1. 介紹
ZigBee PHY層，即IEEE 802.15.4 PHY層，這里主要介紹了802.15.4-2003版本
PHY主要實現了如下功能
- 啟動和關閉RF收發器 - 信道能量檢測(Channel ED) - 接收數據包鏈路質量檢測(LQI) - CSMA-CA的信道忙閑評估(CCA) - 信道頻率選擇 - 數據的發送和接收
需要注意區分: 收發器(transceiver)、發射器(transmitter)、接收器(receiver)
2. 服務
PHY通過RF固件和硬件為MAC層提供了兩種類型的服務：PHY數據服務和PHY管理服務
PHY數據服務使PHY能通過物理無線信道傳輸和接收PHY協議數據單元(PPDU)；PHY管理服務為PLME提供接口
PHY包括一個稱為PLME的管理實體；PLME提供了層管理服務接口，通過該接口可以調用層管理功能；PLME還負責維護與PHY有關的被管理對象的數據庫，該數據庫被稱為PHY PIB
其中，PHY數據服務，通過PD-SAP(PHY Data SAP)訪問；PHY管理服務，通過PLME-SAP(PLME's SAP)訪問
參考模型如下圖所示
2.1 數據服務
PD-SAP支持在對等MAC子層實體之間傳輸MPDU
PD-SAP支持的原語為PD-DATA；PD-DATA包括Request、Confirm、Indication
2.1.1 PD-DATA request/confirm
PD-DATA.request原語由MAC層發起，向PHY層請求MPDU數據的傳輸
PHY實體收到該原語並且收發器使能時(TX_ON狀態)，PHY首先構造包含PSDU的PPDU，然后傳輸該PPDU；傳輸完成時，通過PD-DATA.confirm原語反饋結果
該原語語法和參數為
- PD-DATA.request(psduLength, psdu) - PD-DATA.confirm(status) psduLength: 待傳輸PSDU字節數, 0~aMaxPHYPacketSize psdu: 待傳輸PSDU數據 status: 數據傳輸結果, SUCCESS、RX_ON、TRX_OFF
2.1.2 PD-DATA Indication
PD-DATA.indication原語指示MPDU從PHY到本地MAC子層實體的傳送
該原語由PHY實體生成並發布到其MAC子層實體以傳送接收的PSDU；當psduLength為零或大於aMaxPHYPacketSize，則不生成該原語；收到該原語后，MAC層則會被通知一個PSDU的到達
該原語語法和參數為
- PD-DATA.indication(psduLength, psdu, ppduLinkQuality) psduLength: 待接收PSDU字節數, 0~aMaxPHYPacketSize psdu: 待接收PSDU數據 ppduLinkQuality: PSDU接收時LQ值, 0x00-0xff
2.2 管理服務
PLME-SAP用於在MLME和PLME之間傳輸管理命令
PLME-SAP支持的原語為PLME-CCA、PLME-ED、PLME-GET、PLME-SET-TRX-STATE、PLME-SET；
每個原語包括Request、Confirm
2.2.1 PLME-CCA
MLME通過PLME-CCA.request原語向PLME請求CSMA-CA信道忙閑評估；
PLME完成CCA后，通過PLME-CCA.confirm原語反饋CCA結果
該原語語法和參數為
- PLME-CCA.request() - PLME-CCA.confirm(status) status: TRX_OFF、TX_ON、BUSY、IDLE
2.2.2 PLME-ED
MLME通過PLME-ED.request原語向PLME請求信道能量檢測，PLME對PHY執行該操作；
操作完成后PLME通過PLME-ED.confirm反饋結果
該原語語法和參數為
- PLME-ED.request() - PLME-ED.confirm(status, EnergyLevel) status: 檢測結果, SUCCESS、TRX_OFF、TX_ON EnergyLevel: 當前信道能量值, 0x00-0xff
2.2.3 PLME-GET
MLME通過PLME-GET.request原語向PLME請求獲取PHY PIB Attribute值；
PLME從數據庫中檢索並通過PLME-GET.confirm反饋對應結果
該原語語法和參數為
- PLME-GET.request(PIBAttribute) - PLME-GET.confirm(status, PIBAttribute, PIBAttributeValue) status: 請求結果, SUCCESS、UNSUPPORTED_ATTRIBUTE PIBAttribute: 待獲取PHY PIB attribute PIBAttributeValue: PHY PIB attribute值
2.2.4 PLME-SET-TRX-STATE
MLME通過PLME-SET-TRX-STATE.request原語請求PLME改變receiver的操作狀態，PLME對PHY執行該操作；
操作完成后PLME通過PLME-SET-TRX-STATE.confirm反饋操作結果
該原語語法和參數為
- PLME-SET-TRX-STATE.request(state) - PLME-SET-TRX-STATE.confirm(status) state: 請求狀態, RX_ON、TRX_OFF、FORCE_TRX_OFF、TX_ON status: 請求結果或者當前狀態, SUCCESS, RX_ON、TRX_OFF、TX_ON、BUSY_RX、BUSY_TX
2.2.5 PLME-SET
MLME通過PLME-SET.request原語向PLME請求寫入PHY PIB Attribute值；
PLME將對應數據寫入數據庫並通過PLME-SET.confirm反饋結果
該原語語法和參數為
- PLME-SET.request(PIBAttribute, PIBAttributeValue) - PLME-SET.confirm(status, PIBAttribute) status: 操作結果, SUCCESS、UNSUPPORTED_ATTRIBUTE、INVALID_PARAMETER PIBAttribute: 待寫入PHY PIB attribute PIBAttributeValue: 待寫入PHY PIB attribute值
2.3 枚舉描述
下圖顯示了PHY規范中定義的枚舉值的描述
3. PPDU格式
PPDU, PHY Protocol Data Unit, 即PHY協議數據單元
TIP: 八位字節字段應首先發送或接收最低有效八位字節，並且每個八位字節應首先發送或接收LSB；該規定適用於PHY和MAC子層之間傳輸的數據傳輸
3.1 報文格式
PPDU包由以下組成部分
- SHR, Synchronization Header, 允許接收設備同步並鎖定比特流 - PHR, PHY Header, 包含幀長度信息 - PHY Payload, MAC層幀數據, 長度可變
通用格式如下圖所示
3.2 字段描述
PPDU各字段含義如下
Preamble: 前導碼, 通常為32個二進制零, 收發器用以獲得與傳入消息的芯片和符號同步
SFD: Start-of-Frame Delimiter, 幀定界符, 8bit, 用來指示前導碼的結束和分組數據的開始, 格式如下圖
Frame Length: 幀長度字段, 7bit, 標識PSDU字節數, 取值范圍為0~aMaxPHYPacketSize
PSDU: 可變長度並包含PHY分組數據; 長度為5或者8及以上時, PSDU包含MAC層幀
4. PHY常量和PIB屬性
4.1 PHY常量
在PHY中定義了如下兩個常量
4.2 PIB屬性
PHY PIB定義了管理PHY所需的屬性；可以分別使用PLME-GET.request和PLME-SET.request原語讀取或寫入
5. PHY規范
該章節主要介紹了2.4 GHz PHY的規范要求
5.1 速率
2.4GHz PHY速率應為250 kb/s
5.2 調制和擴頻
2.4GHz PHY采用16進制准正交調制技術，其調制和擴頻功能參考如下圖
5.2.1 Bit-to-symbol映射
Bit-to-symbol將PPDU中包含的所有二進制數據映射到數據符號中
從前導碼開始至最后一個八位字節結束，對於每個二進制八位字節先處理最低有效位，然后是高有效位
以一個八位字節為例, 先將其4個LSB(b0，b1，b2，b3)應映射成一個數據符號，隨后將4個MSB(b4，b5，b6，b7)映射到下一個數據符號
5.2.2 Symbol-to-chip映射
Symbol-to-chip是將每個數據符號映射到下表中規定的32碼片PN(Pseudo-random Noise)序列
其中，PN序列通過循環移位和/或共軛(即，奇數索引的碼片值的反轉)彼此相關
5.2.3 O-QPSK調制
O-QPSK調制過程將芯片序列通過半正弦脈沖整形濾波器進行O-QPSK調制至載波
其中，偶數索引的碼片調制到I-Phase載波上，奇數索引的碼片調制到Q-Phase載波上
因為數據符號由32碼片序列表示，所以碼片速率（通常為2.0 Mchip / s）是符號速率的32倍；為了形成I相和Q相芯片調制之間的偏移，Q相芯片應相對於I相芯片延遲Tc（Tc是芯片速率的倒數）
5.2.4 脈沖形狀
用於描述基帶芯片的半正弦脈沖形狀由如下公式描述
其形狀如下
5.2.5 芯片傳輸順序
對於芯片序列的傳輸，首先發送最低有效位c0，最后發送最高有效位c31
5.3 無線電規范
除滿足不同地區監管要求外，在2.4 GHz頻段工作的設備還應滿足下面的無線電要求
！！！ 在下無能，規范這里真心是看不懂！！！
6. 通用無線電規范
這里介紹的無線電規范同時適用於2.4 GHz PHY和868/915 MHz PHY
6.1 TX-to-RX周轉時間
TX-to-RX周轉時間應小於aTurnaroundTime
其測量方式為從最后發送的符號的后沿開始，直到接收器准備好開始接收下一個PHY分組結束
6.2 RX-to-TX周轉時間
RX-to-TX周轉時間應小於aTurnaroundTime
其測量方式為從接收分組的最后一個Symbol的最后一個Chip的后沿開始，直到發射器准備好開始發送所得到的確認結束； 實際傳輸開始時間由MAC子層指定
6.3 誤差矢量幅度
誤差矢量幅度, EVM(Error-vector magnitude)，是在一個給定時刻理想無誤差基准信號與實際發射信號的向量差，是衡量一個RF系統總體質量指標
在802.15.4中，通過EVM測量來確定接收器的調制精度
其測量方式為: 捕獲N個接收的復合碼片值的時間記錄
；對於每個接收到的復合碼片，決定傳輸哪個復合碼片值；所選復合碼片的理想位置由矢量表示
； 誤差向量定義為從理想位置到接收點實際位置的距離
其中，接收矢量是理想矢量和誤差矢量之和 
IEEE Std 802.15.4-2003 EVM計算公式如下（S為？？？）
IEEE 802.15.4要求1000次chip其EVM值應小於35％
6.4 頻率容差
頻率容差，frequency tolerance，發射的特征頻率偏離參考頻率的最大允許偏差，單位為百萬分之幾(ppm)
傳輸中心的頻率容差最大為±40 ppm
6.5 發射功率
發射功率，transmit power，IEEE 802.15.4規定發射器必須能夠發射至少-3dBm； 設備應盡可能傳輸較低的功率，以減少對其他設備和系統的干擾；最大發射功率受當地監管機構的限制
6.6 接收器最大輸入電平
IEEE 802.15.4 接收器最大輸入電平應大於或等於-20 dBm
6.7 能量檢測
接收器ED的測量旨在作為信道選擇算法的一部分由網絡層使用，它是IEEE 802.15.4信道帶寬內接收信號功率的估計值
ED測量結果通過PLME-ED.confirm上報被MLME，范圍為0x00-0xff；最小值0表示接收功率低於規定的接收器靈敏度10dB；ED值跨越的接收功率應至少為40dB；在此范圍內，從接收功率(以分貝為單位)到ED值的映射應為線性，精度為±6dB
6.8 LQI
LQI測量是對接收分組的強度和質量的表征；可以使用接收器ED，信噪比估計或這些方法的組合來實現測量；IEEE 802.15.4未規定網絡層或應用層對LQI結果的使用
應對每個接收到的數據包執行LQI測量，並使用PD-DATA.indication將結果報告給MAC子層，范圍為0x00到0xff；最小和最大LQI值應與最低和最高質量相關聯
6.9 CCA
IEEE 802.15.4 PHY應提供根據以下三種方法中的至少一種執行CCA的能力：
- CCA模式1: 能量高於閾值, 在檢測到高於ED閾值的任何能量時, CCA應報告介質繁忙 - CCA模式2: 僅限載波偵聽, 只有在檢測到具有IEEE 802.15.4的調制和擴頻特性的信號時, CCA才應報告介質繁忙; 該信號可以高於或低於ED閾值 - CCA模式3: 載波檢測能量高於閾值, 只有在檢測到具有IEEE 802.15.4的調制和擴頻特性且能量高於ED閾值的信號時, CCA才應報告繁忙的媒體
對於任何CCA模式，如果在接收PPDU期間PHY接收到PLME-CCA.request原語，則CCA應報告介質繁忙；在檢測到SFD之后，PPDU接收被認為正在進行中，並且它一直在進行，直到已經接收到由解碼的PHR指定的八位字節的數量
繁忙信道應由PLME-CCA.confirm原語指示，狀態為BUSY；空閑信道應由PLME-CCA.confirm原語指示，狀態為IDLE
PHY PIB屬性phyCCAMode應指示適當的操作模式
CCA參數符合以下標准：
a) ED閾值應至少比指定的接收機靈敏度高10dB
b) CCA檢測時間應等於8個符號周期
參考:
<IEEE 802.15.4-2003>
<End-to-End IEEE 802.15.4 PHY Simulation>