802.15.4协议规范(物理层)

802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 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。 应用层 网络层 868/915 PHY 层 MAC 层 2.4 PHY 层 数据链路层 802.15.4 协议架构 1111．协议概述．协议概述．协议概述．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 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。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。 竞争接入期间 time time 竞争接入期间 免竞争 无 GTS 的超帧 有 GTS 的超帧 1.11.11.11.1 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。在星型拓扑中，因为从设备之间不能传输数据，所以 只有两种传输方式，而在对等拓扑结构中则可能包含 3 种： 从设备向主协调器发送数据 在信标网络中，从设备首先监听网络的信标，当监听到后，在适当的时候，从设备将使 用有时隙的 CSMA CA 向主协调器发送数据帧，当主协调器接收到后，返回一个 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明已成功 接收的确认帧，如图所示： 主协调器 从设备 确认帧 数据 信标 信标网络数据传输到主协调器 在非信标网络中，从设备使用非时隙的 CSMA CA 向主协调器发送数据帧，主协调器接 收到后也同样返回一个确认帧，如图所示。 主协调器 从设备 确认帧 数据 非信标网络数据传输到主协调器 主协调器向从设备发送数据 在信标网络中，当主协调器需要发送数据给从设备时，它会在网络信标中表明存在有要 传输的数据信息，此时，从设备处于周期性监听网络信标的状态，当发现主协调器有数据要 传送给它时，它将采用有时隙的 CSMA CA 机制，先通过 MAC 层发送一个数据请求指令。 当主协调器接收到后，采用有时隙的 CAMA CA 发送数据信息帧给从设备，从设备接收完 毕后，返回一个确认帧给主协调器。 主协调器 从设备 确认帧 数据 信标 数据请求 确认帧 信标网络主协调器传输数据 在非信标网络中，主协调器存储要传输的数据，将通过与从设备建立数据连接，由从设 备先发送请求数据传输命令后，再进行数据传输，如下所示。 主协调器 从设备 确认帧 数据 数据请求 确认帧 非信标网络主协调器传输数据 从设备之间传送数据 这种传输方式出现在对等网络中。因为在对等网络中，设备与设备之间的通信随时都可 能发生，所以通信设备之间必须处于随时可通信的状态，如下任意一种：设备始终处于接收 状态或设备间保持相互同步。前者设备要采用非时隙的 CSMA CA 机制来传输数据，后者需 采取一些其他措施以确保通信设备之间相互同步。 1.21.21.21.2 帧的结构 这里一共定义了四种帧结构： 1）信标帧 信标帧由主协调器的 MAC 层生成，并向网络中的所有从设备发送，以保证各从设备与 主协调器同步。信标帧的结构如下所示，MAC 层服务单元（MSDU）加上 MAC 帧头 MHR 和 MAC 帧尾 MFR 构成 MAC 层信标帧 MPDU，作为物理层信标包载荷发送到物理层，在 加上物理层的同步帧头 SHR 和物理层帧头 PHR，共同构成了物理层的信标包 PPDU。 信标帧格式 2）数据帧 数据帧则是用来设备之间数据传输时生成的。要传输的数据是由应用层生成，然后到 MAC 层，类似上面组成 MPDU 后进入物理层，再构成 PPDU。具体如下图。 数据帧格式 3）确认帧 确认帧是为了确保通信的可靠性，通常是接收设备接收到正确的帧信息后，向发送设备 返回一个确认信息，表明已正确接收相应的信息。接收设备将接收到的信息经物理层和 MAC 层并纠错解码后，回复发送端的数据，如果没有检查出数据的错误，则由 MAC 层生成的一 个确认帧，发送回发送端，具体结构如下所示。 确认帧格式 4） MAC 层命令帧 为了控制设备的工作状态，同网络中的其他设备进行通信，根据应用的实际需要，对设 备进行控制，控制命令由应用层产生，在 MAC 层根据控制命令的类型，生成的 MAC 层命令帧如下所示。 MAC 命令帧 1.31.31.31.3 原语概念 原语则是一个非常重要的概念，用于描述不同的层之间的提供的服务和所要执行的任 务。每一层的服务只要完成两证功能：根据它的下层服务要求，为上层提供相应的服务；另 一种是根据上层的服务要求，对它的下层提供相应的服务。由服务原语组成的事件将在一个 用户的服务接入点（SAP）与建立对等连接的用户的相同层之间传送。 服务提供者 N-layer 服务用户 N-User 服务用户 N-User 请求 确认 指示 响应 服务原语 原语通常分为四种类型：Request，Indication，Response，还有 Confirm。分别表示请求 原语、指示原语、响应原语和确认原语。下面会介绍物理层的原语。 2.2.2.2.物理层协议规范物理层协议规范物理层协议规范物理层协议规范 在 IEEE 802.15.4-2003 中，规定了两个物理层工作频率范围 2.4GHz 和 868/915MHz。频 段类型都是 ISM。对于不同的频段范围，规定了不同的调制方式，因而数据传输速率也是不 同的。如下所示。 频段/MHz 扩展参数 数据参数 码 片 速 率 /kchip·s﹣1 调制 比 特 速 率 /kbps 符 号 速 率 /kBaud·s﹣1 符号 868~868.6 300 BPSK 20 20 二进制 902~928 600 BPSK 40 40 二进制 2400~2483.5 2000 O-QPSK 250 62.5 16 相正交 IEEE 802.15.4 一共定义了 27 个物理信道，信道编号从 0 到 26。其中 2.4GHz 定义了 16 个信道，915MHz 定义了 10 个信道，868MHz 定义了 1 个信道。 物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从 MAC 层到物理层无线信道的接口。在物 理层中，包含一个物理层管理实体（PLME），该实体通过调用物理层的管理功能函数，为 物理层管理服务提供其接口，同时，还负责维护由物理层所管理的目标数据库，该数据库包 含有物理层个域网络的基本信息。物理层的结构和接口如下所示。 数据服务接 入点 物理层实体—— 服务接入点 物理层 PIB 无线射频——服务接入点 物理层 物理层管理实体 物理层结构模型 2.12.12.12.1物理层原语 在物理层中，存在有数据服务接入点和物理层实体服务接入点，通过这两个服务接入点 提供如下两种服务，它们是：a 通过物理层数据服务接入点（PD SAP）为物理层数据提供 服务；b 通过物理层管理实体（PLME）服务的接入点（PLME SAP）为物理层管理提供服 务。 物理层数据服务 物理层数据服务接入点所支持的原语有请求原语、确认原语和指示原语。 物理层数据请求原语 PD-DATA.request 原语如下：PD DATA.request（psduLength,psdu）此原语由 MAC 层生成，发送给物理层 实体，请求发送一个 MAC 层协议数据单元（MPDU）。psduLength 表示物理层实体发送 PSDU 中字节个数，psdu 表示物理层实体发送由字节构成的 PSDU。 物理层实体收到后，如果发射机正处于激活状态（TX_ON）状态，物理层就构造一个 PPDU，并发送，发送完毕后向 MAC 层返回一个 SUCCESS 状态的 PD DATA.confirm 原语； 而如果收发机正处于接收（RX_ON）或关闭状态（TRX_OFF）,则物理层实体将返回一个带 有 RX_ON 或 TRX_OFF 状态的 PD DATA.confirm 原语，表示发射机尚未激活。 诸如此类物理层数据服务还有物理层数据确认原语 PD-DATA.confirm，物理层用此向 MAC 层报告向对等的 MAC 层发送 MAC 层协议数据单元的结果状态，为物理层对 PD DATA.request 原语的响应。 还有物理层数据指示原语 PD DATA.indication 物理层借此向本地 MAC 层实体传送一个 MPDU，即当物理层接收到来自远方发送来的数据后，通过该原语，将接收到的数据包发送 到 MAC 层。 物理层管理服务 在网络中，用物理层管理实体服务接入点（PLME SAP）在 MAC 层管理实体（MLME） 和物理层管理实体（PLME）之间传送管理命令原语。 请求清楚信道评估原语 PLME-CCA.request MAC 层用此原语请求物理层管理实体执行清除信道评估（CCA），此原语由 MAC 层管 理实体生成，当 CSMA CA 算法需要进行信道评估时，MAC 层管理实体就会向物理层管理 实体发送该原语。如果此时接收机正处于激活状态，则物理层立即执行 CCA，完毕后 PLME 返回一个带有 BUSY 或 IDLE 状态的 PLME CCA.confirm 原语；如果接收机处于未激活状态， 则 PLME 返回一个 TRX_OFF 或 TX_ON 状态的 PLME CCA.confirm 原语。 物理层管理服务还有还有其他 9 个原语，这里就不一一介绍了，具体参见协议内容。 物理层枚举型数据 由上面介绍可知，其协议原语中的状态通常为枚举型，下面做了统计和归纳，列出了在 物理层协议规范中所定义的枚举型数据值以及相应的功能。 物理层枚举型数据的描述 枚举型 数据值 功能描述 BUSY 0x00 CCA 检测到一个忙的信道 BUSY_RX 0x01 收发机正处于接收状态时，要求改变其状态 BUSY_TX 0x02 收发机正处于发送状态时，要求改变其状态 FORCE_TRX_OFF 0x03 强制将收发机关闭 IDLE 0x04 CCA 检测到一个空闲信道 INVALID_PARAMETER 0x05 SET/GET 原语的参数超出了有效范围 RX_ON 0x06 收发机正处于或将设置为接收状态 SUCCESS 0x07 原语成功执行 TRX_OFF 0x08 收发机正处于或将设置为关闭状态 TX_ON 0x09 收发机正处于或将设置为发射状态 UNSUPPORTED_ATTRIBUTE 0x0A 不支持 SET/GET 原语属性标识符 2.22.22.22.2 物理层数据包 物理层数据单元（PPDU）结构 PPDU 数据包由以下几个基本部分组成： 同步包头 SHR：允许接受设备锁定在比特流上，并且与该比特流保持同步。 物理层包头 PHR：包含帧长度的信息。 物理层净荷：携带 MAC 层的帧信息，长度是个变量。 字节：4 1 1 变量 前同步码 帧定界符 帧长度（7 bits） 保留位（1 bit） PSDU 同步包头 物理层包头 物理层净荷 PPDU 数据包格式 如上图，同步包头由前同步码和帧定界符组成。前同步码引入的消息可获知码同步和符 号同步的信息。在 IEEE 802.15.4 中，前同步码由 32 个二进制数组成。而帧定界符由一个字 节组成，用来说明前同步码的结束和数据报数据的开始，它是一个给定的十六进制值 0xA7。 当物理层服务数据单元（PSDU）的数据包的长度为 5 个字节或大于 8 个字节，那么，物理 层服务数据单元携带 MAC 层的帧信息。 2.32.32.32.3 2.4GHz2.4GHz2.4GHz2.4GHz频带的物理层规范 IEEE 802.15.4 规定了 2.4GHz 物理层的数据传输速率为 250Kbps。 在 2.4GHz 物理层，采用 16 相位准正交调制技术。在调制前，将数据信号进行转换处 理，将信息按每 4 位信息比特进行处理，每 4 位组成一个符号数据，然后根据符号从 16 个 伪随机序列（PN）中，选取其中对应的一个作为传送序列。将所选出的 PN 序列串接起来， 并使用 O-QPSK 调制 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ，将这些集合在一起的序列调制到载波上。各功能模块如下所示。 PPDU 发送的 二进制数据 比特 -符号转 换器 符号 -码片转 换器 O-QPSK 调制 器 调制信号 调制扩展功能 进行比特-符号转换就是将每个字节按 4 比特位进行分解，从低 4 位开始，每 4 位转换 成一个符号数据。即从物理层协议数据单元的前同步码字段开始到最后一个字节。 然后进行符号数据的扩展，即每个符号数据映射成一个 32 位的伪随机序列（PN 序列）， 如下面映射表所示。 符号-码片的映射 符号数据 （十进制） 符号数据（二进制） （b0,b1,b2,b3） PN 序列 （c0c1c2…c30c31） 0 0000 11011001110000110101001000101110 1 1000 11101101100111000011010100100010 2 0100 00101110110110011100001101010010 3 1100 00100010111011011001110000110101 4 0010 01010010001011101101100111000011 5 1010 00110101001000101110110110011100 6 0110 11000011010100100010111011011001 7 1110 10011100001101010010001011101101 8 0001 10001100100101100000011101111011 9 1001 10111000110010010110000001110111 10 0101 01111011100011001001011000000111 11 1101 01110111101110001100100101100000 12 0011 00000111011110111000110010010110 13 1011 01100000011101111011100011001001 14 0111 10010110000001110111101110001100 15 1111 11001001011000000111011110111000 O-QPSKO-QPSKO-QPSKO-QPSK调制 O-QPSK 也称为偏移四相相移键控（offset- QPSK），是 QPSK 的改进型。它与 QPSK 有 同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。不同点在于它将同相和正 交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两路支路码元半周期的偏移，每次只有 一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，O-QPSK 信号相 位不会出现 180°的跳变。 将上述扩展后的码元序列通过半正弦脉冲形式的 O-QPSK 调制方法，将符号数据信号 调制到载波信号上。其中，编码为偶数的码元调制到 I 相位的载波上，编码为奇数的码元调 制到 Q 相位的载波上。为了使 I 相位和 Q 相位的码元调制存在偏移，Q 相位的码元相对于 I 相位的码元要延迟 Tc 秒发送，Tc 是码元速率的倒数，如下所示。 C0I 相位 Q相位 C2 C4 … C30 C1 C3 C5 … C31 2Tc Tc O-QPSK 码元相位偏移 其中 QPSK 正交调制器方框图如下所示，可以看做由两个 BPSK 调制器构成，首先将 输入的串行二进制信息序列经串并转换变成并行数据流，将每对双比特符号分成两路速率减 半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号 I（t）和 Q（t），然后分别对载波信号 coswt 和 sinwt 进行调制，相加后得到 QPSK 信号。 串 - 并 变换 电 平 产生 载 波 发 生器 90 度 移 相 电 平 产生 I（t） Q（t） 已调信号 QPSK 正交调制器 调制后的信号，在每个符号周期内，最低有效码元 c0 优先发送，最高有效码元 c31 最 后发送。 2.42.42.42.4 868/915MHz868/915MHz868/915MHz868/915MHz频带的物理层规范 868/915MHz 物理层工作在 868MHz 的频带，数据率为 20kbps；工作在 915MHz 频带上 时，数据率为 40kbps。 868/915MHz 物理层的码片调制方式采用带有二进制移相键控（BPSK）的直接序列扩 频（DSSS）技术，符号数据的编码则采用微分编码方式。 868/915MHz 物理层的调制扩展功能如下所示。物理层协议数据单元的每个比特位从前 同步码开始直到物理层服务数据单元的最后一个字节结束，按照字节的顺序依次经过微分编 码、比特码片映射和调制模块。和前面一样，最低位最先被处理。 对符号数据的编码，868/915MHz 物理层采用的是微分编码，即将原始数据比特位与前 一微分编码比特位进行模二加运算，即： 1-EnRnEn ⊕= 其中，Rn 为编码的原始数据； En 为与 Rn 相对应的微分编码比特位； En-1 是 En 的前一个微分编码比特位。 R1 为第一位所编码的原始数据，假设 E0 为 0。当接收机接收时，则要进行译码过程， 如下： 1-EnEnRn ⊕= 而比特-码片的映射则简单了如下 比特-码片的映射 输入比特 码片 （c0c1…c14） 0 111101011001000 1 000010100110111 码片序列通过采用升余弦脉冲形式的二相键控（BPSK）调制方法，将其调制到载波信 号上。其中，868MHz 频带的码片速率是 300kchip/s，915MHz 频带的码片速率是 600kchip/s。 BPSK 调制相对比较简单，对载波信号进行调制时，码元为 1 时则同相，为 0 时则反相。 802.15.4协议规范（物理层） 1．协议概述 1.1数据传输 1.2帧的结构 1.3原语概念 2.物理层协议规范 2.1物理层原语 2.2物理层数据包 2.32.4GHz频带的物理层规范 2.4868/915MHz频带的物理层规范