Zigbee协议栈的研究

第二章 Zigbee协议浅析

2.1 PHY层

IEEE802.15.4-2003有两个物理层，分别操作于868/915MHz和2.4GHz频率范围。低频率物理层包括868MHz欧洲频段和在美国和澳大利亚等国家使用的915MHz频段，高频率物理层是供全世界使用的。

ZigBee物理层主要负责处理以下一些任务： ① 无线发射机的激活和关闭； ② 信道能量检测：

③ 接收分组的链路质量指示（LQI）； ④ 基于CSMA-CA的空闲信道评估（CCA）； ⑤ 信道频率选择； ⑥ 数据传输和接收。

2.1.1 服务规范

物理层包括一个管理实体（物理层管理实体，PLME），这个实体通过调用层管理功能为层管理服务提供接口，同时，PLME负责维护物理层个人区域网信息数据库（PHYPIB）。

物理层提供两种服务，通过两个服务接入点（SAP）接入：物理层数据服务（其接入通过物理层数据服务接入点（PD-SAP））和物理层管理服务（其接入通过PLME服务接入点（PLME-SAP）），如图2-1所示。

图2-1 物理层参考模型

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2.1.2 帧格式（PPDU）

物理层的帧（PPDU）格式如图2-2所示，PPDU分组结构中，最左边的域首先传输和接收，在所有多字节域中，最低位首先被传输和接收，而在每一个字节中，也是优先传输和接收最低位（LSB）。

PPDU分组由以下几部分组成：

① 同步包头SHR，它使接收设备保持同步并锁定比特流； ② 物理层包头PHR，它包含帧的长度信息； ③ 可变长度净载荷域，它承载MAC子层帧。

图2-2 物理层帧结构

前导域（preamble），收发机使用前导码域保持码片和符号的同步，前导码域由32个二进制0组成。

帧定界域一共8 bit，用它来表示前导码域的结束以及分组数据的开始，帧定界符用十六进制表示为0xA7。

帧长度域共7 bit，它规定了PSDU中的字节数。

PSDU域是一个可变长度域，它承载着物理层的分组数据，PSDU中含有MAC子层帧。

2.2 MAC层

IEEE802.15.4-20031 MAC子层控制使用CSMA-CA机制接入到无线信道。它的职责包括传输信标帧、保持同步和提供可靠的传输机制。

ZigBee MAC子层主要负责处理以下一些任务： ① 产生网络信标(如果设备是协调器)； ② 同信标保持同步；

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③ 支持PAN的连接和断开连接； ④ 支持设备的安全性；

⑤ 信道接入采用CSMA-CA接入机制； ⑥ 处理和维护GTS机制；

⑦ 在对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。

2.2.1 服务规范

MAC子层包括一个管理实体（MAC层管理实体，MLME），这个实体通过调用层管理功能来提供服务接口，同时，MLME负责维护MAC子层个人区域网信息数据库（MACPIB）。

MAC层提供两种服务，MAC层数据服务（通过MAC公共部分子层数据接入点（MCPS-SAP）接入）和MAC层管理服务（其通过MLME服务接入点（MLME-SAP）接入），如图2-3所示。

图2-3 MAC层参考模型

2.2.2 帧格式（MPDU）

MAC帧由以下基本部分组成：

① MAC帧头MHR，包括帧控制域、序列号和地址信息；

② MAC净载荷（可变长度），包含的信息指定了帧的类型，应答帧不包含净载荷域；

③ MFR，包含一个帧校验序列（FCS）。 一般的MAC帧的格式如图2-4所示：

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图2-4 MPDU分组格式

帧控制域为两个字节，包含帧的类型，地址域和其他控制标志部分。

序列号域的长度为8 bit，他指定了帧所具有的独一无二的标识符。对于信标帧，序列号域指定了信标序列号（BSN），每产生一个信标BSN的值就加1；对于数据帧，应答帧或MAC命令帧，序列号域指定了数据序列号（DSN），每产生一个数据帧或MAC命令帧，DSN的数值就加1。

目的PAN标识符域和源PAN标识符域的长度均为16 bit，分别指定了帧接收方和帧发送方的唯一的PAN标识符，如果目的PAN标识符域的值为0xFFFF，则代表广播PAN标识符，是所有当前侦听信道的设备的有效标识符。

目的地址域和源地址域的长度为16 bit或者64 bit，具体值由帧控制域中的目的地址模式子域和源地址模式子域的值所决定。目的地址和源地址分别指定了帧接收方和发送方的地址，如果目的地址的值为0xFFFF，表示广播短地址，它是所有当前侦听信道的设备的有效短地址。

帧净载荷域的长度可变，它根据帧类型包含不同的信息。

FCS域的长度为16 bit，它包含一个16 bit的ITU-T CRC校验，FCS是通过对MHR和MAC净载荷部分进行运算得到的。

MAC帧有四种类型，分别是信标帧、数据帧、应答帧和MAC命令帧。

2.3 NWK层

ZigBee的网络层是由ZigBee联盟定义的，是ZigBee协议栈的核心。ZigBee网络层的责任包括加入和离开一个网络所用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制。ZigBee网络支持星状网（StarNetwork），树状网（Clustertree Network）和网状网（Mesh Network）三种网络拓扑结构。

ZigBee网络层（NWK）位于介质访问控制子层（MAC）和应用层（APL）之间，

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