IEEE 802.15.4协议完整中文版

Posted 2022-09-12 无痕幽雨

出处：http://blog.csdn.net/tidyjiang/article/details/51527469

5 通用描述

5.1 介绍

　　LR-WPAN 网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。LR-WPAN的主要目标是维护一个简单、灵活的协议，且实现安装简便、数据可靠传输、短距离操作，低成本，长寿命的功能。

　　LR-WPAN具有如下特性： 
　　—— 在不同的载波频率下实现了 20kbps、 40kbps、100kbps和250kbps 四种不同的传输速率 
　　—— 支持星型和对等两种网络拓扑结构 
　　—— 有16bit短地址和64bit扩展地址两种模式 
　　—— 可以选择是否分配GTS 
　　—— 使用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA/CA）机制访问信道 
　　—— 支持确认（ ACK）机制，保证传输可靠性 
　　—— 低功耗 
　　—— 能源检测ED 
　　—— 链路质量指示LQI 
　　—— 2540MHz的频带有16个通道，915MHz的频带有30个通道，868MHz的频带有3个通道

　　IEEE 802.15.4有两种设备：全功能设备FFD（full-function device）和精简功能设备RFD（reduced-function device）。FFD既可以与FFD通信，又可以与RFD通信；RFD只能和FFD通信。RFD 设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样 RFD 设备可以采用非常廉价的实现方案。

　　本标准向后兼容2003版。换句话说，遵循本协议的设备能够加入遵循IEEE 802.15.4-2003协议的PAN网络。

5.2 IEEE 802.15.4 WPAN的组成

　　遵循本标准的系统由几个部分组成，其中最基本的是设备。设备可以是FFD或者RFD。在POS范围内使用同一个物理信道通信的两个或者多个设备构成一个WPAN。这个WPAN应该至少包括一个FFD，作为该网络的PAN协调器。

　　在无线访问媒介中，由于传播特性是动态的、不确定的，所以无法很好地定义覆盖范围。点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围不是确定的。这就造成了 LR-WPAN 网络中设备的数量以及它们之间关系的动态变化。

5.3 网络拓扑

　　根据应用的需求， IEEE 802.15.4 LR-WPAN 可以有两种网络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。如图1所示。 

　　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，主协调器必须为一个具有完整功能的设备，从设备既可为完整功能设备也可为简化功能设备。在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理地构造通信网络。在网络通信中，通常将这些设备分为起始设备或者终端设备， PAN 主协调器既可以作为起始设备、终端设备，也可以作为路由器，是 PAN 网络的主控制器。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有一个唯一的 64 位长地址码，该地址可以在 PAN 中用于直接通信，或者当设备之间已经存在连接时，可以将其转变为 16 位短地址码分配给设备。 PAN 主协调器是主要的耗电设备，而其它从设备经常采用电池供电。星型拓扑结构通常在家庭自动化、 PC 外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查方面得到应用。 
　　 
　　在对等拓扑网络结构中，同样也存在一个 PAN 主设备，但该网络不同于星型拓扑网络结构，该网络中的任何一个设备都可以与其通信范围内的其它设备进行通信。对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如网状拓扑网络结构。这种对等拓扑网络结构在工业监测和控制，无线传感器网络、供应物资跟踪、农业智能化以及安全监控等方面都有广泛的应用。一个对等网络路由协议可以是基于 ad hoc 技术、也可以是自组织式的和自恢复式的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的传输方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式。

　　网络的构造由更上层完成，不属于本标准的一部分。5.3.1和5.3.2对每种拓扑结构进行了简单的介绍。

5.3.1 星型网络组成

　　当一个具有完整功能的设备被激活之后，它就会建立一个自己的网络，将自身成为一个 PAN 主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其它星型网络的操作，这就说明了在星型网络结构中只有一个唯一的 PAN 主协调器，通过选择一个 PAN 标识符确保网络的唯一性。一旦选定了 PAN 标识符， PAN 主协调器就会允许其它设备加入到它的网络中，无论是具有完整功能的设备还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。

5.3.2 对等网络组成

　　在对等拓扑结构中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其它任何设备进行通信。任何一个设备都可以定义为 PAN 主协调器，例如，可将信道中第一个通信的设备定义为 PAN 主协调器。未来的网络结构可能不仅仅局限为对等拓扑结构，对拓扑结构进行限制也是可能的。 
　　 
　　例如，树簇拓扑结构是对等网络拓扑结构的一种应用形式，在对等网络中的设备可以为完整功能设备，也可以为简化功能设备。 而在树簇中的大部分设备是 FFD， RFD 只能作为一个叶结点连接在树簇拓扑结构树枝的末尾处，这主要是由于 RFD 一次只能连接一个 FFD。任何一个 FFD 都可以作为主协调器，并且，为其它从设备或主设备提供同步服务。在整个 PAN 中，只要该设备相对于 PAN 中的其它设备具有更丰富的计算资源，这样的设备都可以成为该 PAN 的主协调器。在建立一个 PAN 时，首先， PAN 主协调器将自身设置为一个簇标识符（ CID）为 0 的簇头，然后，选择一个没有使用的 PAN 标识符，并向邻近的其它设备以广播的方式发送信标帧，从而形成第一簇网络。接收到信标帧的候选设备可以在簇头中请求加入该网络，如果 PAN 主协调器允许该设备加入，那么主协调器会将该设备作为结点加入到邻近表中，成为该网络的一个从设备，同时，请求加入的设备将 PAN 协调器作为它的父结点加到邻近列表中，成为该网络的一个从设备，开始发送周期性的信标帧；其它的候选设备也可以在这台刚加入的设备上加入该网络。如果原始的候选不能加入到该网络中，那么它将寻找其它的父结点。在7.5.2节和7.5.3节中将详细描述一个PAN是如何启动的、以及设备是如何加入到PAN中的。 
　　 
　　最简单的网络结构是只有一个簇的网络，但是多数网络结构由多个相邻的网络构成。一旦第一簇满足预定的应用或网络需求时， PAN 主协调器将会指定一个从设备为另一簇新网络的簇头，使得该从设备成为另一个 PAN 的主协调器，随后其它的从设备将逐个加入，形成一个多簇网络，如图2所示。图中的直线表示设备间的父子关系而不是通信流。多簇网络结构的优点在于增加网络的覆盖范围，但随之而来的缺点是会增加传输信息的延迟时间。 
　　

5.4 架构

　　IEEE 802.15.4 结构分成多个模块来定义，这些模块称为层。每层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。模块的划分基于开放式系统互联七层模式。

　　各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。

　　LR-WPAN 设备包含物理层和 MAC 层，物理层包括伴随着低等控制机制的射频收发机， MAC 层为各种传输提供到达物理通道的接口。图3描述了它们之间的图形化关系。 

　　在图3所示的高层，包括网络层和应用层，其中，网络层提供网络配置，操作信息路由，应用层提供设备的既定功能。 IEEE 802.2 I 类型逻辑链路控制层（ LLC）能通过服务协议汇聚层（ SSCS）访问 MAC 层。 LR-PAN 体系结构可以作为嵌入式设备或者要求外部设备（如个人计算机）支持的设备实现其功能。

5.4.1 物理层PHY

　　物理层提供两种类型的服务：即通过物理层管理实体接口（ PLME-SAP）对物理层数据和物理层管理提供服务。物理层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元来实现。 
　　条款6包含PHY的具体规范。 
　　物理层的特征是启动和关闭无线收发器、能力检测、链路质量、信道选择、清除信道评估（ CCA），以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。工作频率为下面不需申请的一个或多个频带上： 
　　—— 868–868.6 MHz（欧洲） 
　　—— 902–928 MHz（北美） 
　　—— 2400–2483.5 MHz（全球）

5.4.2 MAC子层

　　MAC 层提供两种类型的服务： MAC 层管理实体服务接入点(MLME-SAP)向 MAC层数据和 MAC 层管理提供服务。 MAC 层数据服务可以通过 PHY 数据服务发送和接收 MAC 协议数据单元。 
　　介质访问控制层的特征是：信标管理，信道接入，时隙管理，帧确认，发送确认帧，联合与分裂。此外， MAC子 层为应用合适的安全机制提供一些方法。 
条款7包含MAC子层的具体规范。