第12章IEEE802.15.4及ZigBee

協(xié)議規(guī)范12.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)12.2ZigBee協(xié)議規(guī)范本章小結(jié)

12.1IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

12.1.1IEEE802.15.4主要性能

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是短距離無線通信的個(gè)域網(wǎng)(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了個(gè)域網(wǎng)(PersonalAreaNetwork,PAN)中設(shè)備間的無線通信協(xié)議和接口。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用了多址接入/沖突檢測載波偵聽（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，CSMA/CA）的媒體接入或媒體訪問控制方式，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以是點(diǎn)對點(diǎn)或星形結(jié)構(gòu)。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)主要描述了物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)，通信距離一般在數(shù)十米的范圍之內(nèi)。IEEE802.15.4的物理層是WSN的通信基礎(chǔ)，MAC層實(shí)現(xiàn)對物理層的訪問，完成信標(biāo)的同步，支持個(gè)域網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)，提供MAC層實(shí)體間的可靠連接，執(zhí)行信道接入等任務(wù)。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)也采用了滿足ISO/OSI參考模型的分層結(jié)構(gòu)，定義了單一的MAC層和多樣的物理層。該標(biāo)準(zhǔn)具有以下主要性能：

（1）頻段、數(shù)據(jù)傳輸速率及信道個(gè)數(shù)。

在868MHz頻段，傳輸為20kb/s，信道數(shù)為1個(gè)；在

915MHz頻段，傳輸為40kb/s，信道數(shù)為10個(gè)；在2.4GHz

頻段，傳輸為250kb/s，信道數(shù)為16個(gè)。（2）通信范圍。

室內(nèi)：通信距離為10m時(shí)，傳輸速率為250kb/s。

室外：當(dāng)通信距離為30~75m時(shí)，傳輸速率為40kb/s；當(dāng)通信距離為300m時(shí)，傳輸速率為20kb/s。

（3）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及尋址方式。該標(biāo)準(zhǔn)支持點(diǎn)對點(diǎn)及星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；支持65536個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；支持64bit的IEEE地址，8bit的網(wǎng)絡(luò)地址。

（4）應(yīng)用領(lǐng)域。該標(biāo)準(zhǔn)可應(yīng)用于傳感器網(wǎng)絡(luò)及現(xiàn)場控制等領(lǐng)域。12.1.2IEEE802.15.4物理層

1.物理層的主要功能

物理層主要具有以下功能：

（1）激活和去激活無線收發(fā)器。

（2）對當(dāng)前信道進(jìn)行能量檢測。

（3）發(fā)送鏈路質(zhì)量指示。

（4）載波偵聽多址接入/沖突避免。

（5）信道頻率的選擇。

（6）數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。

（7）媒質(zhì)訪問控制方式的空閑信道評估。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所定義的物理層的工作頻段、傳輸速率及調(diào)制方式如表12.1.1所示。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用了三個(gè)頻段，每個(gè)頻段包含若干個(gè)信道，各信道劃分如下：

868MHz頻段：fc=868.3MHz，k=0，1個(gè)信道。

915MHz頻段：fc=906+2(k－1)MHz，k=1,2,…,10，10個(gè)信道。

2.4GHz頻段：fc=2405+5(k－11)MHz，k=11,12,…,26，16個(gè)信道。

2.物理服務(wù)規(guī)范

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了2.4GHz和868/915MHz兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，均采用了DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum,直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)及相同的數(shù)據(jù)包格式，但它們的工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率卻有所不同。物理層提供了MAC層和物理信道之間的接口，物理層的管理實(shí)體提供了用于調(diào)用物理層管理功能的管理服務(wù)接口。物理層的參考模型如圖12.1.1所示。圖12.1.1物理層參考模型在物理層的參考模型中，PLME(PhysicalLayerManagementEntity)為管理實(shí)體；PD-SAP(PhysicalDataServiceAccessPoint)為物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)；PIB(PANInformationBase)為物理層的個(gè)域網(wǎng)信息庫。

物理層提供了物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是由PD-SAP（物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)）提供的，物理層管理服務(wù)是由PLME中的PD-SAP提供的。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)在無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，通過PD-SAP

實(shí)現(xiàn)對等MAC層實(shí)體間的MPDU(MACProtocolDataUnit)傳輸。物理層管理服務(wù)用于維護(hù)物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫，通過PLME-SAP在MLME(MACLayerManagementEntity,MLME)和管理實(shí)體PLME之間的傳輸管理命令。

3.物理層幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.15.4物理層由4個(gè)字段組成，其幀結(jié)構(gòu)如圖12.1.2所示。第一個(gè)字段由4個(gè)字節(jié)組成前導(dǎo)碼，前導(dǎo)碼由32個(gè)“0”組成，用于收發(fā)器的通信同步。第二個(gè)字段為幀的起始分割字段，由1個(gè)字節(jié)組成，其固定為0xA7，作為幀開始的標(biāo)志。第三個(gè)字段為幀長度字段，由1個(gè)字節(jié)組成，字節(jié)的低

7位表示幀的長度，其余1位保留，幀的長度表示幀的負(fù)載長度，一般不超過127個(gè)字節(jié)。第四個(gè)字段為數(shù)據(jù)字段，它的長度可變，主要用來承載MAC幀。圖12.1.2物理層幀結(jié)構(gòu)幀起始分割符SFD(StartofFrameDelimiter)的長度為8bit，表示同步結(jié)束后數(shù)據(jù)包開始傳輸。SFD與前導(dǎo)碼構(gòu)成同步頭。幀長度（7bit）表示物理數(shù)據(jù)單元PSDU(PHYServiceDataUnit)的字節(jié)數(shù)。PSDU域是可變長度的，它攜帶了PHY數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)。12.1.3MAC層

1.MAC層的功能

IEEE802.15.4MAC層提供了MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層數(shù)據(jù)管理兩種服務(wù)。這兩種服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和物理層提供了一個(gè)接口。MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)提供了數(shù)據(jù)通信功能，MPDU的接收和發(fā)送可通過物理層來進(jìn)行。MAC層數(shù)據(jù)管理服務(wù)提供了向高層訪問的功能，通過MLME的SAP來訪問高層。

(1）使協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)功能。

（2）完成信標(biāo)同步功能。

（3）支持個(gè)域網(wǎng)關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)功能。

（4）支持節(jié)點(diǎn)安全規(guī)范功能。

（5）執(zhí)行信道接入的CSMA-CA機(jī)制。

（6）處理和維護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制。

（7）提供等MAC實(shí)體間的可靠連接。

2.MAC層的服務(wù)規(guī)范

可通過MAC層的兩個(gè)SAP分別訪問IEEE802.15.4的MAC層提供的MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。

對于MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)，可通過MCPS-SAP（MCPS數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)）進(jìn)行訪問。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持MCPS-DATA.Request原語，用來請求從本地SSCS(ServiceSpecificConvergence

Sub-layer，業(yè)務(wù)相關(guān)匯聚子層)實(shí)體向另外一個(gè)對等的SSCS實(shí)體傳輸數(shù)據(jù)。對于MAC層管理服務(wù)，可通過MLME的E-SAP（管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)）來訪問。

IEEE802.15.4的MAC層支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)。通過SSCS協(xié)議承載IEEE802.2類型的LLC標(biāo)準(zhǔn)，可同時(shí)允許其

他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE802.15.4的MAC層服務(wù)。

SSCS與PHY層間的接口是由PD-SAP和PLME-SAP兩個(gè)接入點(diǎn)的接口組成的。除了這些外部接口，MLME和MCPS之間還存在一個(gè)內(nèi)部接口，MLME可以通過該接口訪問MAC數(shù)據(jù)服務(wù)。

3.MAC層的幀結(jié)構(gòu)

IEEE802.15.4的幀結(jié)構(gòu)是以保證在有噪聲的信道中可靠傳輸數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上盡量降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度為原則而設(shè)計(jì)的。

IEEE802.15.4的MAC層定義了4種基本幀：

(1）信標(biāo)幀：供協(xié)商者使用。

(2）數(shù)據(jù)幀：用來承載數(shù)據(jù)。

(3）響應(yīng)幀：用來確認(rèn)幀的可靠傳輸。

(4）命令幀：用來處理MAC層對等實(shí)體間的數(shù)據(jù)傳輸

控制。

MAC層被送到PYH層作為物理層數(shù)據(jù)幀的一部分。MAC幀由以下三個(gè)基本部分構(gòu)成：

（1）MHR：包含幀控制、序列號和地址信息。

（2）可變MAC負(fù)載：包括對應(yīng)幀類型的信息。

（3）MFR：包括FCS。

MAC幀由幀頭(MACHeader，MHR)、MAC負(fù)載和幀尾(MACFooter，MFR）構(gòu)成。幀頭由幀控制、幀序列號和地址信息組成。MAC負(fù)載的長度可變，具體長度由幀的類型來確定。幀尾是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的16位錯(cuò)誤檢測碼序列。通用MAC幀的結(jié)構(gòu)如圖12.1.3所示。圖12.1.3通用MAC幀結(jié)構(gòu)幀控制域占用2字節(jié)長度，包含幀類型定義、尋址域以及其他控制標(biāo)志等；幀序列號域長度為1字節(jié)，用來為每個(gè)幀提供唯一的序列標(biāo)識；目標(biāo)PAN標(biāo)識域占2字節(jié)，內(nèi)容是指定接收方的唯一PAN標(biāo)識；目標(biāo)地址域用來指定接收方的地址；源PAN標(biāo)識域占用2字節(jié)，即數(shù)據(jù)發(fā)送端地址域，是發(fā)送幀的設(shè)備地址；幀負(fù)載域長度可變，不同的幀類型其內(nèi)容也不相同；幀檢驗(yàn)序列域有16位長，包含一個(gè)16位的CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)部分。

1）信標(biāo)幀

信標(biāo)幀由三部分構(gòu)成。其中，MAC負(fù)載部分是信標(biāo)幀的有效信息，由超幀規(guī)范描述字段、同步時(shí)隙分配（GTS）字段、待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段和信標(biāo)幀負(fù)載4個(gè)部分組成。信標(biāo)幀的結(jié)構(gòu)如圖12.1.4所示。圖12.1.4信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)信標(biāo)幀中超幀規(guī)范描述字段規(guī)定了這個(gè)超幀的持續(xù)時(shí)間，活躍部分持續(xù)時(shí)間以及競爭訪問持續(xù)時(shí)間等信息。

同步時(shí)隙分配(GTS）字段將無競爭的時(shí)段劃分為若干個(gè)GTS，并把每個(gè)GTS分配給網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)具體設(shè)備。

待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址列出了工作協(xié)同設(shè)備的設(shè)備地址。一個(gè)設(shè)備如果發(fā)現(xiàn)自己的地址出現(xiàn)在待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段里，即可確定協(xié)調(diào)器中存儲(chǔ)了該設(shè)備的數(shù)據(jù)，于是就會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)出請求發(fā)送數(shù)據(jù)的MAC命令幀。

2）數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀用來傳輸上層發(fā)送到MAC層的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)幀的負(fù)載字段包括了上層需要傳送的數(shù)據(jù)。要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳送到MAC層時(shí)，成為MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元，在數(shù)據(jù)的起始和結(jié)尾部分分別附加了MHR頭信息和MFR信息后，就構(gòu)成了MAC幀。

MAC幀被傳送到物理層后，成為物理幀的負(fù)載PSDU。在物理層中，PSDU的首部增加了同步信息SHR和幀長度字段PHR字段后成為物理層幀。數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)如圖12.1.5所示。圖12.1.5數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3）確認(rèn)幀

如果節(jié)點(diǎn)設(shè)備收到的目的地址為自己的數(shù)據(jù)幀，并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認(rèn)請求被置1，那么此時(shí)節(jié)點(diǎn)設(shè)備需要

回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀。確認(rèn)幀的序列號應(yīng)與被確認(rèn)幀的序列號相同，并且負(fù)載長度應(yīng)為0。確認(rèn)幀緊接著被確認(rèn)的幀發(fā)送，不需要采用CSMA-CA機(jī)制競爭信道。確認(rèn)幀的結(jié)構(gòu)如圖12.1.6所示。圖12.1.6確認(rèn)幀結(jié)構(gòu)

4.超幀結(jié)構(gòu)

在低速率應(yīng)用時(shí)，無線個(gè)域網(wǎng)允許使用超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器定義，超幀被分為16個(gè)大小相等的時(shí)隙，由協(xié)調(diào)器發(fā)送，如圖12.1.7所示。采用網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)來分隔不同的超幀，信標(biāo)幀在超幀的第一個(gè)時(shí)隙傳輸。圖12.1.7超幀結(jié)構(gòu)12.2ZigBee協(xié)議規(guī)范

ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(Bee)靠飛翔和“嗡嗡”(Zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee的特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，如圖12.2.1所示。圖12.2.1ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)應(yīng)用層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù)，是協(xié)議棧的最上層用戶。應(yīng)用匯聚層負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)層上，主要有安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層的功能包括拓?fù)涔芾?、MAC管理、路由管理和安全管理。數(shù)據(jù)鏈路層提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸功能。物理層定義了無線通信的頻段和各頻段的信道分配。12.2.1數(shù)據(jù)鏈路層與物理層和MAC層

1.數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層可分為邏輯鏈路控制(LogicLinkControl,LLC)子層和介質(zhì)訪問控制子層(MAC)。IEEE802.15.4的LLC子層具有可靠的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸?shù)裙δ堋EEE802.15.4的MAC子層用于完成無線鏈路的建立、維護(hù)和拆除，確認(rèn)幀的傳送與接收，信道的接入控制以及幀校驗(yàn)、預(yù)留時(shí)隙和廣播信息的管理。

2.物理層和MAC層

ZigBee采用了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中的物理層和MAC層。ZigBee的工作頻段為三種，即歐洲的868MHz頻段、美國的915MHz頻段和全球通用的2.4GHz頻段。在868MHz頻段上，ZigBee分配了1個(gè)帶寬為0.6MHz的信道；在915MHz的頻段上，分配了10個(gè)帶寬為2MHz的信道；在2.4GHz的頻段上，分配了16個(gè)帶寬為5MHz的信道。這三種工作頻段均采用了DSSS（直接序列擴(kuò)頻）技術(shù)，但它們的調(diào)制方式有所不同。868MHz和915MHz頻段采用的是DPSK，2.4GHz則采

用的是Q-QPSK調(diào)制方式。

DSSS技術(shù)具有較好的抗干擾能力，同時(shí)在其他相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù)。在發(fā)射功率為0dBm的情況下，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的通信半徑通常只有10m，而基于IEEE802.15.4的ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30~50m的通信距離；在室外，如果障礙物較少，通信距離甚至可以達(dá)到100m。同時(shí)調(diào)相技術(shù)的誤碼性能要優(yōu)于調(diào)頻和調(diào)幅技術(shù)。IEEE802.15.4的數(shù)據(jù)傳輸

速率不高，2.4GHz頻段只有250kb/s，868MHz頻段只有

20kb/s，915MHz頻段只有40kb/s。因此ZigBee及IEEE

802.15.4為低速率的短距離無線通信技術(shù)。

ZigBee可以支持星型、網(wǎng)型和復(fù)合型等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖12.2.2所示。圖12.2.2ZigBee支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示例物理層的上層是MAC層，其核心技術(shù)是信道接入技術(shù)和隨機(jī)接入信道技術(shù)CSMA/CA。ZigBee及IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)均工作在同一個(gè)信道上，當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)要向另一個(gè)節(jié)

點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)間正在通信，就有可能發(fā)生沖突。為此，MAC層采用了CSMA/CD媒質(zhì)訪問控制技術(shù)，即當(dāng)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，先監(jiān)聽信道，如果信道空閑，則可以發(fā)送數(shù)據(jù)，否則，就要進(jìn)行隨機(jī)的退避，延遲一段隨機(jī)時(shí)間，然后再進(jìn)行監(jiān)聽，這個(gè)退避的時(shí)間是指數(shù)增長的，但有一個(gè)最大值，即如果上一次退避之后再次監(jiān)聽信道忙，則退避時(shí)間要增倍，這樣做的原因是如果多次監(jiān)聽信道都忙，有可能表明信道上的數(shù)據(jù)量較大，因此節(jié)點(diǎn)需等待更長的時(shí)間，以避免繁忙的監(jiān)聽。通過這種信道接入技術(shù)，所有節(jié)點(diǎn)競爭共享同一個(gè)信道。在MAC層當(dāng)中還規(guī)定了兩種信道接入模式：一種是信標(biāo)(Beacon)模式，另一種是非信標(biāo)模式。

信標(biāo)模式當(dāng)中規(guī)定了“超幀”的格式，在超幀的開始發(fā)送信標(biāo)幀，信標(biāo)里面包含一些時(shí)序以及網(wǎng)絡(luò)的信息，緊接著是競爭接入時(shí)期，在這段時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時(shí)期，節(jié)點(diǎn)采用時(shí)分復(fù)用的方式接入信道，然后是非活躍時(shí)期，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個(gè)超幀周期的開始又發(fā)送信標(biāo)幀。非信標(biāo)模式則比較靈活，節(jié)點(diǎn)均以競爭方式接入信道，不需要周期性地發(fā)送信標(biāo)幀。顯然，在信標(biāo)模式當(dāng)中由于有了周期性的信標(biāo)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都能同步通信，但這種同步網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不會(huì)很大。實(shí)際上，在ZigBee當(dāng)中用得更多的可能是非信標(biāo)模式。

ZigBee的物理層和MAC層由IEEE802.15.4制定；高層

的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層(ApplicationSupportLayar,ASP)、

應(yīng)用框架(ApplicationFrame,AF)、Zigbee設(shè)備對象(ZigBeeDeviceObject,ZDO)和安全組件(SSP)均由ZigBeeAlliance所制定，它是一個(gè)為能源管理應(yīng)用、商業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用創(chuàng)造無線解決方案、橫跨全球的公司聯(lián)盟。12.2.2網(wǎng)絡(luò)層

1.網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持星型、樹型和網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。若采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備來進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制。ZigBee協(xié)調(diào)器能夠啟動(dòng)和維持網(wǎng)絡(luò)正常工作，使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信。若采用網(wǎng)型和樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，ZigBee協(xié)調(diào)器則負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以及選擇關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。在樹型網(wǎng)絡(luò)中，路由器采用分級路由策略來傳送數(shù)據(jù)和控制信息。網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備之間使用完全對等的通信方式，ZigBee路由器不發(fā)送通信信標(biāo)。

2.網(wǎng)絡(luò)層及路由算法

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的功能為拓?fù)涔芾?、MAC管理、路由管理和安全管理。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是路由管理。其中，路由算法是網(wǎng)絡(luò)層的核心。

網(wǎng)絡(luò)層主要支持樹型路由和網(wǎng)型網(wǎng)路由兩種路由算法。在樹型路由算法中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可看做是以協(xié)調(diào)器為主干的一棵樹，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)是在協(xié)調(diào)器的基礎(chǔ)上建立的。樹型路由采用了一種特殊的地址分配算法，使用深度、最大深度、最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)和最大子路由器數(shù)四個(gè)參數(shù)來計(jì)算新節(jié)點(diǎn)的地址。這樣，尋址時(shí)根據(jù)地址就能計(jì)算出路徑，而路由只有“向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送”或者“向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送”兩個(gè)方向。樹型路由算法及實(shí)現(xiàn)機(jī)制不需要路由表，因此節(jié)省了存儲(chǔ)資源，但存在靈活性不夠、路由效率低的缺點(diǎn)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)型網(wǎng)路由是一種非常適合于低成本無線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)需要維護(hù)一個(gè)路由表，這樣就需耗費(fèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)資源，但它能

實(shí)現(xiàn)的路由效率高，且使用靈活。

另外，除了以上兩種路由機(jī)制及路由算法外，ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以采用鄰居表路由算法。鄰居表路由實(shí)質(zhì)上是一個(gè)特殊的路由表，數(shù)據(jù)傳輸不是通過多跳，而只需要一跳就可實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)向目的節(jié)點(diǎn)的傳輸發(fā)送。

3.數(shù)據(jù)接口及網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)

ZigBee即網(wǎng)絡(luò)層的各個(gè)組成部分和彼此間的接口關(guān)系，如圖12.2.3所示。圖中NLDE-SAP為網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體的服務(wù)接入點(diǎn)，MLME-SAP是網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體的服務(wù)接入點(diǎn)，MCPS-SAP是媒體接入控制公共部分子層的服務(wù)接入點(diǎn)，MLME-SAP是MAC層管理實(shí)體的服務(wù)接入點(diǎn)。圖12.2.3網(wǎng)絡(luò)層的各個(gè)組成部分及接口關(guān)系網(wǎng)絡(luò)層通過兩種服務(wù)接入點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)接入，網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)接入。

網(wǎng)絡(luò)層要為IEEE802.15.4的MAC層提供支持，確保ZigBee的MAC層正常工作，同時(shí)為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)

接口。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必需的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(NIDE)通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLDE-SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(NLME-SAP)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體提供以下服務(wù)：

（1）產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過增加一個(gè)適當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭從應(yīng)用支持層協(xié)議數(shù)據(jù)單元中生成網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。

（2）指定傳輸拓?fù)渎酚伞＞W(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體能夠發(fā)送一個(gè)網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元到一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)終端設(shè)備，目標(biāo)終端設(shè)備也可以是通信鏈路中的一個(gè)中間通信設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體提供如下服務(wù)：

（1）配置新的設(shè)備。為保證設(shè)備正常工作的需要，設(shè)備應(yīng)具有足夠的堆棧，以滿足配置的需要。配置選項(xiàng)包括對一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和連接一個(gè)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的初始化操作。

（2）加入或離開網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體具有連接或者

斷開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能力，以及為建立一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee路由器，具有要求設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)斷開的能力。（3）ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee路由器具有為新加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址能力。

（4）具有發(fā)現(xiàn)、記錄和匯報(bào)相關(guān)的一跳鄰居設(shè)備信息的能力。

（5）具有發(fā)現(xiàn)和記錄有效地傳送信息的網(wǎng)絡(luò)路由的能力。（6）具有控制設(shè)備接收機(jī)接收狀態(tài)的能力，即控制接收機(jī)的接收時(shí)間、接收時(shí)間的長短，以保證MAC層的同步或者正常接收等。

4.原語

在分層的通信協(xié)議中，層與層之間通過服務(wù)訪問接入點(diǎn)SAP訪問，每一層都可以通過本層和下層的SAP調(diào)用下層為本層提供相應(yīng)的服務(wù)，同時(shí)通過與上層的SAP為上層提供相應(yīng)的服務(wù)。訪問點(diǎn)SAP是通信協(xié)議中層與層之間的通信接口，并以通信原語的形式供上層調(diào)用。在調(diào)用下層服務(wù)時(shí)，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，而不必了解下層是處理原語的細(xì)節(jié)。這樣，通過原語方式就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。層與層之間的原語分成請求原語、確認(rèn)原語、指示原語和響應(yīng)原語。

5.網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)為其上層和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體

之間傳送管理命令并提供通信接口。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體支持NLME-SAP接口原語，這些原語包括網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)的形成、允許設(shè)備連路由器的初始化、設(shè)備同網(wǎng)絡(luò)的連接等原語。

6.網(wǎng)絡(luò)層幀格式

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層幀由幀報(bào)頭和可變長有效載荷組成。網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭包含幀控制、地址和序列信息；網(wǎng)絡(luò)層幀的可變長有效載荷包含幀類型所指定的信息。網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)如圖12.2.4

所示。圖12.2.4網(wǎng)絡(luò)層幀一般格式幀控制域由16bit組成，內(nèi)容包括幀類型、地址、序列域以及其他的控制標(biāo)記。

在網(wǎng)絡(luò)層幀中，必須要有目的地址域，該域長度為兩個(gè)字節(jié)，用來存放目標(biāo)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址或廣播地址(0xFFFF)。在網(wǎng)絡(luò)層幀中，源地址域是必需的，長度為兩個(gè)字節(jié)，其值是16位的源設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址。

廣播半徑域在幀的目的地址為廣播地址(0xFF17F)時(shí)才有效，長度為一個(gè)字節(jié)，用來設(shè)定傳輸半徑。12.2.3應(yīng)用規(guī)范

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的上一層是應(yīng)用層，應(yīng)用層包括應(yīng)用支

持子層(APS)和ZigBee設(shè)備對象(ZDO)等部分，主要規(guī)定了端點(diǎn)(Endpoint)、綁定(Binding)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)和設(shè)備發(fā)現(xiàn)等一些和應(yīng)用相關(guān)的功能。

綁定指的是根據(jù)兩個(gè)設(shè)備所提供的服務(wù)和它們的需求而將兩個(gè)設(shè)備關(guān)聯(lián)起來。APS子層的任務(wù)包括了維護(hù)綁定表和綁定設(shè)備間的消息傳輸。

1.ZigBee應(yīng)用支持子層ASP

APS是網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的接口，通過該接口可以調(diào)用一系列被ZDO和用戶自定義應(yīng)用對象的服務(wù)。

2.ZigBee設(shè)備協(xié)定

ZigB