Zigbee: IEEE-802.15.4 协议解析

1. IEEE 802.15.4概述

IEEE 802.15.4工作组致力于定义一种供廉价固定的、便携或移动设备使用的，低复杂度、低成本、低功耗、低速率**的无线连接技术。第一个IEEE 802.15.4标准于2003年12月通过。随着无线个域网(WPAN)的推广和无线传感器网络(WSN)技术的发展，该标准得到了广泛应用与发展。IEEE802.15.4标准定义了在个人局域网中设备间通过射频方式进行相互通信的方式与协议。作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准，IEEE802.15.4在无线电频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、安全考虑等方面都做出了说明。协议模型划分为物理层(PHY)和I媒体访问控制层(MAC)两个子层进行实现。

2. IEEE 802.15.4 与 ZigBee

ZigBee是由ZigBee Alliance所主导的标准，定义了网络层、安全层应用层、以及各种应用产品的架构;而由IEEE所定制的802.15.4标准，则是定义了物理层及MAC层。

ZigBee 协议栈各层基本功能：

物理层 (PHY)： 指定了网络的接口组成、参数和运算。

MAC层：

遵循IEEE 802.15.4协议，负责：设备间无线数据链路的建立、维护和结束。确认模式的数据传送和接收。可选时隙，实现低延迟传输。支持各种网络拓扑结构。

网络层：

建立新的网络。处理节点的进入和离开网络。根据网络类型设置节点的协议堆栈。使网络协调器对节点分配地址。保证节点之间的同步。提供网络的路由。

安全层：

依靠相称性密匙保护。应用保护机制。合适的密码机制。相关的保密措施。

应用层：

由应用子层(APS)、设备对象(ZDO)以及制造商定义的应用设备对象组成。

APS子层：维护绑定表；在绑定设备间传输信息。 ZDO：
在网络中定义一个设备的作用。发现网络中的设备并确定它们能提供何种服务起始或回应绑定需求。在网络设备中建立一个安全的连接。制造商定义的应用对象：根据ZigBee定义应用说明执行实际的应用。

3. IEEE 802.15.4 物理层规范

功能：定义了物理信道和MAC子层间的接口，提供数据服务和**物理层管理服务。

数据服务负责从无线物理信道上收发数据；管理服务维护物理层相关数据库。

物理层频带与参数：

工作在无需执照的三个频带：868 MHz (欧洲) 、902 – 928 MHz (美洲)、2.4 GHz (全球)

868/915 MHz频段处理：
数据单元二进制数据 -> 差分编码 -> 每个位转换为长度为15的片序列 -> BPSK调制。 2.4 GHz频段处理：
数据单元二进制数据 (每4位 -> 一个符号) -> 每个符号转换成长度为32的片序列 (使用16个近似正交的PN序列映射表 – **直接序列扩频DSSS**) -> O-QPSK调制。

物理帧格式 (PPDU):

前导码：用于符号同步。起始分隔符：用于帧同步。物理头端：包含帧长度信息，指定PSDU的长度。物理服务数据单元：承载MAC帧数据负载。

4. IEEE 802.15.4 MAC层规范

功能：

提供MAC层数据服务保证MAC协议数据单元在物理层正确收发）。提供MAC层管理服务（维护MAC子层协议相关信息数据库）。引入了超帧结构 (Superframe) 和信标帧 (Beacon) 的概念，方便网络管理和低功耗操作。

网络设备与网络拓扑：

设备类型：
精简功能设备 (RFD, Reduced Function Device):
只支持星型拓扑。不能成为协调器 (Coordinator)。只能通过向协调器注册并连接后使用网络。功能简单，功耗低。不能申请GTS。 全功能设备 (FFD, Full Function Device):
可支持星型、树状（簇状）和网状拓扑。可以成为协调器 (Coordinator) 或网络协调器 (PAN Coordinator)。可以和任何类型的设备通信。可作为路由器。可以申请GTS。 设备角色：
端设备 (End Device)： (RFD 或 FFD) 只具有简单的收发功能，不能进行分组转发。协调器 (Coordinator)： (FFD) 通常发送信标实现同步，具有**分组转发功能。网络协调器 (PAN Coordinator): (FFD) 整个网络的主控节点，有且仅有一个。是网络的第一个设备 网络拓扑结构：
星型：所有设备直接与PAN Coordinator通信。RFD只能用于此拓扑。树状/簇状：分层结构，设备可与父节点或子节点通信，PAN Coordinator在顶端。网状：设备间可直接或通过多跳通信，具有自组织和自愈能力。由FFD组成。

MAC帧格式：

MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输帧组成：如上图地址格式：16位短地址和64位扩展地址帧控制字段的内容指示地址类型帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧

信标帧格式：

超帧字段：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问时断持续时间 GTS分配释放信息：将无竞争时断划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给某个设备 转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址 信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口

数据帧格式：

传输上层发送到MAC子层的数据 MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层MAC帧： MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息

确认帧格式：

如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位设置为1，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。

命令帧格式：

命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。命令帧有9种类型。命令帧的功能：把设备关联到PAN；与协调器交换数据；分配GTS。命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。

超帧结构：

在IEEE 802.15.4中，可以选用超帧为周期组织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开始，在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包含超帧结构的信标帧后，就可以根据其中的配置信息安排自己的任务。超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。

信标模式：

信标使能模式下，协议引入超帧的概念，实现协调器和设备的时间同步、识别PAN及实现设备之间的通信。
PAN通过定义信标帧的内容来实现对超帧的控制，并周期性的广播。网络采用严格的时间同步，分时隙进行通信。可以在CAP采用时隙CSMA/CA协议进行通信，在CFP采用时隙GTS机制进行通信。在信标不使能模式下，协议较为简单，并不采用超帧结构，设备通过无时隙的CSMA/CA机制发送数据。

CSMA/CA：

当某个节点有数据发送时，就采用时隙或者非时隙的ＣＳＭＡ/ＣＡ进行数据传输。在信标使能网络中，采用的是时隙ＣＳＭＡ/ＣＡ，要求设备的退避时隙的边界必须在超帧时隙的边界上，如果ＣＳＭＡ/ＣＡ机制的动作没有在超帧时隙的边界上完成，下一动作将延时到下一个超帧时隙的开始边界进行。在非信标使能网络中，采用的是非时隙ＣＳＭＡ/ＣＡ，此模式不需要设备在退避时隙同其他设备的退避时隙同步。

NB(后退次数，Number Of Back)
记录的是已执行back off 的次數，每执行一次此值就会加1。如果遇到使用CCA 去侦测频道为忙碌时，就必须要重新去随机取一个backoff，而此时NB 就会增加。NB 最大值为4 如果在这四次中侦测频道都为忙碌的话就放弃传送此资料，其是为了避免系统有过大的负担。 CW (碰撞窗口的长度，content window length)
其单位为backoff period 在IEEE 802.15.4 中的默认值为20 个symbols。其含义是必须执行几次侦测频道皆为闲置时才可将数据送出，初始值为2 会随着侦测到频道闲置而递减。 BE(后退指数，Backoff exponent)
是用來计算Backoff 时间的一个参数。其公式为： Backoff Time= 2 BE – 1。取值范围为0～5，协议推荐的默认值为3，最大值为5。当BE设为0时，则只进行一次碰撞检测。