关于zigbee协议栈各层的系统分析

关于zigbee协议栈各层的系统分析

1.1 IEEE802.15.4标准

1.1.1 IEEE802.15.4协议框架

IEEE 802.15.4工作在工业科学医疗ISM（Industrial、Scientific and Medical）频段，定义了两个物理层PHY，分别工作在两个频段上：868/915 MHz和2.4GHz。其中低频段物理层覆盖了868MHz的欧洲频段和915MHz的美国与澳大利亚等国的频段。高频段2.4GHz则全球通用。

IEEE 802.15.4 MAC层采用避免冲突多载波信道接入CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式，主要负责传输信标帧，同步以及提供可信赖的传输机制。

1.1.2 网络节点类型

协调器和路由器只能是全功能器件FFD。一个PAN的网络中，至少要有一个全功能器件成网络的协调器，它可以看作是一个PAN的网关节点（SINK节点），它是网络建立的起点，负责PAN网络的初始化，确定PAN的ID号和PAN操作的物理信道并统筹短地址分配，充当信任中心和储存安全密钥，与其他网络的连接等。协调器在加入网络之后获得一定的短地址空间。这个空间内，他有能力允许其他节点加入网络，并分配短地址。当然协调器还具备路由和数据转发的功能。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有一个唯一的64位IEEE长地址，该地址可以在PAN中用于直接通信。或者当所有设备之间都已经存在连接时，可以将其转变为16位的网络短地址分配给PAN设备。因此在设备发起连接时采用的是64位的长地址，只有连接成功后，系统分配了PAN的标志符后，才能采用16位的短地址来通信。路由器可以只运行一个存放有路由协议的精简协议栈，负责网络数据的路由，实现数据中转功能。

1.2.1 IEEE 802.15.4

IEEE802.15.4包括用于低速无线个人域网LR-WPAN的物理层PHY和媒体接入控制层MAC两个规范。图2-4给出了IEEE 802.15.4的分层参考模型。

1.2.1.1 IEEE 802.15.4 PHY层

物理层的作用主要是利用物理介质为数据链路层提供物理连接，负责处理数

据传输率并架空数据出错率，以便透明低传送比特流。zigbee协议的物理层主要负责以下任务：

（2）信道能量检测。

（3）对接收到的数据报进行链路质量指示LQI（Link Quality Indication）。

（4）为CSMA/CA算法提供空闲信道评估CCA（Clear Channel Assessment）。

（5）对通信信道频率进行选择。

（6）数据包的传输和接收

1.2.1.2 IEEE 802.15.4 MAC层

IEEE 802.15.4媒体介入控制层的沿用了传统无线局域网中的带冲突避免的载波多路侦听访问技术CSMA/CA方式，以提高系统的兼容性。这种设计，不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可以实现非常有效的功耗管理。

MAC层完成的具体任务如下：

（1）协调器产生并发送信标帧（Beacon）。

（2）普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步。

（3）支持PAN网络的关联（Association）和取消关联（Disassociation）操作。

（4）为设备的安全性提供支持。

（5）使用CSMA-CA机制共享物理信道。

（6）处理和维护时隙保障GTS（Guaranteed Time Slot）机制。

（7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的数据链路。

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（MAC sub-layer management entity，MLME）。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。

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