低功耗zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信分析研究畢業(yè)論文-資料下載頁

　　

【正文】 PHY 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDUs) ，物理層負(fù)責(zé)下面的任務(wù)：? 無線收發(fā)信機(jī)的激活和去激活；? 在當(dāng)前信道上的能量監(jiān)測(ED)；鏈路質(zhì)量指示(LQI) ，用在接收的數(shù)據(jù)上；? 清除信道估計(jì)(CCA)算法用在 CSMA/CA 技術(shù)中；? 信道頻率選擇；? 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。IEEE 在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調(diào)制方式等相關(guān)要求。在 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps，采用的是 16 相位正交調(diào)制技術(shù) (OQPSK)；在915MHz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 40kbps，采用的是帶有二進(jìn)制移耜鍵控(BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)；在 868MHz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 20kbps，采用的是帶有二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)。物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從 MAC 層到物理層無線信道的接疊。從圖 可以看到，在物理層中存在數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層管理實(shí)體服務(wù)的接入點(diǎn)。通過這兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)提供如下服務(wù)：通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)(PDSAP)為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；透過物理層管理實(shí)體 (PLME)服務(wù)的接入點(diǎn)(PLMESAP)為物理層管理提供服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)物理層實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)物理層個(gè)體網(wǎng)絡(luò)基本信息無線射頻服務(wù)接入點(diǎn)物理層物理層管理實(shí)體圖 物理層結(jié)構(gòu)模型表 給出了物理層數(shù)據(jù)包的格式。ZigBee 物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層載荷三部分組成。同步包頭由前同步碼(前導(dǎo)碼)和數(shù)據(jù)包(幀)定界符組成，用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整；物理層包頭指示載荷部分的長度，物理層載荷部分含有 MAC 層數(shù)據(jù)包，載荷部分的最大長度是 127 字節(jié)。如果數(shù)據(jù)包的長度類型為 5 字節(jié)或大于 8 字節(jié)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU) 攜帶 MAC 層的幀信息，即 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。表３．２物理層數(shù)據(jù)包格式4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 變量前同步碼 幀定界符 真長度（7 位） 預(yù)留位（1 位） ＰＳＤＵ同步包頭 物理層包頭 物理層凈荷 IEEE 媒介接入控制層(MAC)在 IEEE 802 系列中，OSI 參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層又被分力 MAC 和 LLC 兩個(gè)子層。MAC 子層便用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備之間提供面向連接(關(guān)聯(lián)) 和非連接(取消關(guān)聯(lián)) 的服務(wù)。 IEEE MAC 子層實(shí)現(xiàn)包括設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和斷開。確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗(yàn)與快速自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)(ARQ)，預(yù)留時(shí)隙管理以及廣播信息管理等。MAC 子層處理所有物理層無線信道的接入，其主要工作有：? 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀；? 支持個(gè)域網(wǎng)(PAN)關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；? 為設(shè)備的安全提供支持；? 與網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)同步；? 信道接入方式采用載波監(jiān)聽多址接入—沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制? 處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制；? 在兩個(gè)對(duì)等的 MAC 實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。MAC 層在服務(wù)協(xié)議匯聚層(SSCS)和物理層之間提供了一個(gè)接口，MAC 層提供了一個(gè)稱之為 MLME 的管理實(shí)體，該實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接口可調(diào)用 MAC 層管理功能，該實(shí)體還負(fù)責(zé)維護(hù) MAC 層固有的管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫。從圖 可以看出，在MAC 層兩個(gè)不同服務(wù)的接入點(diǎn)提供了兩個(gè)不同的 MAC 層服務(wù)：MAC 層通過它的公共部分子層服務(wù)接入點(diǎn)為它提供數(shù)據(jù)服務(wù)；MAC 層通過它的管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)為它提供管理服務(wù)。M A C 公共部分子層服務(wù)接入點(diǎn)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn) 物理層管理實(shí)體接入點(diǎn)M A C 管理實(shí)體服務(wù)節(jié)點(diǎn)M A C 層個(gè)域網(wǎng)信息庫M A C 公共部分子層M A C 層管理實(shí)體圖 　ＭＡＣ層結(jié)構(gòu)模型表 給出了 MAC 子層的數(shù)據(jù)包格式。MAC 子層數(shù)據(jù)包由 MAC 子層幀頭(MHR， MAC Header)、MAC 子層載荷和 MAC 子層幀尾(MFR，MAC Footer)組成。MAC 子層幀頭由 2 字節(jié)的幀控制域、1 字節(jié)的幀序號(hào)域和最多 20 字節(jié)的地址域組成。幀控制域指明了 MAC 幀的類型、地址域的格式以及是否需要接收方確認(rèn)等控制信息；幀序號(hào)域包含了發(fā)送方對(duì)幀的順序編號(hào)，用于匹配確認(rèn)幀，實(shí)現(xiàn) MAC 子層的可靠傳輸；地址域采用的尋址方式可以是 64 位的 IEEE MAC 地址或者 8 位的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)地址。表 MAC 層數(shù)據(jù)包格式2 字節(jié) 1 字節(jié) 0/2 字節(jié) 0/2/8 字節(jié) 0/2 字節(jié) 0/2/8 字節(jié) 可變2 字節(jié)幀控制 序列號(hào)目的PAN 標(biāo)識(shí)符目的地址 源 PAN標(biāo)識(shí)符 源地址 幀載荷 FCSMHR(MAC 層幀頭) MAC 載荷 MFR ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層(NWK)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保 ZigBee 的 MAC 層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了向應(yīng)用層提供接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)功能服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體，如圖 所示。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDESAP) 提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLMESAP) 提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫的維護(hù)和管理。圖 網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)絡(luò)層通過 MCPSSAP 和 MLMESAP 接口為 MAC 層提供接口，通過 NLDESAP 與 NLMESAP 接口為應(yīng)用層提供接口服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，允許應(yīng)用與協(xié)議棧相互作用。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供如下服務(wù)：配置一個(gè)新設(shè)備；初始化網(wǎng)絡(luò)；加入或離開網(wǎng)絡(luò)；尋址；鄰居設(shè)備發(fā)現(xiàn)；路由發(fā)現(xiàn)和接收控制。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體為數(shù)據(jù)提供服務(wù)。在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)時(shí)，將按照應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)的格式進(jìn)行傳送，并且這些設(shè)備必須在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，即在同一個(gè)內(nèi)部個(gè)域網(wǎng)中。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供如下服務(wù)：生成網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)；指定拓?fù)鋫鬏斅酚伞＞W(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)即網(wǎng)絡(luò)層幀的結(jié)構(gòu)，如表 所示。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)( 幀結(jié)構(gòu) )的基本組成部分是：網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭，包含幀控制、地址和序列信息；網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長有效載荷，包含幀類型所指定的信息。下圖表示的是網(wǎng)絡(luò)層的通用幀結(jié)構(gòu)，不是所有的幀都包含地址和序列域。有的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中也定義了數(shù)據(jù)幀和網(wǎng)絡(luò)層命令幀。表 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包格式2 字節(jié)2 字節(jié)2 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 0/8 0/8 0/1 變長 變長幀控制目的地址源地址廣播半徑域廣播序列號(hào)目的地址源地址多點(diǎn)傳送控制源路由幀幀的有效載荷網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭 網(wǎng)絡(luò)層有效 載荷 ZigBee 應(yīng)用層(API)ZigBee 應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持層(APS)、ZigBee 設(shè)備對(duì)象(ZDO)和制造商所定義的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持層的功能包括維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送信息。ZigBee 設(shè)備對(duì)象的功能包括定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并且決定它們提供何種應(yīng)用服務(wù)。ZigBee 應(yīng)用層除了提供一些必要的函數(shù)以及為網(wǎng)絡(luò)層提供合適的服務(wù)接口外，一個(gè)重要的功能就是應(yīng)用者可在這層定義自己的應(yīng)用對(duì)象。1．應(yīng)用支持子層(APS)APS 負(fù)責(zé)如下工作：表格綁定；綁定設(shè)備間信息發(fā)送；組地址的定義與管理；64 位長地址映射到 16 位網(wǎng)絡(luò)地址；包的分組與組裝；數(shù)據(jù)可靠傳輸。需求水平和服務(wù)水平接口的關(guān)鍵是設(shè)備的綁定。綁定表保存在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器中。綁定表能把源地址和源端點(diǎn)映射到一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)地址和目標(biāo)端點(diǎn)。一組綁定設(shè)備的簇 ID 號(hào)相同。2．應(yīng)用框架應(yīng)用框架是應(yīng)用對(duì)象發(fā)包和收包的執(zhí)行環(huán)境。應(yīng)用對(duì)象由 ZigBee 設(shè)備制造商定義。應(yīng)用對(duì)象處于應(yīng)用層的頂部，由設(shè)備制造商所決定。應(yīng)用對(duì)象執(zhí)行具體應(yīng)用。應(yīng)用對(duì)象可以是燈泡、燈開關(guān)、LED、I/O 線等。應(yīng)用層面由應(yīng)用對(duì)象運(yùn)行。每個(gè)應(yīng)用對(duì)象通過相應(yīng)的端點(diǎn)尋址，端點(diǎn)號(hào)范圍從 1 號(hào)到 240 號(hào)。0 號(hào)端點(diǎn)是 ZigBee 設(shè)備對(duì)象的地址，255 號(hào)端點(diǎn)是廣播地址，信息能發(fā)送到特定節(jié)點(diǎn)的所有端點(diǎn)。241 號(hào)—254 號(hào)端點(diǎn)預(yù)留作未來使用。3．ZigBee 設(shè)備對(duì)象(ZDO)ZDO 負(fù)責(zé)所有設(shè)備的管理。具體來說，ZDO 負(fù)責(zé)開啟應(yīng)用支持子層和網(wǎng)絡(luò)層；定義設(shè)備的工作模式，如：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備；發(fā)現(xiàn)設(shè)備和確定設(shè)備提供什么應(yīng)用服務(wù)；發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求；安全管理。設(shè)備發(fā)現(xiàn)只能由協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)起。終端設(shè)備響應(yīng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)查詢后，根據(jù)請(qǐng)求發(fā)送自己的 IEEE 地址或網(wǎng)絡(luò)地址。協(xié)調(diào)器或路由器發(fā)送自己的 IEEE 地址或發(fā)送附加上關(guān)聯(lián)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址的網(wǎng)絡(luò)地址。(如果設(shè)備是協(xié)調(diào)器或路由器的子節(jié)點(diǎn)，設(shè)備就會(huì)關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)器或路由器。)設(shè)備發(fā)現(xiàn)允許 adhoc 網(wǎng)絡(luò)和自愈網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)發(fā)現(xiàn)是每個(gè)節(jié)點(diǎn)找出服務(wù)適合什么應(yīng)用的過程。這條信息然后用在綁定表中關(guān)聯(lián)提供服務(wù)的設(shè)備和需要服務(wù)的設(shè)備。4．ZigBee 配置文件ZigBee 配置文件，也稱為層面，是不同設(shè)備上應(yīng)用之間信息處理的協(xié)定，是應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用領(lǐng)域接口所需要的設(shè)備描述。配置文件描述了邏輯組件和接口，為不同制造商提供了互用性。例如，家庭燈光配置文件方便了一家制造商生產(chǎn)的無線開關(guān)去控制另一家制造商生產(chǎn)的照明設(shè)備。配置文件分為三種：公共層面(或標(biāo)準(zhǔn)層面)、私立層面和出版層面。公共層面由 ZigBee 聯(lián)盟管理，私立層面由 ZigBee 產(chǎn)品賣主定義，進(jìn)行使用的限制。如果層面的所有者出版了層面，那么私立層面就轉(zhuǎn)變成出版層面 [6]。 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)ZigBee 協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過服務(wù)接入點(diǎn) SAP 相連接的。每一層都可以通過本層和下一層的 SAP 調(diào)用下層所提供的服務(wù)，同時(shí)通過與上層的SAP 通信，為上層提供相應(yīng)服務(wù)。SAP 是層與層之間的唯一接口，而具體的服務(wù)是以通信原語的形式供層與層之間調(diào)用。在調(diào)用下層服務(wù)時(shí)，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語。這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。層與層之間的通信原語分為以下四種，它們之間的關(guān)系如圖 所示 [12]。圖 服務(wù)原語Request：請(qǐng)求原語，用于上層向本層請(qǐng)求指定的服務(wù)。Confirm：確認(rèn)原語，用于本層響應(yīng)上層發(fā)出的請(qǐng)求原語。Indication：指示原語，本層發(fā)給上層，用來指示本層的某一內(nèi)部事件。Response：響應(yīng)原語，用于上層響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為管理服務(wù)實(shí)體和數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體。管理服務(wù)實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLMESAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，并允許應(yīng)用和堆棧相互作用。數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體生成協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，并通過數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDESAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。 網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù) (1)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的建立建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的過程從 原語的使用開始。只有那些可以成為 ZigBee 協(xié)調(diào)器并且當(dāng)前沒有加入任何網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備才能建立新網(wǎng)絡(luò)。如果該程序已經(jīng)在其他設(shè)備中開始運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)就必須結(jié)束該程序，并通知上一層屬于非法請(qǐng)求。這一過程通過發(fā)送 原語，并設(shè)置其狀態(tài)參數(shù)為 來實(shí)現(xiàn)。過程啟動(dòng)以后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體首先要求 MAC 層對(duì)任意指定的一系列信道，缺省條件對(duì)所有有效的信道進(jìn)行能量掃描，尋找可能存在的網(wǎng)絡(luò)。信道掃描通過發(fā)送 原語到 MAC 層，將 ScanType 參數(shù)設(shè)置為能量掃描。MAC層將結(jié)果有 原語傳回網(wǎng)絡(luò)層(NWK)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體根據(jù)能量檢測來對(duì)這些信道進(jìn)行排序，并忽略一些能量值低于某一可接受水平的信道。然后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體發(fā)送 原語進(jìn)行主動(dòng)掃描，需要將ScanType 參數(shù)設(shè)置成主動(dòng)掃描并把 ChannelList 設(shè)置成可接受信道，用以尋找其他的 ZigBee 設(shè)備。為了選取建立新網(wǎng)絡(luò)的最佳信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體需要尋找現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)數(shù)量最少的第一個(gè)信道。如果沒有發(fā)現(xiàn)合適的信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就要結(jié)束該程序并通知上一層網(wǎng)絡(luò)建立失敗。如果發(fā)現(xiàn)了合適的信道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就要為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè) PAN 標(biāo)識(shí)符。首先要檢查可選的 PANID 參數(shù)是否在指定的 原語中被指定。如果存在并且沒有與現(xiàn)有的 PANID 沖突，這個(gè)值就成為新網(wǎng)絡(luò)的PANID。否則設(shè)備會(huì)選擇一個(gè)隨機(jī)的 PAN 標(biāo)識(shí)符。一旦網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體做出選擇，它就要通過發(fā)送 原語把 MAC 層的 macPANID 屬性設(shè)置為該值。PAN 標(biāo)識(shí)符被選定后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體就要選擇一個(gè) 16 位的網(wǎng)絡(luò)地址并設(shè)置 MAC層的 maeShortAddress 屬性與該網(wǎng)絡(luò)地址一致。如果該網(wǎng)絡(luò)地址被選定，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體發(fā)送 原語給 MAC 層以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)幀格式。按照 NLME 原語、信道掃描結(jié)果和選定的 PAN 標(biāo)識(shí)符提供的信息設(shè)置 原語的參數(shù)。PAN 狀態(tài)通過 原語傳回網(wǎng)絡(luò)層。一旦接收到 PAN 啟動(dòng)的狀態(tài)值，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通知上層網(wǎng)絡(luò)實(shí)體初始化ZigBee 協(xié)調(diào)器的要求，發(fā)送 原語(狀態(tài)參量設(shè)成 原語從 MAC 層返回的值)。 (2)允許設(shè)備 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)的過程由 原語開始。只有ZigBee 協(xié)調(diào)器和 ZigBee 路由器才能允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。如果該程序己經(jīng)在其他任意設(shè)備上被運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)層