IEEE802.15.4 簡介
原文資料：https://wenku.baidu.com/view/d533e36f0740be1e650e9aa5.html?from=search
概述：
為什么選擇802.15.4？
LR-WPAN的工業化標准；
基於DSSS傳輸，可以與WLAN共存；
GTS用於實時應用；
提供安全機制。
與藍牙、WLAN的對比
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802.15.4（zigbee) |
802.15.1（藍牙） |
802.11（WLAN) |
| 工作頻段 |
2.4GHz/868MHz/915MHz |
2.4GHz |
2.4G 5G |
| 峰值速率 |
259kb/s |
720kb/s |
450Mb/s |
| 調制方式 |
DSSS |
FHSS |
DSSS,OFDM |
| 覆蓋范圍 |
10~75m |
<10m |
100m |
| 拓撲結構 |
星型、點對點、簇樹及混合 |
點對點主從 |
AC-AP,胖AP，MESH |
| 實時特效 |
否 |
是 |
是 |
| 接入方式 |
CSMA/CA |
輪詢-答復 |
CSMA/CA |
| 糾錯機制 |
差錯檢測/重傳 |
前向糾錯 |
差錯檢測/重傳 |
| 業務范圍 |
數據 |
數據+語音 |
多種 |
802.15.4的結構
應用層、網絡層、MAC層、PHY
802.15.4的主要特征
低速率（250/40/20 kb/s）、短距離、低功耗、低內存、低價、星型/點對點/簇樹拓撲結構，CSMA/CA 信道接入、動態設備地址
PHY 概述
PHY的職責
Activation and deactivation of the radio transceiver
ED(Energy Detection) within the current channel
LQI(Link Quality Indication) for received packets
CCA(Clear Channel Assessment) for CSMA/CA
Channel frequency selection
Data transimssion and reception
PHY Packet Fields
Preamble 32bits
Start of packet Delimiter 8bits
Phy Header 8 bits
PSDU 0~1016bits
| Preamble |
Start of Packet Delimiter |
PHY Header |
PHY Service Data Unit |
MAC 概述
MAC層的主要任務
協調者發送網絡beacon幀；
beacon的同步；
支撐PAN的關聯、去關聯；
支撐設備安全；
運用CSMA/CA與信道接入；
處理GTS機制；
提供兩個設備之間可靠的鏈接。
802.15.4一些概念
兩種設備類型：
RFD:reduced function device 精簡功能設備
FFD:full function device 全功能設備
FFD有能力成為協調者並選取一個信道建立新網絡，而RFD只能關聯協調者才能使用網絡。FFD才有資格向協調者提出GTS使用申請。
三種設備角色：
端設備：（RFD、FFD）簡單的收發，不能進行分組的轉發。
協調器：（FFD）通常通過發送beacon實現與周圍節點的同步，具有轉發分組的功能。
網絡協調器：（FFD）為整個網絡的主控節點，且每個802.15.4網絡只能有一個網絡協調者。
兩種拓撲結構：
星型網絡：只存在一個協調點即網絡協調點，其它節點均為普通節點。
對等網絡：除了網絡協調點和普通節點外，還存在協調點，任意兩個在通信范圍內的節點都可以相互通信。pu
四種幀結構：
信標幀：實現協調點和周圍節點的同步並對超幀結構進行相應的描述，同時節點可以beacon識別各個網絡。
數據幀：與上層協議相關。
確認幀：
MAC命令幀：
三種不同的傳輸模式：
普通節點到協調者；
協調點到普通節點；
對等節點間的業務傳輸；
三類通信業務處理方式：
直接傳輸：
間接傳輸：當協調點要向節點傳輸數據或MAC命令幀時，將要傳輸的信息存儲到信息列表中，等待節點發出數據請求命令后才可發送。
預留時隙GTS中的傳輸：對於實時業務，節點間的通信可在GTS內直接進行。
IEEE802.15.4標識和地址
PANid 唯一標識一個PAN，同一PAN中的所有device使用同一個PANid；
PANid兩字節，0xFFFF為廣播地址，0xFFFE表示節點已經加入了網絡但還沒有從父節點獲得短地址，這是節點只能使用自己的長地址發數據包。
PANid一般由PAN coordiantor選取，PAN coordiantor 在發起一個PAN之前，會掃描周圍使用的PANid，然后選擇一個與周圍節點不同的PANid，發起自己的PAN。
長地址8字節，一般存在ROM中，短地址的好處是減少MAC頭開銷，同時，短地址可以提供路由信息。
MAC運行模式
信標不使能網絡：
設備通過無時隙的CSMA/CA機制發送數據
信標使能網絡：
協議引入超幀的概念，實現協調器和設備的時間同步、識別PAN及實現設備之間的通信。PAN通過定義信標幀的內容來實現對超幀的控制，並周期廣播。網絡采用嚴格的時間同步，分時隙進行通信（類似WLAN的虛擬載波監聽）。可以在CAP采用CSMA/CA機制通信，在CFP采用GTS機制通信。
超幀：
在IEEE802.15.4中，可以選用超幀為周期組織LR-WPAN網絡內設備的通信。每個超幀都以網絡協調器發出beacon開始，在beacon中包含了超幀的持續時間以及對這段時間的分配。
網絡設備中的普通設備接收到包含超幀結構的信標幀后，根據其中的配置信息安排自己的任務。
超幀將通信時間分為活躍和不活躍兩部分。不活躍期間PAN中的設備不會相互通信，從而可以進入休眠以節省能量。
活躍期間划分三個階段：
beacon發送階段；
競爭訪問階段：contention access period CAP,網絡設備使用帶時隙的CSMA/CA機制通信，並且任何通信必須在CAP時段結束前完成。
非競爭訪問階段：contention free access period CFP。協調器根據上一個超幀期間內PAN網絡設備申請GTS的情況，將CFP划分為若干個GTS。且任何通信也必須在自己的GTS內完成。
樹狀拓撲中的擴展
為了確保父節點和子節點的超幀不互相沖突，子節點的beacon會在父節點SD結束后再等一段基本保護時間（Guard Time），然后發beacon。同時子節點的SD必須在父節點SD開始基本保護時間前結束。
幀間隔時間IFS&CSMA/CA退避算法
三種幀間距，退避時間不同，代表不同的傳輸優先級。加上CSMA/CA退避算法，保證了空口傳輸的調度。
CSMA/CA不用於發送beacon、確認幀或CFP中的數據幀。
802.15.4 VS 802.11 CSMA
時隙行為不同，在有時隙的CSMA/CA算法中，信道接入、CCA等均發生在時隙的邊界；
CCA過程不同；
退避重試次數不同：802.11退避次數沒有限制
退避算法不同：802.15.4為了省電
MAC主要功能
開始一個PAN；
掃描；
接入控制；
PAN維持；
beacon同步；
GTS控制；
基礎操作流程：網絡的相關管理
四種信道掃描：
PANid沖突檢測與解決：
PAN的啟動：
加入一個PAN：
退出一個PAN：
PAN的同步：
數據傳輸：
直接傳輸：協調點到普通節點、普通節點到協調點以及對等節點間的數據傳輸工作方式均采用直接傳輸。在CAP期間傳輸。
間接傳輸：只用於協調點，當協調點向普通節點傳輸數據時才可采用間接傳輸的工作方式。數據先暫存在協調點的隊列中，但CAP期間普通節點詢問了才發送。
GTS傳輸：在beacon使能且采用超幀結構，對於有實時業務需求的節點才可采用該工作方式。該通信過程中數據傳輸無需采用競爭的信道接入機制，而是在CFP的GTS時段內直接傳輸。
IEEE802.15.4數據速率的估算
需要考慮信道接入時間、數據幀的傳輸時間、ACK時序、重傳時間、有效數據速率
實際數據速率：133kbps