IEEE 802.15.4标准学习笔记(一)

  IEEE 802.15.4是定义低速率无线个域网(LR-WPAN)操作的技术标准。它规定了LR-WPAN的物理层和媒体访问控制,由IEEE 802.15工作组维护。

IEEE 802.15.4标准简介

  LR-WPAN(低速无线个域网)是一种简单,低成本的通信网络,可在具有有限功率和松散吞吐量要求的应用中实现无线连接。LR-WPAN的主要目标是易于安装,可靠的数据传输,极低的成本和合理的电池寿命,同时保持简单灵活的协议。

  IEEE 802.15.4标准工作组致力于在固定、便携及移动的廉价设备之间实现低复杂度、低成本且功耗极低的无线连接,其把应用领域重点放在无线传感器网络上。

  它是ZigBee、ISA100.11a、WirelessHART和Thread等规范的基础,每个规范都通过开发IEEE 802.15.4中未定义的上层来进一步扩展标准。或者,它可以与6LoWPAN一起使用来定义上层。

  IEEE 802.15.4标准的主要特征:

  • 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);

网络组成

  IEEE 802.15.4网络由一个PAN协调器和至少一个网络设备组成。每个网络包含一个专用中央网络协调器,称为PAN协调器。只有PAN协调器可以建立新网络,并且定义网络的结构和运行模式。其他设备通过加入到向PAN协调器申请加入到网络中来。除了PAN协调器外,IEEE 802.15.4标准还定义了两种设备:协调器与网络设备。协调器为网络中其他设备提供协调服务。

  两种不同的设备类型可以参与IEEE 802.15.4网络:全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。FFD包含全部MAC服务,可以实现全部三种功能:PAN协调器、协调器和网络设备,RFD包含精简的MAC服务,只能用作网络设备。

  FFD是能够用作个人区域网络(PAN)协调器或协调器的设备,而RFD则不能。RFD适用于非常简单的应用,它不需要发送大量的数据,并且一次只能与单个FFD相关联。因此,RFD可以使用最少的资源和存储容量来实现。

网络拓扑结构

  根据应用要求,IEEE 802.15.4 LR-WPAN以两种拓扑结构中的任一种运行:星形拓扑或对等拓扑。在星形拓扑中,通信建立在设备和单个中央控制器之间,称为PAN协调器。设备通常具有一些相关联的应用,并且是网络通信的起始点或终止点。PAN协调器还可以具有特定的应用,但它可以用于启动,终止或路由网络周围的通信。 PAN协调器是PAN的主要控制器。

  在任一拓扑网络上运行的所有设备都有唯一的地址,称为扩展地址。设备将使用扩展地址进行PAN内的直接通信或PAN协调器在设备关联时分配的短地址。PAN协调器通常由主电源供电,而这些设备最有可能由电池供电。

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  对等拓扑也具有PAN协调器;然而,它与星形拓扑不同之处在于,只要它们在彼此的范围内,任何设备都能够与任何其他设备通信。对等拓扑允许实现更复杂的网络结构,例如网状网络拓扑。对等网络允许多跳将消息从任何设备路由到网络上的任何其他设备。这些功能可以在较高层添加,但不属于此标准。

  每个独立的PAN选择唯一的标识符。该PAN标识符允许使用短地址在网络内的设备之间进行通信,并实现跨独立网络的设备之间的传输。选择标识符的机制不属于本标准的范围。

星形拓扑

  星形网络的基本结构如上图所示。在星形网络拓扑结构中,通信由一个PAN协调器控制,这个PAN协调器作为网络的主控设备,发送实现设备同步的信标帧(包括超帧控制),并且维护关联的管理。

(1)网络建立流程

  任何FFD在被激活之后,它可以建立自己的网络并成为PAN协调器。所有星形网络独立于当前正在运行的所有其他星形网络。在一个新的星形网络形成的过程中,PAN协调器必须选择一个网络标识符(PAN ID),这个PAN ID不应该被网络周围的任何相邻网络所占用。PAN协调器周期性地扫描所有可用的或者可选择的信道,寻找已经建立的网络,然后选择一个和他们都不同的PAN ID。之后,PAN协调器才开始周期性地发送信标,允许其他设备(可能是FFD和RFD)加入其网络。

(2)特点

  • 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
对等拓扑

  在对等拓扑中,每个设备能够与其无线电通信范围内的任何其他设备进行通信,并且可以通过多条路由将报文传递给其射频通信范围外的设备。对等网络也可以有精简功能设备,但只能作为外围设备,因为它们不具备转发数据报的功能,也因此,对等网络中必须有足够多的全功能设备来形成网络。

(1)网络建立流程

  任何一个FFD使自己成为一个PAN协调器,并选择一个与其附近的其他网络不同的PAN ID,就可以建成一个新的对等网络。

  网络设备按照一套规定的步骤加入到对等网络:首先,具有路由功能的设备通过发现邻近PAN协调器或者作为PAN协调器代理来扫描可用的网络。IEEE 802.15.4标准将具有路由功能的设备也认为是协调器。扫描完成后,网络设备的高层通过向PAN协调器或者最近的一个协调器发送入网请求来加入到一个被发现的网络。相应的,协调器决定是否允许网络设备入网。

  如果这个网络设备是FFD,它加入网络后也可以成为一个协调器,并向其他已入网设备提供报文转发服务或者向未入网设备提供入网服务。

(2)特点

  • 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)
簇树网络

  簇树网络是对等网络拓扑结构的一种特定类型。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。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。

参考文献:

[1] Gutierrez J A, Callaway E H, Barrett R L. Low-rate wireless personal area networks: enabling wireless sensors with IEEE 802.15. 4[M]. IEEE Standards Association, 2004.

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