关于zigbee协议栈各层的系统分析

　　随着传感器网络的大肆应用；随着物联网概念的爆发；随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围内通信的要求，这样就出现了个人区域网络PAN（Personal Area Network）和无线个人区域网络WPAN（Wireless Personal Area Network）的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使他们可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。

　　2001年8月成立的zigbee联盟就是一个针对WPAN网络而成立的产业联盟。该联盟致力于近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术。他们开发的技术被称为zigbee技术，该技术希望被部署到商用电子、住宅及建筑自动化、工业设备监测、PC外设、医疗传感设备、玩具以及游戏等其他无线传感和控制领域当中。

　　1.1 IEEE802.15.4标准

　　zigbee联盟已于2005年6月27日公布了第一份zigbee规范“zigbee SpecificaTIon V1.0”。这标准定义了在IEEE 802.15.4-2003物理层和标准媒体接入控制层上的网络层及支持的应用服务。zigbee联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构。

　　1.1.1 IEEE802.15.4协议框架

　　IEEE802.15.4标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点SAP（Service Access Point）为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。

　　IEEE 802.15.4标准堆栈架构是在OSI七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要定义了，如图2-1。其中，IEEE 802.15.4标准定义了底层：物理层PHY（Physical Layer）和媒体访问控制子层MAC（Medium Access Control Sub-Layer）层。zigbee联盟在此基础上定义了网络层NWK（Network Layer），应用层APL（ApplicaTIon Layer）架构。其中应用层包括应用支持子层APS（ApplicaTIon Support Sub-Layer），应用框架AF（ApplicaTIon Framework），zigbee设备对象ZDO（zigbee Device Objects）以及用户定义应用对象（Manufacturer-Defined Application Objects ）。［16］

　　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

　　在W-PAN中有三种网络角色：PAN网络协调器、协调器和设备。这三种角色在IEEE 802.15.4规范中分别对应zigbee协调器ZC（zigbee Coordinator）、zigbee路由器ZR（zigbee Router）和终端设备ZED（zigbee End Device）。

　　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。

　　在网络中最基本的节点就是终端节点ZED，一个终端节点可以是全功能器件FFD或者是精简功能器件RFD。

　　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：

　　（1）启动和关闭RF收发器。

　　（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

　　IEEE 802.15.4的物理层定义了物理信道和MAC子层间的接口，提供数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库。

　　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。