　　（4）為CSMA/CA算法提供空閑信道評(píng)估CCA（Clear Channel Assessment）。

　?。?）對(duì)通信信道頻率進(jìn)行選擇。

　?。?）數(shù)據(jù)包的傳輸和接收

　　IEEE 802.15.4的物理層定義了物理信道和MAC子層間的接口，提供數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無(wú)線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　1.2.1.2 IEEE 802.15.4 MAC層

　　IEEE 802.15.4媒體介入控制層的沿用了傳統(tǒng)無(wú)線局域網(wǎng)中的帶沖突避免的載波多路偵聽(tīng)訪問(wèn)技術(shù)CSMA/CA方式，以提高系統(tǒng)的兼容性。這種設(shè)計(jì)，不但使多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡(jiǎn)單，還可以實(shí)現(xiàn)非常有效的功耗管理。

　　MAC層完成的具體任務(wù)如下：

　　（1）協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀（Beacon）。

　?。?）普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步。

　　（3）支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（Association）和取消關(guān)聯(lián)（Disassociation）操作。

　?。?）為設(shè)備的安全性提供支持。

　?。?）使用CSMA-CA機(jī)制共享物理信道。

　?。?）處理和維護(hù)時(shí)隙保障GTS（Guaranteed Time Slot）機(jī)制。

　?。?）在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)鏈路。

　　在IEEE 802.15.4的MAC層中引入了超幀結(jié)構(gòu)和信標(biāo)幀的概念。這兩個(gè)概念的引入極大了方便了網(wǎng)絡(luò)管理，我們可以選用以超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備間的通信。每個(gè)超幀都以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀為始，在這個(gè)信標(biāo)幀中包含了超幀將持續(xù)的時(shí)間以及對(duì)這段時(shí)間的分配等信息。網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備接收到超幀開(kāi)始時(shí)的信標(biāo)幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務(wù)，例如進(jìn)入休眠狀態(tài)直到這個(gè)超幀結(jié)束。

　　MAC子層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)（MAC sub-layer management entity，MLME）。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確收發(fā)，后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)MAC子層協(xié)議相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)。