IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层

IEEE802.15.4标准及其应⽤IEEE 802.15.4标准及其应⽤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。

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。

IEEE 802.15.4 标准及其技术特点IEEE 802.15.4 满⾜国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模式。

它包括物理层、介质访问层、⽹络层和⾼层。

图1是对这些层的描述。

物理层IEEE 802.15.4 提供两种物理层的选择（868/915 MHz和2.4GHz），物理层与MAC 层的协作扩⼤了⽹络应⽤的范畴。

这两种物理层都采⽤直接序列扩频（DSSS）技术，降低数字集成电路的成本，并且都使⽤相同的包结构，以便低作业周期、低功耗地运作。

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。

IEEE.802.15.4网络协议栈-MAC子层在IEEE 802系列标准中，OSI参考模型的数据链路层进一步划分为MAC和LLC两个子层。

MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而LLC在MAC子层的基础上，在设备间提供面向连接和非连接的服务。

MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务（MAC sublayer management en tity, MLME）。

前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。

MAC子层主要功能包括下面六个方面：（1）协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；（2）支持PAN网络的关联（association）和取消关联（disassociation）操作；（3）支持无线信道通信安全；（4）使用CSMA-CA机制访问信道；（5）支持时槽保障（guaranteed time slot, GTS）机制；（6）支持不同设备的MAC层间可靠传输。

关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认证的过程。

LR-WP AN网络中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络，这时就需要进行关联和取消关联操作。

时槽保障机制和时分复用（time division multiple access, TDMA）机制相似，但它可以动态地为有收发请求的设备分配时槽。

使用时槽保障机制需要设备间的时间同步，IEEE 80 2.15.4中的时间同步通过下面介绍的“超帧”机制实现。

1．超帧在IEEE 802.15.4中，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（beacon）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。

zigbee 协议栈Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信协议，它是一种低功耗、短距离的无线网络协议，可以用于物联网中各种设备的通信。

Zigbee协议栈是指一套软件的层次结构，用于实现Zigbee协议的功能和特性。

Zigbee协议栈由四个层次组成：应用层，网络层，MAC层和物理层。

应用层是Zigbee协议栈的最高层，它提供了应用程序与其他网络层之间的接口。

应用层负责处理数据的收发，以及定义数据的格式和协议。

应用层也负责处理设备与设备之间的通信，例如传感器与控制器之间的通信。

网络层是Zigbee协议栈的中间层，它负责网络的发现和路由选择。

网络层的主要功能是将数据传输到目标设备，以及维护网络拓扑结构。

网络层使用一种叫做AODV（Ad-hoc On-Demand Distance Vector）的路由选择算法来决定数据的传输路径。

MAC层是Zigbee协议栈的第二层，它负责实现对数据的传输和控制。

MAC层的主要功能包括数据的处理、帧的编码和解码、对信道的管理等。

MAC层使用CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）协议来控制数据的传输，并通过BEACON帧来管理设备之间的通信。

物理层是Zigbee协议栈的最底层，它负责将数据从电子信号转换为无线信号，并传输到接收设备。

物理层的主要功能包括信号的调制和解调、信道编码和解码、信号的传输和接收等。

Zigbee协议栈还支持一种叫做ZDO（Zigbee Device Object）的设备对象。

ZDO是一个与设备相关的软件模块，提供了设备的管理和控制功能。

ZDO负责设备的发现、加入网络、离开网络、重置等操作，并通过指定的应用程序接口来与设备进行通信。

总的来说，Zigbee协议栈是一个非常复杂的系统，包含了多个层次和各种功能。

它通过不同的层次和模块来实现Zigbee协议的各种特性和功能，从而使得物联网设备之间可以方便地进行通信和控制。

IEEE802.15.4协议—PHY层物理特性和帧结构
1.PHY层的主要功能简介
●无线电收发的激活和关闭
●当前通道内的能量检测（ED）
●接收数据包的链路质量指示(LQI）
●空闲信道评估（CCA）用于载波侦听多路访问/冲突避免(CSMA-CA)
●频道频率选择
●数据传输和接收
2.物理参数简介
●868/915MHz DSSS（直接序列扩频）采用BPSK（二进制相移键控）调制●868/915MHz DSSS（直接序列扩频）采用O-QPSK调制
●868/915MHz PSSS(并行序列扩频)采用BPSK和ASK（幅移键控）调制●2450MHz DSSS（直接序列扩频）采用O-QPSK调制
3.PHY帧格式简介
●SHR:同步头（包括Preamble和SFD），允许一个接收设备同步同时锁定
到每一位流。

●PHR：PHY帧头（包括Frame length和Reserved），帧的长度信息。

●PHY Payload：可变长度的有效载荷，携带MAC子层的数据帧。

其中SHR字段：Preamble，用于无线电收发器从接收的数据信息中获取芯片和同步标识，Preamble字段的长度由物理参数决定如下图所示：
SFD，指示SHR的结束和数据包的开始，不同的物理参数具备不同的长度如下图所示：。

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。

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。

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。

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。

ZigBee协议简介一、ZigBee协议体系结构ZigBee协议基于IEEE802.15.4标准，由IEEE802.15.4和ZigBee联盟共同制定。

ZigBee协议栈由物理层（PHY）、媒体介质访问层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL）共4层构成，其中PHY层和MAC层由IEEE802.15.4标准工作组制订，而NWK层和APL层由ZigBee联盟自行制订。

每一层都完成其各自特定的任务并且向上一层提供服务，数据服务实体主要负责数据传输服务，管理服务实体则主要负责所有的其他管理服务。

每个服务实体为其上层提供需要的接口都是通过其相应的服务接入点（SAP）实现的，每个SAP所对应的功能通过服务原语来完成，且每个SAP支持许多种不同的服务原语。

ZigBee协议体系结构如图2.1所示：IEEE802.15.4制定终端制造商制定ZigBee联盟制定各层接口图2.1 ZigBee协议体系结构图1物理层（PHY）物理层定义了物理无线信道和MAC 层之间的接口，提供三种不同的通信频段：868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2400MHz-24835MHz，以及1个、10个以及16个不同的信道。

物理层提供两种服务：物理层数据服务（PD）和物理层管理服务（PLME）。

通过无线信道的发送和接收以及物理层协议数据单元（PPDU）来实现物理层数据服务。

PLME主要通过调用物理层管理功能函数来提供管理和服务，其中物理层数据服务接入点（PD-SAP）给MAC层提供数据服务接口，而物理层管理实体服务接入点（PLME-SAP）给MAC层提供管理服务接口。

驱动程序为物理层提供的接口是无线射频服务接入点（RF-SAP），从外界接收到数据包后，从物理层中提取信息并通过PD-SAP上传给上层协议。

物理层结构及接口示意图如图2.2所示。

图2.2 物理层结构及接口示意图物理层的主要功能包括：1)ZigBee系统的启动和关闭；2)当前信道的能量检测；3)链路质量信息；4)信道评估与选择；5)传输和接收数据。

zigbee协议栈Zigbee协议栈是一种基于IEEE 802.15.4无线技术的低功耗通信协议，用于构建无线传感器网络和物联网设备。

它由几个层次的协议组成，包括物理层、MAC层、网络层和应用层。

物理层是Zigbee协议栈的最底层，负责无线信号传输和接收。

它定义了无线模块和设备的硬件要求，包括频率、调制方式、传输速率等。

在物理层之上是MAC层，负责网络节点之间的数据传输和管理。

它提供了一系列函数，用于数据包的发送和接收，以及网络节点的寻址和路由。

网络层位于MAC层之上，负责整个网络的拓扑结构和数据路由。

每个节点都有一个唯一的网络地址，用于标识和寻址。

网络层使用路由算法决定最佳的数据传输路径，以确保数据的可靠传输。

最上层是应用层，这是开发人员编写应用程序的层次。

它提供了一系列应用程序程序接口（API），用于数据的发送和接收。

开发人员可以利用这些API实现各种应用程序，如传感器数据采集、远程控制等。

Zigbee协议栈具有以下几个特点。

第一，低功耗。

由于无线传感器网络和物联网设备通常是由电池供电，因此低功耗是一个非常重要的设计考虑。

Zigbee协议栈通过最小化数据传输以及使用睡眠和唤醒机制来实现低功耗。

第二，短距离通信。

Zigbee协议栈的设计目标是用于部署在短距离范围内的网络，通常不超过100米。

这使得它非常适用于家庭自动化、智能电网等场景。

第三，高可靠性。

Zigbee协议栈支持多路径数据传输，以确保数据能够在网络中快速可靠地传输。

此外，它还支持自动路由和包重传机制，以应对网络中节点的故障或丢失。

第四，安全性。

Zigbee协议栈支持数据加密和身份验证功能，确保数据在传输过程中的保密性和完整性。

这对于保护物联网设备和网络免受黑客攻击非常重要。

总的来说，Zigbee协议栈是一种可靠、低功耗、安全的通信协议，适用于构建无线传感器网络和物联网设备。

它的设计目标是满足家庭自动化、智能电网等应用场景中的通信需求。