基于ZigBee協(xié)議棧的PHY服務(wù)研究

引 言

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層基于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）基本參考模型。ISO/OSI 模型有 7層， 但ZigBee僅保留了對于組建低功耗、低數(shù)據(jù)率的無線網(wǎng)絡(luò)所需的功能層。物理層和媒體接入控制協(xié)議是在IEEE802.15.4 中描述的低速率無線個人局域網(wǎng)，在其定義的物理（PHY）層和媒體訪問控制（MAC）層基礎(chǔ)上制定的一種低速無線個域網(wǎng)（LR-WPAN）技術(shù)規(guī)范，所以 ZigBee協(xié)議棧的物理（PHY） 層和媒體訪問控制（MAC）層是按照 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來工作的，網(wǎng)絡(luò)（NWK）層和應(yīng)用（APL）層由 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義[1]。

1 PHY概述

IEEE802.15.4協(xié)議描述中分別有 2.4GHz物理 層和868/9l5MHz物理層兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)， 數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250kb/s。兩個物理層使用的傳輸方式都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻），簡稱直擴(kuò)方式（DS方式），在物理層使用相同的數(shù)據(jù)包格式，其低功耗、低成本的優(yōu)點使它在很多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[2]。在于調(diào)制方式、工作頻率、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率方面有所區(qū)別。2.4GHz 頻段申請的ISM頻段在全球范圍內(nèi)無需統(tǒng)一申請，有利于ZigBee設(shè)備降低生產(chǎn)成本和市場推廣；另外通過采用高階調(diào)制可以達(dá)到 250kb/s的傳輸速率，從而獲得極小的通信延時、極短的周期以及更大的吐吞量，從而ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點更加節(jié)電。歐洲的ISM頻段是 868MHz，美國的ISM頻段是 915MHz，引入868MHz及 915MHz這兩個頻段可以使2.4 GHz 附近的無線通信設(shè)備在不互相影響的條件下發(fā)出各自的頻率。這兩個頻段在無線信號傳輸過程由于表現(xiàn)出小損耗特點，因而擁有極廣的通信范圍，可以適當(dāng)降低接收機(jī)的靈敏度而不改變傳輸質(zhì)量，從而在給定區(qū)域用較少設(shè)備進(jìn)行有效覆蓋。

2 PHY 服務(wù)機(jī)制

PHY 層提供兩種類型的服務(wù) ：PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)和PHY 管理服務(wù)。PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)負(fù)責(zé)在射頻信道中收發(fā)PHY 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）。PHY 還有一個稱為物理層管理實體（PLME）的管理實體，通過PLME 可以喚醒PHY 管理功能。

（1）PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)總是以 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）的形式進(jìn)行傳輸。本地 MAC 需要傳輸數(shù)據(jù)時，就向PHY 提供一個MPDU. PHY 嘗試進(jìn)行傳輸，然后向 MAC 報告?zhèn)鬏斀Y(jié)果（成功或失?。?。當(dāng)射頻收發(fā)器收到數(shù)據(jù)后，PHY 層通知 MAC 層收到了一個MPDU。PHY 層不僅向 MAC 層提供 MPDU， 還向 MAC 層提供鏈路質(zhì)量指標(biāo)（LQI）信息。如圖 1 所示。

數(shù)據(jù)可以由MAC 層產(chǎn)生，更高層完全不知道這個數(shù)據(jù)的存在。數(shù)據(jù)由ZigBee 設(shè)備對象（ZDO）或應(yīng)用支持子層應(yīng)用對象產(chǎn)生。在傳輸過程中，每一層都對數(shù)據(jù)單元（DU）加入自己的頭部和尾部（如果允許），然后將該結(jié)果傳遞給下一個更低層。每一層的數(shù)據(jù)單元都以該層的名稱命名。在 APS 層和NWK層，數(shù)據(jù)單元分別被稱為APS協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）和 NWK協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）。PHY數(shù)據(jù)服務(wù)接收一個 MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）并創(chuàng)建將通過射頻傳輸?shù)?PHY 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）。在接收端，數(shù)據(jù)從某一層向上傳輸?shù)较乱粋€更高層，直到數(shù)據(jù)單元到達(dá)目的層頭部和尾部被刪除。

（2）PHY 管理服務(wù)

管理實體提供的管理服務(wù)有：信道能量檢測（ED）、鏈路質(zhì)量指示（LQI）、空閑信道評估（CCA）等。信道中接收信號的功率強(qiáng)度是由信道能量檢測來完成的，是為上層提供信道選擇的依據(jù) [3]。噪聲信號功率和有效信號功率之和作為信道檢測結(jié)果的依據(jù)，其檢測過程沒有進(jìn)行解碼操作。而鏈路質(zhì)量指示對檢測信號需要進(jìn)行解碼操作，生成一個信噪比的指標(biāo)值，為上層提供接收的無線信號的質(zhì)量和強(qiáng)度服務(wù)信息?？臻e信道評估主要評估信道指標(biāo)值是否空閑。

3 PHY服務(wù)實現(xiàn)

IEEE 802.15.4 和 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)使用原語的概念來描述服務(wù)，這些服務(wù)由上一層使用。相鄰協(xié)議層之間的通信是通過在層與層之間調(diào)用函數(shù)或傳遞原語來管理的。服務(wù)原語的概念是比較抽象的，要實現(xiàn)特定層提供的服務(wù)需要由它來指定需要傳遞的信息來完成。服務(wù)原語與具體的服務(wù)實現(xiàn)無關(guān)，服務(wù)原語有請求、通知、響應(yīng)、確認(rèn)4 種情況[4]，具體如下：

(1) 請求（request）原語。請求原語由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求方的用戶發(fā)送特定信息到它的服務(wù)提供層進(jìn)行響應(yīng)，請求啟動某一項服務(wù)。

(2) 通知（indication）原語。指示原語由網(wǎng)絡(luò)用戶的服務(wù)提供層發(fā)送到對應(yīng)服務(wù)響應(yīng)方用戶的相應(yīng)層，跟遠(yuǎn)端服務(wù)請求邏輯相關(guān)。

(3) 響應(yīng)（response）原語。響應(yīng)原語由服務(wù)響應(yīng)端的用戶發(fā)出信息到服務(wù)提供層，從而完成提示原語啟動的程序。

(4) 確認(rèn)（confirm）原語。驗證服務(wù)原語是由服務(wù)提供層發(fā)出并傳輸?shù)椒?wù)請求端的用戶方，該原語是確認(rèn)服務(wù)請求原語的傳遞結(jié)果。

在多用戶存在的網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)原語交換過程是兩個對等的用戶通過服務(wù)提供層交換信息，它們通過原語的傳遞，建立相關(guān)服務(wù)[5]。在其下一層提供服務(wù)的基礎(chǔ)上建立服務(wù)用戶的功能。層間信息傳輸流事件是離散的，是通過發(fā)送服務(wù)原語來實現(xiàn)事件的。協(xié)議使用服務(wù)原語來描述每一層的功能。每個原語指定要執(zhí)行的操作或者提供之前請求的操作結(jié)果。一個原語也可能攜帶執(zhí)行其任務(wù)所需的參數(shù)。如圖 2 所示。

如上圖，N+1 層為服務(wù)用戶、N 層為服務(wù)提供者，在 PHY 層數(shù)據(jù)服務(wù)中，PHY 數(shù)據(jù)請求（PD-Data. Request）原語由MAC 層產(chǎn)生，并傳遞給 PHY 層，以請求傳輸一個 MPDU。通知原語由第 N 層產(chǎn)生給其上一層，表明產(chǎn)生了一個對第 N+1 層很重要的事件。當(dāng)PHY 接收來自網(wǎng)絡(luò)上另一個設(shè)備的數(shù)據(jù)， 這些數(shù)據(jù)需要傳送到MAC 層，PHY 用戶使用PD-Data 的通知原語來傳送數(shù)據(jù)信息給MAC 層。

如果通知原語需要一個響應(yīng)，則響應(yīng)原語從 N+l 層傳送到第 N 層。PHY 層和 NWK 層沒有任何響應(yīng)原語。MAC 層和APL 層包含響應(yīng)原語。第 N 層使用確認(rèn)原語向第 N+1 層確認(rèn)其傳遞的請求原語已經(jīng)完成。PD-Data 的確認(rèn)原語由PHY 層實體產(chǎn)生并發(fā)給它的MAC 子層實體，以響應(yīng)一個PD-Data 的請求原語。在確認(rèn)時，PHY 層通知MAC 層傳輸是否成功。

4 結(jié) 語

PHY 層是最接近硬件的層，直接控制射頻收發(fā)器并與其通信。研究 PHY 服務(wù)機(jī)制及PHY 服務(wù)的實現(xiàn)原理對 ZigBee 在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要的基礎(chǔ)意義。