802.15.4物理层介绍

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无线传感器网络性能分析IEEE 802.15.4是一种无线传感器网络标准，旨在提供低成本、低功耗和低速率的无线连接。

它通常用于监控和控制应用程序，如智能家居、工业自动化和环境监测等。

在本文中，我们将对IEEE 802.15.4无线传感器网络的性能进行分析，包括网络容量、能耗、传输距离、传输速率等方面。

一、网络容量IEEE 802.15.4网络的容量取决于网络拓扑结构、数据包大小、数据传输速率等因素。

通常情况下，IEEE 802.15.4网络的最大容量受到物理层和MAC层的限制。

在物理层，IEEE 802.15.4使用2.4GHz频段进行通信，最大传输距离取决于天线和环境因素，并且存在传输干扰的风险。

在MAC层，IEEE 802.15.4采用CSMA/CA协议来进行信道访问，因此网络容量受到信道竞争和冲突的影响。

二、能耗能耗是无线传感器网络中的重要考量因素。

IEEE 802.15.4在能耗方面有较好的表现，主要是由于其低功耗特性。

具体来说，IEEE 802.15.4采用了低功耗睡眠模式和低功耗待机模式来降低能耗，进而延长节点的电池寿命。

IEEE 802.15.4还支持能源高效的数据传输机制，如数据压缩、碎片化传输等，来减少能耗。

三、传输距离传输距离是指节点之间能够可靠通信的最大距离。

在IEEE 802.15.4标准中，2.4GHz频段的传输距离一般在10-100米之间，取决于环境和天线功率。

为了扩展传输距离，可以采用中继节点或信号放大器来增强信号。

四、传输速率传输速率是指数据从一个节点传输到另一个节点的速度。

在IEEE 802.15.4中，传输速率一般为250kbps，在低功耗模式下可降至20kbps。

这种低速率的设计是为了降低功耗，适用于周期性数据采集和低带宽的应用场景。

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。

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。

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。

IEEE 802.15.4与IEEE 802.11对比调研报告1、引言通信模块是无线多媒体传感器节点的重要组成部分。

目前用于短距离无线通信技术的主要有一下几个标准：IEEE 802.11(WiFi)、IEEE 802.15.4(ZigBee)、IEEE 802.15.1(Bluetooth)。

传统无线传感器网络（MSN）应用较多的是IEEE 802.15.4(ZigBee)。

这是一种短距离、低功耗、低速率的无线通信技术。

传统MSN采集的多是温度、适度、震动等标量信息，数据量较小，故ZigBee足够满足对速率的要求。

随着无线传感器网络中引入了多媒体，图像、音频、视频流的传输使得无线多媒体传感器网络（WMSN）的数据流量急剧增大。

ZigBee的250kbps 的速率则很难满足网络对传输速率的要求。

因此考虑是否可以采用IEEE 802.11(WiFi)技术。

IEEE 802.11b在 2.4GHz频率上的最高传输速率可以达到11Mbps，可以满足传输视频流的要求。

鉴于此，对两种技术及相应的芯片进行了调研，并对主要参数进行了对比。

2、IEEE 802.15.4（ZigBee）简介IEEE 802.15.4网络是指在同一区域内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合。

ZigBee定义了网络的物理层（PHY）和媒介访问层（MAC）。

其对物理层的定义为其定义了两个工作频段，即 2.4GHz 频段和868/915 MHz频段。

其中前者为全世界通用的免许可证的ISM频段，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有，故实际科研中多使用2.4GHz频段。

物理层采用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频）技术，在2.4GHz频段提供16路速率为250kbps的信道。

ZigBee的网络拓扑主要有星状、网状和混合状。

ZigBee最突出的有点即省电。

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。