无限传感器网络技术-电化学传感器技术简介及基本原理应用 英文版

IEEE 802.15.4标准 设备关联的消息流程 第二十七页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 设备发起取消关联的消息流程 第二十八页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 与协调器同步消息流程(信标使能网络) 第二十九页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 GTS分配过程消息流程图 第三十页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 GTS释放消息流程 第三十一页，共六十二页。 内容提要 IEEE 802.15.4标准 ZigBee标准 6LowPan草案 主要参考文献 第三十二页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-什么是ZIGBEE? ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。 ZigBee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格； ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。 ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。 第三十三页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-短程无线网络标准 WWAN WMAN WLAN WPAN 传 输 范 围 0.01 10 1 0. 1 100 1000 数据传输率（Mbps） 第三十四页，共六十二页。

ZIGBEE技术简介-短程无线网络标准 文本 因特网/声音 压缩图片 多通道数字图像 低高 短程长程 第三十五页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-无线网络标准的比较 第三十六页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE与IEEE 802.15.4 ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE 802.15.4 仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。 ZigBee是由ZigBee Alliance所主导的标准，定义了网络层（Network Layer)、安全层（Security Layer）、应用层（Application Layer)、以及各种应用产品的资料（Profile）;而由国际电子电机工程协会（IEEE）所定制的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHY Layer)及媒体存取层（Media Access Control Layer;MAC Layer)。 第三十七页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE协议栈 8位处理器 协议栈简介紧凑 4K-32k 网络主节点容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。

第三十八页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE频带和数据传输率 第三十九页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE物理信道 第四十页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE网络拓扑结构 星型 网状型 簇状型 网络协调器 全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信 精简功能设备(RFD):只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。 第四十一页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE网络设备类型 网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。 全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。.附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征.更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用.也能用作终端设备 精简功能设备（RFD）：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。

.附带有限的功能来控制成本和复杂性.在网络中通常用作终端设备。.ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。 第四十二页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE网络设备类型 第四十三页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE网状（MESH）网络 MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。 第四十四页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE网状（MESH）网络 Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。 通过以上ZigBee Mesh结构图可以得知，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。 协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。 构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD). 第四十五页，共六十二页。

ZIGBEE技术简介-ZIGBEE网状（MESH）网络 ZigBee采用按需路由算法AODV无限传感器网络技术，在节能和网络性能上都有着很大的优势。 AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。 当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV操作是无还回的，并避免了当Adhoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题（特别是当一个节点进入网络时）。 第四十六页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE通信可靠性保证 物理层RF通信连接 ■直序扩频采用高处理增益 ■明晰的信道检测 ■对干扰能量进行检测 协议 ■基于CRC的误码监测/校正 ■采取了避免冲突的策略CSMA/CA ■为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙 ■发送的数据包都有待于接收方的确认，如出现问题进行重发 ■保持数据包的及时传输Packet data freshness 第四十七页，共六十二页。

ZIGBEE技术简介-ZIGBEE通信可靠性保证 通信可靠机制 ■ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测 ■MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息。 网络的自组织自语能力强 ■ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连结关系，组成结构化的网络； ■ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 第四十八页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE通信可靠性保证 在低信噪比的环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能。 误码率 信噪比dB bluetooth 第四十九页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE通信可靠性保证 第五十页，共六十二页。 ZIGBEE技术简介-ZIGBEE技术优势 数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用 功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本 网络容量大：网络可容纳65000个设备 时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。

网络的自组织、自愈能力强，通信可靠 数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、86MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段 第五十一页，共六十二页。 《无线传感器网络技术》讲义 第五章、通信标准 第一页，共六十二页。 内容提要 IEEE 802.15.4标准 ZigBee标准 6LowPan草案 主要参考文献 第二页，共六十二页。 内容提要 IEEE 802.15.4标准 ZigBee标准 6LowPan草案 主要参考文献 第三页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准概述 网络组成及拓扑结构 协议栈架构 功能概述 物理层规范 信道分配及调制方式 物理层帧格式 物理层功能实现 MAC子层规范 MAC子层的信道访问方式 MAC子层的帧格式 MAC子层的功能实现 第四页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准概述 网络组成及拓扑结构 协议栈架构 功能概述 物理层规范 信道分配及调制方式 物理层帧格式 物理层功能实现 MAC子层规范 MAC子层的信道访问方式 MAC子层的帧格式 MAC子层的功能实现 第五页，共六十二页。

IEEE 802.15.4标准 目标：为在个人操作空间（POS）内相互连通的无线设备提供通信标准。 IEEE 802.15任务组 TG1：制定IEEE 802.15.1标准（蓝牙无线个人区域网络标准）；中等速率、近距离的WPAN网络标准。 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）的共存问题 TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准。 TG4：制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准。 第六页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准的主要特征： 实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率； 支持星型和点到点两种拓扑结构； 在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址； 采用可选的时槽保障（Guaranteed Time Slots，GTS）机制； 采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信道访问机制； 支持ACK机制以保证可靠传输； 低功耗机制； 信道能量检测（Energy Detection，ED）； 链路质量指示（Link quality indication，LQI）； 工作在ISM频段上，其中在2450 MHz 波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道； 数据安全策略。

第七页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的设备集合。 全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD） 协调器：与RFD相关联的FFD设备 PAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发 第八页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯 网络协调器持续供电，其他设备电池供电 适合家庭自动化、个人计算机外围设备、个人康护护理等小范围的室内应用 星型拓扑结构 第九页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 任何两个设备之间都可以通讯 网络协调器负责管理链路状态信息、认证设备身份等功能 允许多跳路由的方式传输数据 适合于设备分布范围广的应用（工业检测与控制） 点到点拓扑结构 第十页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 基于开放系统互连模型（OSI） 每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务 物理层由射频收发器和底层的控制模块组成 数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通讯的服务接口 特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务 LLC为应用层提供链路层服务 IEEE 802.15.4 协议栈架构 第十一页，共六十二页。

IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准功能概述 超帧结构 数据传输模型 MAC层帧结构 数据可靠传输机制 低功耗策略 数据的安全服务 第十二页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 以超帧为周期组织LR-WPAN内设备间的通讯 信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息 超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分 不活跃阶段：设备进入休眠状态 活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分为16个等长时槽 CSMA-CA访问机制； 第十三页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准概述 网络组成及拓扑结构 协议栈架构 功能概述 物理层规范 信道分配及调制方式 物理层帧格式 物理层功能实现 MAC子层规范 MAC子层的信道访问方式 MAC子层的帧格式 MAC子层的功能实现 第十四页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 信道分配和调制方式 频段 (MHz) 扩频参数 数据参数 片速率 (kchip/s) 调制方式 比特速率 (kb/s) 符号速率 (ksymbol/s) 符号 868–868.6 300 BPSK 20 20 二进制 902–928 600 BPSK 40 40 二进制 868–868.6* 400 ASK 250 12.5 20-bitSPSS 902–928* 1600 ASK 250 50 5-bitSPSS 868–868.6* 400 O-QPSK 100 25 16-ary正交 902–928* 1000 O-QPSK 250 62.5 16-ary正交 2400–2483.5 2000 O-QPSK 250 62.5 16-ary正交 注：*项为可选项目，系802.15.4-2006新增内容 第十五页，共六十二页。

IEEE 802.15.4标准 Ocets：4 字节 1 字节 1 字节 可变 前导码（preamble） SFD （帧起始分隔符） 固定值：OXA7 Frame length (7 比特) Reserved (1 比特) PSDU 同步头(SHR) 物理帧头(PHR) PHY 负载 物理帧格式 第十六页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 物理层功能实现 数据的发送与接收 物理信道的能量检测(ED：Energy Detection) 射频收发器的激活与关闭 空闲信道评估(CCA：clear channel assessment) 链路质量指示(LQI：link quality indication) 物理层属性参数的获取与设置 第十七页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准概述 网络组成及拓扑结构 协议栈架构 功能概述 物理层规范 信道分配及调制方式 物理层帧格式 物理层功能实现 MAC子层规范 MAC子层的信道访问方式 MAC子层的帧格式 MAC子层的功能实现 第十八页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4标准的MAC子层功能 采用CSMA-CA机制来访问物理信道； 协调器对网络的建立与维护； 支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）； 协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步； 间接传输的实现(Transaction handling)； 在两个MAC实体之间提供数据可靠传输； 可选的GTS支持； 支持安全机制； 第十九页，共六十二页。

IEEE 802.15.4标准 中间协调器接收和发送信标帧 第二十页无限传感器网络技术，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输 帧组成 地址格式：16位短地址和64位扩展地址 帧控制字段的内容指示地址类型 帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧 第二十一页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 信标帧格式 超帧字段：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问时断持续时间 GTS分配释放信息：将无竞争时断划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给某个设备 转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址 信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口 第二十二页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 数据帧格式 传输上层发送到MAC子层的数据 MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层 MAC帧： MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息 第二十三页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 确认帧格式 如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位设置为1，设备需要回应一个确认帧。

确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。 确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。 第二十四页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 命令帧格式 命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。 命令帧有9种类型。 命令帧的功能：把设备关联到PAN；与协调器交换数据；分配GTS。 命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。 第二十五页，共六十二页。 IEEE 802.15.4标准 MAC子层功能实现 PAN的建立与维护 关联请求与取消 与信标帧的同步 数据的间接传输方式 数据的发送，接收与重传 GTS的分配与管理 MAC子层PIB的维护 MAC子层的安全策略 第二十六页，共六十二页。 * * 数据传输率（Mbps） * 数据传输率（Mbps） * 数据传输率（Mbps） * 数据传输率（Mbps） * 数据传输率（Mbps） * 精简功能设备(RFD):只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。 * MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。 * Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。 * Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。 * bluetooth * bluetooth