802.15.4协议规范(物理层)

IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层IEEE 802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型（OSI），如图5-4所示，每一层都；实现一部分通信功能，并向高层提供服务。

IEEE 802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。

PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。

MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。

MAC子层以上的几个层次，包括特定服务的聚合子层（service specific convergence sublayer, SSCS），链路控制子层（logical link control , LLC）等，只是IEEE 802.15.4标准可能的上层协议，并不在IEEE 802.15.4标准的定义范围之内。

SSCS为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的LLC子层提供聚合服务。

LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE 802.15.4网络，为应用层提供链路层服务。

5.3.1物理层物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层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由物理层相关数据组成的数据库。

物理层数据服务包括以下五方面的功能：（1）激活和休眠射频收发器；（2）信道能量检测（energy detect）；（3）检测接收数据包的链路质量指示（link quality indication , LQI）；（4）空闲信道评估（clear channel assessment, CCA）；（5）收发数据。

信道能量检测为网络层提供信道选择依据。

它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。

链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。

基于IEEE 802.15.4的IPv6协议栈随着互联网的普及，Internet对人们生活方式的影响越来越巨大，并将继续在未来得各领域持续发挥其影响力，集成了网络技术，嵌入式技术、微机电系统（MEMS）及传感器技术的无线传感器网络将Internet为从虚拟世界延伸到物理世界，从而将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变了人与自然交互的方式，满足了人们对“无处不在”的网络的需求。

2000年12月IEEE成立了IEEE 802.15.4 工作组，致力于定义一种供廉价、固定、便捷或移动设备使用的，复杂度、成本和功耗极低的低速率无线连接技术，产品的方便灵活，易于连接、实用可靠及可继承延续是市场的驱动力，一般认为短距离的无线低功耗通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是IEEE 802.15.4标准的主要市场对象。

一方面，无线传感器网络具有“无处不在”和节点数量庞大等特点，部署无线传感器网络需要数量巨大的IP地址资源，另一方面，由于无线传感器网络的应用领域往往对安全性要求较高，而无线传感器网络自组织的先天性缺乏应有的安全机制，IPv6作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，可以满足无线传感器网络在地址和安全方面的需求，所以IETF于2004年11月成立了一个6LowPan（IPv6 over IEEE 802.15.4或IPv6 over LR_PAN）工作组，它规定了6lowPan技术底层采取IEEE 802.15.4，MAC层以上采取IPv6协议栈，致力于如何将Ipv6与IEEE 802.15.4展开，实现Ipv6数据包在IEEE 802.15.4上的传输，研究基于IPv6 over IEEE 802.15.4的无线传感器网络的关键问题。

目前这方面研究成为了一个很活跃的方向，其中，通过分析无线传感器网络对IPv6协议栈基本需求，借助协议工程学理论和软件工程的方法，设计并实现体积小、功能全、效率高，适用于IPv6无线传感器网络节点的嵌入式IPv6协议栈，已经成为一个很关键的问题。

IEEE802.15.4协议目的何在？IEEE802.15.4标准旨在提供一种无线个人域网（WPANs）用于在相对较短距离的数据传输，和无线局域网(WLANs)不同，通过WPANs实现的连接只涉及很少或根本不涉及基础设施，因此具备小型、节能、低成本的特性，适用于各种设备的解决方案。

IEEE802.15.4协议有何特点？●无线数据传输的速率包括250kb/s、100kb/s、40kb/s、20kb/s●支持星型和点对点两种网络拓扑●有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球唯一的扩展地址●可选的有保证时隙（（GTSs）●载波侦听多路访问/冲突避免（carrier sense multiple access with collisionavoidance,CSMA-CA）●支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性●具备低功耗●具备信道能量检测（ED）●具备链路质量指示（LQI）工作于2.4G ISM频段的16个信道，915频段的30个信道，868频段的3个信道设备类型有哪些？在IEEE802.15.4网络中根据设备具备的通信能力可以分为，全功能设备（Full Function Device,FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device,RFD）。

FFD以协调器、（PAN）协调器、设备等三种角色运行在网络中。

FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信，RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。

RFD适用于非常简单的应用，如光开关或被动红外传感器，它们不需要发送大量数据，一次可能只与一个FFD关联，因此RFD可以使用最小的资源和内存容量来实现。

网络拓扑结构IEEE802.15.4网络包括星型和对等两种网络拓扑结构如下图所示：全功能设备（FullFunction Device,FFD）○精简功能设备（Reduced Function Device,RFD）←→通信流程在星型结构中，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信，这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。

802.15.4简介802.15.4包括用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层两个规范。

它能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间（10m直径或更小）工作的简单器件。

802.15.4支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。

但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。

LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在关联过程中指配的16位短地址。

一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。

下面分别介绍802.15.4的主要特点。

１．工作频段和数据速率802.15.4工作在工业科学医疗(ISM)频段，它定义了两个物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。

免许可证的2.4GHz ISM频段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有。

在802.15.4中，总共分配了27个具有三种速率的信道：在2.4GHz频段有16个速率为250Kbit/s(或62.5 K symbol/s)的信道，在915 MHz频段有10个40 Kbit/s（或40 K symbol/s）的信道，在868MHz频段有1个20 Kbit/s（或20 K symbol/s）的信道。

ISM频段全球都有的特点不仅免除了802.15.4器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。

这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。

在保持简单性的同时，802.15.4还试图提供设计上的灵活性。

一个802.15.4网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在２７个信道中选择一个工作信道。

从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。

例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250 Kbit/s，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20 Kbit/s这样的低速率就能满足要求。

用户名:密码:登录注册查看文章IEEE 802.15.4标准及其应用2011-06-28 20:10清水绿竹清清流水 绿色竹林主页博客相册个人档案好友i贴吧概 述 在《电子设计应用》创刊号中，笔者已经介绍了无线个人网络(WPAN)和无线分布式感知/控制网络(WDSCN)。

与其他的网络一样，WPAN 和WDSCN 网络中的网络设备可能会由不同的公司进行开发生产，所以一个统一的协议或标准显得尤其重要。

2002年，IEEE 802.15 工作组成立, 专门从事WPAN 标准化工作。

它的任务是开发一套适用于短程无线通信的标准，通常我们称之为无线个人局域网(WPANs)。

目前，IEEE 802.15 WPAN 共拥有4个工作组：蓝牙WPAN 工作组 蓝牙是无线个人局域网的先驱。

在初始阶段，IEEE 并没有制定蓝牙相关的标准，所以经过一段快速发展时期后，蓝牙很快就有了产品兼容性的问题。

现在，IEEE 决定制定行业标准来开发能够相互兼容的蓝牙芯片、网络和产品。

图1 802.15.4标准的结构图2 802.15.4的MAC 层数据帧共存组 为所有工作在2.4GHz 频带上的无线应用建立一个标准。

高数据率 WPAN 工作组 其802.15.3标准适用于高质量要求的多媒体应用领域。

802.15.4工作组 为了满足低功耗、低成本的无线网络要求，IEEE 标准委员会在2000年12月份正式批准并成立了802.15.4工作组，任务就是开发一个低数据率的 WPAN(LR-WPAN)标准。

它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据率的传输。

表1中概 括了一些802.15.4的特点。

目前该标准仍处于不断改善和修订阶段，预计于2003年初推出正式标准。

802.15.4无线发射/接收机及网络被Motorola 、Philips 、Eaton 、Invensys 和Honeywell 这些国际通信与工业控制界巨头们极力推崇。

802.15.4协议802.15.4是一种低功耗无线个人局域网（WPAN）协议，由IEEE（国际电气电子工程师协会）制定。

该协议为低功耗设备之间提供了一种简单、低成本的通信解决方案，适用于各种物联网（IoT）应用。

协议概述802.15.4协议定义了物理层和媒体访问控制（MAC）层规范，用于在低功耗、低速率的无线网络中实现设备之间的通信。

该协议支持多种网络拓扑结构，如星型、树型和网状网络。

物理层规范802.15.4协议使用ISM频段（Industrial, Scientific and Medical，工业、科学和医疗频段），包括2.4GHz频段和868/915MHz频段。

其中2.4GHz频段是最常用的频段，具有全球范围内的可用性。

协议支持多种调制方式和数据速率，例如O-QPSK调制和250kbps的数据速率。

MAC层规范802.15.4协议的MAC层规范定义了一套用于媒体访问控制和网络管理的协议。

MAC层使用了CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，载波监听多点接入/冲突避免）机制来实现多节点之间的无冲突数据传输。

协议规定了两种不同的MAC层工作模式：非信标模式和信标模式。

非信标模式中，节点可以根据需要自由发送和接收数据；信标模式中，网络中存在一个信标节点，用于同步和调度其他节点的通信。

网络拓扑结构802.15.4协议支持多种网络拓扑结构，以满足不同应用场景的需求。

1.星型网络：所有节点直接连接到一个中心节点，中心节点负责网络的管理和调度。

2.树型网络：节点之间以层级结构组织，根节点负责网络管理，并通过中间节点转发数据。

3.网状网络：节点之间可以直接通信，没有中心节点，数据可以通过多个路径传输。

适用场景802.15.4协议在物联网应用中具有广泛的应用前景。

1.家庭自动化：通过无线传感器和执行器，实现家庭设备的智能控制，如灯光、温度、安防等。

基于IEEE802.15.4的IPv6协议栈随着互联网的普及，Internet对人们生活方式的影响越来越巨大，并将继续在未来得各领域持续发挥其影响力，集成了网络技术，嵌入式技术、微机电系统（MEMS）及传感器技术的无线传感器网络将Internet为从虚拟世界延伸到物理世界，从而将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，改变了人与自然交互的方式，满足了人们对“无处不在”的网络的需求。

2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组，致力于定义一种供廉价、固定、便捷或移动设备使用的，复杂度、成本和功耗极低的低速率无线连接技术，产品的方便灵活，易于连接、实用可靠及可继承延续是市场的驱动力，一般认为短距离的无线低功耗通信技术最适合传感器网络使用，传感器网络是IEEE802.15.4标准的主要市场对象。

一方面，无线传感器网络具有“无处不在”和节点数量庞大等特点，部署无线传感器网络需要数量巨大的IP地址资源，另一方面，由于无线传感器网络的应用领域往往对安全性要求较高，而无线传感器网络自组织的先天性缺乏应有的安全机制，IPv6作为下一代网络协议，具有地址资源丰富、地址自动配置、安全性高、移动性好等优点，可以满足无线传感器网络在地址和安全方面的需求，所以IETF于2004年11月成立了一个6LowPan（IPv6over IEEE802.15.4或IPv6over LR_PAN）工作组，它规定了6lowPan技术底层采取IEEE802.15.4，MAC层以上采取IPv6协议栈，致力于如何将Ipv6与IEEE802.15.4展开，实现Ipv6数据包在IEEE802.15.4上的传输，研究基于IPv6over IEEE802.15.4的无线传感器网络的关键问题。

目前这方面研究成为了一个很活跃的方向，其中，通过分析无线传感器网络对IPv6协议栈基本需求，借助协议工程学理论和软件工程的方法，设计并实现体积小、功能全、效率高，适用于IPv6无线传感器网络节点的嵌入式IPv6协议栈，已经成为一个很关键的问题。

802.15.4协议规范（物理层）IEEE802.15.4-2003协议规范规定了一个MAC层和两个PHY层。

802.15.4的主要协议框架如图所示。

这边只介绍物理层。

802.15.4协议架构1．协议概述在LR WPAN（无线个人区域网）中，存在两种不同类型的设备，一种是完整功能设备（FFD），一种是简化功能设备（RFD）。

FFD可以同时和多个RFD或FFD进行通信，所以常作为协调器，而RFD只能和一个FFD进行通信。

一个网络中至少有一个FFD作为PAN 主协调器。

LR WPAN网络中根据不同需要有两种网络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。

星型拓扑结构由一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是一个具有完整功能的设备，从设备可以是FFD也可以是RFD。

在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信，任何一个设备都可以定义为PAN 主协调器。

无论是星型拓扑还是对等拓扑网络结构。

每一个独立的PAN都以一个标识符以确保唯一性。

在设备发起连接时，可采用64位的长地址，只有在连接成功时，系统分配了PAN的标识符后，才能采用16位的短地址码进行连接。

在LR WPAN中，允许有选择性的使用超帧结构，超帧的格式由主协调器来定义，它分为16个大小相等的时隙，其中第一个时隙为PAN的信标帧。

任何从设备如果想在两个信标之间的竞争接入期间（CAP）进行通信，则需要使用具有时隙和免冲突载波检测多路接入（CSMA CA）机制同其他设备进行竞争通信。

在一些特殊情况下，可采用PAN主协调器的超帧中的一部分来完成这些特殊要求。

这部分称为保护时隙（GTS）。

多个保护时隙构成一个免竞争时期（CFP），但最多可分配7个GTS。

因为有足够的CAP空间保证为其他网络设备和其他希望加入网络的新设备提供竞争接入的机会。

有无GTS的超帧结构分别如下所示。

timetime无GTS 的超帧有GTS 的超帧1.1数据传输LR WPAN 中，主要有3种数据传输模式：从设备向主协调器发送数据；主协调器向从设备发送数据；从设备之间传送数据。

IEEE 802.15.4 简述简述包括：1IEEE 802.15.4标准概述2IEEE 802.15.4网络简介3IEEE 802.15.4网络拓扑结构及形成过程4IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层5IEEE.802.15.4网络协议栈-MAC子层6IEEE802.15.4的安全服务IEEE 802.15.4标准概述随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米范围之内通信的需求，这样就出现了个人区域网络（personal area network, PAN）和无线个人区域网络（wireless personal area network, WPAN）的概念。

WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。

1998年3月，IEEE 802.15工作组。

这个工作组致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personal operating space, POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。

POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。

在IEEE 802。

15工作组内有四个任务组（task group, TG），分别制定适合不同应用的标准。

这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。

下面是四个任务组各自的主要任务：（1）任务组TG1：制定IEEE 802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。

这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。

（2）任务组TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与 IEEE 802.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。

（3）任务组TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网络标准。

uwb物理层参数
UWB（Ultra Wideband）是一种超宽带无线通信技术，其定义来自美国联邦通信委员会和DARPA。

它的工作频带为3.1~10.6GHz，系统带宽与系统中心频率之比大于20%或系统带宽至少为500MHz。

这种技术的主要特点包括超宽的频带，其频率覆盖从3G~5G，6G~10G共7G的频段，单信道带宽超过500MHz；功率低，按FCC等法规，其输出功率被限制在-41dBm/MHz，按单个信道500MHz计算，其信道功率为-14.3dBm；以及使用超短脉冲，维持时间为零点几纳秒。

UWB物理层规范由IEEE 802.15.4z标准定义，包括了LRP (Low Rate Pulse) 和HRP (High Rate Pulse) 两种类型。

在处理数据帧方面，UWB PHY层的数据帧主要包括三个部分：同步头、物理层头以及PDU数据段。

此外，UWB还具有丰富的处理流程和相关参数，例如SHR preamble，用于AGC设置、天线分集选择、定时采集、粗频偏和细频偏恢复、分组和帧同步、信道估计以及测距前沿信号跟踪等等。

总的来说，UWB物理层参数涵盖了频带宽度、输出功率、脉冲宽度等多个方面，与其独特的工作原理和丰富的技术规格密切相关。

802.15.4协议规范（物理层）802.15.4协议规范（物理层）IEEE802.15.4-2003协议规范规定了⼀个MAC层和两个PHY层。

802.15.4的主要协议框架如图所⽰。

这边只介绍物理层。

802.15.4协议架构1．协议概述在LR WPAN（⽆线个⼈区域⽹）中，存在两种不同类型的设备，⼀种是完整功能设备（FFD），⼀种是简化功能设备（RFD）。

FFD可以同时和多个RFD或FFD进⾏通信，所以常作为协调器，⽽RFD只能和⼀个FFD进⾏通信。

⼀个⽹络中⾄少有⼀个FFD作为PAN 主协调器。

LR WPAN⽹络中根据不同需要有两种⽹络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。

星型拓扑结构由⼀个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是⼀个具有完整功能的设备，从设备可以是FFD也可以是RFD。

在对等拓扑结构中，每⼀个设备都可以与在⽆线通信范围内的其他任何设备进⾏通信，任何⼀个设备都可以定义为PAN 主协调器。

⽆论是星型拓扑还是对等拓扑⽹络结构。

每⼀个独⽴的PAN都以⼀个标识符以确保唯⼀性。

在设备发起连接时，可采⽤64位的长地址，只有在连接成功时，系统分配了PAN的标识符后，才能采⽤16位的短地址码进⾏连接。

在LR WPAN中，允许有选择性的使⽤超帧结构，超帧的格式由主协调器来定义，它分为16个⼤⼩相等的时隙，其中第⼀个时隙为PAN的信标帧。

任何从设备如果想在两个信标之间的竞争接⼊期间（CAP）进⾏通信，则需要使⽤具有时隙和免冲突载波检测多路接⼊（CSMA CA）机制同其他设备进⾏竞争通信。

在⼀些特殊情况下，可采⽤PAN主协调器的超帧中的⼀部分来完成这些特殊要求。

这部分称为保护时隙（GTS）。

多个保护时隙构成⼀个免竞争时期（CFP），但最多可分配7个GTS。

因为有⾜够的CAP空间保证为其他⽹络设备和其他希望加⼊⽹络的新设备提供竞争接⼊的机会。

有⽆GTS的超帧结构分别如下所⽰。

timetime⽆GTS 的超帧有GTS 的超帧1.1数据传输LR WPAN 中，主要有3种数据传输模式：从设备向主协调器发送数据；主协调器向从设备发送数据；从设备之间传送数据。