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[原创]奥特曼Zigbee读书日记(五)-- “葵花宝典”第三章第一层(物理层)

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outman 发表于 2010-5-19 14:56:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
“葵花宝典”第三章?这算什么专题?别急,说道说道这个主题的来源。。。

  在这一系统的笔记中,我希望能给大家的不单单是简单的几个知识点,而是能把自己的学习思路也能同时呈现给大家,Zigbee对于绝大多数人来说都是一门新的技术,手头能有的参考实在太少,包括本人在内,也一样是在摸着石头过河,思路上也常常会有些跳变,但都是经过仔细思考过的,也许走到一定的时候会去否定前面的思路,但这可能就是学习的代价吧。只是希望对大家能有所帮助。

  有兴趣的同学,可以去“ [讨论]Zigbee,SimpliciTI,向左OR向右?”对后面的学习思路进行下讨论,本章将继续在摸索中前进。。。

  又跑题了,不是要说“葵花宝典”第三章吗?呃,本章选这个主题的原因是在日记(四)中对“设备对话”的探讨中发现,如果基本概念没搞清楚,去学些表面的东西,就是在浪费时间,而这些知识恰恰就在“葵花宝典”的第三章中!--如果没听过这个名字的同学,回头看看前几期的笔记吧~~

  [注:本文源自www.feibit.com--“飞比”Zigbee论坛,为尊重劳动者成果,如需转载请保留此行]

  我们在“设备对话”专题中,了解了如何用Zstack协议完成一个基本的“老王,吃了没?”的通信,但就这样一句话,是如何变成一连串的“0”和“1”,并变成电波在空气中传播,最终到达目的地呢?――插句广告:“飞比论坛”,为比特插上翅膀,和梦想一起飞翔~~~

  这是由一个复杂的系统――“协议栈”来实现的,下面我们就一层层剥开它的神秘外衣吧~

  老规矩,还是先上图:

  这个图含的信息量可能需要贯穿在我们的整个学习过程中了,此处先不详解,只是先作为“上方宝剑”挂出来,这个是整个这一章的脉络。不过,还是要来认识下这里面的几位关键“人物”的:第一位叫“PHY”――物理层,他是最底层的员工,最终把这些“0”和“1”送到空气中的活就是他干的;第二位叫“MAC”――介质读取控制层(这个家伙肯定是老外,连个像样的中文名都没有);第三位叫“NWK”――网络层,这是个中层干部,属于实干家型(就是公司里电话最多的那种领导);第四位叫“APL”――应用层,有同学问了,这层里面怎么这么复杂?说实话,我也还没弄明白呢,不过按常理来说,高层复杂是应该的,到我们的政府机关看看就知道啦~~~

  另外,下面两层是由IEEE 802.15.4来定义的,而中层领导上的就是由Zigbee组织来定义的,那什么是我们定义的呢?就是这个“协议栈”上面的,那就是最高最高的领导啦~~~

第三章,第一层――“PHY”――物理层


3.1 频率安排
  首先,我们从干活的这个小兄弟开始认识。他要把一个比特送到空中,是有几条航线可以选的,就这是所谓的“频道”,每一个频道对应一个频率,而每一个频道又有几种调制方式,我们可以理解为坐不同的“飞机”。下图是IEEE 802.15.4中对频道的安排:

  对于这里面的“频道页”的定义,不是太清楚为什么要这样定义,不过我觉得用前面说的“飞机”的概念,更容易理解些。有三种不同的飞机,每种飞机都可以走0-26,共27条航线,这就是“物理层”在送数据的时候要做出的选择。其中,0号航线的频率是868MHZ,915M上有10条航线,其频率可以通过下面公式计算:
中心频率(MHz) = 906 + 2 × ( 频道号 – 1)

  同样,2.4G波段上的频率值为:
中心频率(MHz) = 2405 + 5 × ( 频道号 – 1)

3.2 能量检测――ED
  就像航空公司一样,“比特”想要“飞”起来,也是有“航空管制”的,在起飞前要确认下航道有没有被占用,这可不能像开车,塞车了就等会,飞机要在空中停了,那不得掉下来(我小时候总这么想~)。能量检测就是用来实现这个目的的,当然,这只是个“能量”检测,它不会去区分到底是谁在占用“航道”,它只检测有或者没有。

  当然,这也是物理层的上级――MAC层给他的任务之一,不过允许他不用百分百准确,允许10db的误差,结果会以一个8比特的字节向上报告。

3.3 载波检测――CS
  载波检测也是检测当前频道能不能用的,但与ED不同,上面说了ED不会去区分到底是谁在占用“航道”,但是CS会的,它会根据载波的特征去判断当前占用“航道”的是不是与自己一样的IEEE 802.15.4物理层信号,如果是,那不管ED值是多少,都会返回一个“频道忙”的信息。

3.4 连接质量指示――LQI
  还记得电脑的WIFI指示吧,我也不了解WIFI协议,但我想这应该是相同的东西吧。在802.15.4中,有两种检测连接质量的方法,一个是检测“接收信号强度”――RSS,另外一个是检测“信噪比”――SNR。RSS值是通过检测接收到的信号的全部能量情况来判断的。

  又有人举手了?这位同学有什么问题?――什么,这是怎么做到的?

  呃、、、这个我真不懂,不过我知道肯定有个寄存器来读的。至于这个值是怎么来的,你还是问下做IC的人,或者你找个不是那么忙的教授,说不定他知道~~~不过这位小同学啊,看你问这个问题,我得多说你几句了。你这么“叫真”不好,倒不是打击你,我知道你说不定能成个人物,不过,学习是要讲“深度”和“广度”并举的,如果什么事情都一头钻进去,你会迷路的。。。

  我们继续,那“信噪比”SNR,顾名思义,就是信号除以噪声的比率了。当然,值越大表示信号质量越好。

  每一个接收到的数据包都会做一个LQI的测量,它至少有八个等级。这个测量是物理层很重要的一个任务,因为这个值不但他的直属领导-MAC层要用到,他的上几层领导-网络层和应用层都用得到。比如说网络层(NWK)在选择路由的时候,LQI就是一个很重要的指标,LQI值高的路径当然要优先考虑,当然,这也只是一个因素,比如说这个LQI高的路径里的设备都是电池供电的,那么在频繁选择这个路径的同时,必然会导致这些设备电池寿命缩短。所以,一定要多方面权衡――这就体现了“领导”的作用。。。

3.5 空闲频道评估――CCA
(注:本教程里的中文名称可能不符合标准,只是方便笔者说明问题,如对名称有异议,欢迎在本教程论坛-www.feibit.com中讨论)

  这里有一个很重要的名词叫“CSMA-CA”,听起来就像高科技,不知道和CDMA有没什么关系(做通讯的朋友开始扔砖头了~~~)

  它有一个不太帅的中文名字叫“载波侦听多点接入/冲突避免”,笔者现在还无法对这个概念做个定义,不过倒是可以用“白话”翻译一下。在上文中我们看到,当我们的“PHY层”小弟要发送一个比特的时候,要面临那么多选择,走哪个航线,选什么样的飞机等等,那这么复杂的决策,“小弟”能搞得定吗?要两个“小弟”都在争一个位置,打架了怎么办?按社会常理来看,这应该不是哪个人决定的,而是有个“制度”,这样说,能理解不?

  当然,制度也是要人来执行的,一个最底层的工作叫“空闲频道评估”――CCA,这个也是由我们的小弟“物理层”来做的。他要告诉MAC层,当前频率有没有被其它设备占用。而且这个工作不能只做一次就汇报,要检测8个符号周期。

  在IEEE 802.15.4物理层协议中,有三种CCA模式:
1. 只检测ED值。只要ED值高于一个门限就认为当前频道被占用。这个门限值可以由设计者来定义。
2. 只由CS结果来决定。只要CS的检测结果为: "当前频道被IEEE 802.15.4定义的设备占用",则返回频道忙。
3. 由上述两个值的“与”或者“或”逻辑来决定。也说是说
●ED值高于门限“并且”有802.15.4设备占用,则认为频道忙
●ED值高于门限“或者”有802.15.4设备占用,则认为频道忙

  那究竟采用哪种CCA模式呢?这个可以通过PHY属性值phyCCAMode来设置。这个值也是PHY-PIB值的一部分,下面的章节会对这个概念进行介绍。

3.6 物理层常量和属性
  首先说明一下“常量”和“属性”这两个词,所谓的常量就是说在“编译”好之后不能变的量;而属性则是可以改变的。在Zigbee协议栈中,每一层都有自己的常量和属性。

  如表3.2所示,物理层中只有两个常量,aMaxPHYPacketSize指示“物理层服务数据单元”――PSDU不能超过127字节;而aTurnaroundTime说明一个设备由接收状态转为发送状态的最大时间,也就是说一个接收器必须在12个符号周期内完成接收任务。

  同时要说明的一点是,PHY和MAC层的所有常量都有一个前缀“a”,这是Zigbee协议的规定,NWK和APL层分别以前缀“nwkc”和“apsc”开始。

  物理层的“属性”包含在“物理层PAN信息基准表”――PHY-PIB中,这个表是专门用来管理物理层服务的,详细信息在表3.3中,其中有(+)标志的为只读属性,上层只可以对此类属性进行“读”操作,只有物理层自己才能“写”;而有(*)标志的属性,其个别指定位为“只读”;其余的属性则可读可写。后面章节会对每个属性详细阐述。


3.7 物理层服务
  我们研究了半天物理层是怎么工作的,下面看下我们到底怎么“吩咐”他,他到底提供了哪些“服务”。

  物理层提供了两种类型的服务,一种是数据服务,一种叫物理层管理服务。顾名思义,数据服务通过无线电波对“物理协议层数据单元”――PPDU进行发送和接收,说简单点就是收发数据;另外,物理层中包含了一个叫“物理层管理实体”――PLME的一个管理单元,如下图所示,数据服务是通过PD-SAP实现的,而物理层管理服务是通过PLME-SAP来实现的,其中PLME也包含上文所述的PHY-PIB。


3.7.1 物理层数据服务

  咦,这个图是不是上错位置啦?怎么还是1.11呢?不会啦,像俺这么仔细的人,咋会犯这种低级错误呢~~~

  感觉这个地方应该补补课了,这个图里面有一个很重要的概念,就是“Payload”,字面理解,就是要付费的信息,那其他的信息不用“付费”吗?恩,可以这样理解,除了Payload之外的信息都是些辅助信息,免费赠送啦~~

  PHY的Payload就是整个MAC层数据,MAC层的Payload就是整个NWK层数据,以此类推。从上图中我们也容易看出,每一层都会增加一些本层的辅助信息,然后传递给下层去传输。

  回到这节的主题,物理层的数据服务到底可以做哪些事情呢?简单地来说,就是为MAC层提供了“MAC协议层数据单元”――MPDU的传输,这个名字不陌生吧,前面我们不是刚讲了一个PPDU吗?当然还会有NPDU和APDU啦,道理都一样,就不一一介绍啦。不过,不要忘记那些“免费赠送”的信息哦,那也是很重要的,比如LQI信息等等。

  如果传输服务失败,会返回下面几种原因之一
  1、 发送器工作不正常
  2、 发送器在接收模式,一个设备同时只能在接收和发送中的一种状态
  3、 发送器忙

再上一个图来直观表示下各层间的通讯


这个图貌似复杂,但谁让咱都是“炎黄子孙”呢,用老祖宗的一句话就能理解这个图了――兵对兵,将对将。。。

3.7.2 物理层管理服务
  如图3.2,此服务名为PLME-SAP,它会在PLME和MLME中传递命令信息。它提供的服务有如下几种:
  1、空闲频道评估――CCA
  2、能量检测――ED
  3、打开/关闭发送器
  4、从PHY-PIB中获取信息
  5、设置PHY-PIB属性

3.7.2.1 空闲频道评估――CCA
  其概念已在前面讲解过,这里看下它可能返回的结果:
  1.   发送器异常,那CCA就没意义了
  2.   频道空闲,可以传输
  3.   频道或者发送器忙,这两种情况PLME不再做区分,均返回“忙”

3.7.2.2 能量检测――ED
  ED检测请求由MLME发出,由PLME执行,最终结果返回MLME。

3.7.2.3 打开/关闭发送器
  MLME可以通过PLME让发送器进入以下三种状态之一:发送器关闭、发送器打开和接收器打开

3.7.2.4 从PHY-PIB中获取信息
  同样,读取请求由MLME发出,由PLME执行,最终属性返回MLME

3.7.2.5 设置PHY-PIB属性
  除了只读属性外,MLME可通过PLME设置PHY-PIB的属性

3.8 服务原语
  在802.15.4和Zigbee协议中,用“原语”的概念来描述相邻两个层间的服务,层间调用函数或者传递信息,都可以用原语来表示。虽然,在整个系统中,有很多不同的层,但是层间的通讯方式是非常相似的。比如PHY、MAC与NWK层都为他们的上一级提供数据服务,其请求数据服务的机制类似:高层通过D-SAP向下级请求传输,下级传输成功后将状态返回给上级。

  正是由于这种相似性,才让“服务原语”这种方式显得格外重要。每一个原语要么执行一个指令,要么返回一个之前指令的运行结果。原语也会带着指令运行需要的参数。


  上图描述了某层为其上层提供服务的一般方法,如图所示,有四种类型的原语:请求、指示、响应和确认。换句话说,在802.15.4和Zigbee标准中的所有服务都可以归类为上述四种原语之一。原语用下面的格式来描述:
(注:出于本文读者多数为现在或者未来的软件工程师,后面直接用英文名称来表述四种原语)
<The primitive>.request
<The primitive>.indication
<The primitive>.response
<The primitive>.confirm

  首先,由N+1层向N层用request原语申请一个服务,比如说MAC层向PHY层请求一个MPDU传输服务,它必须要向PHY层申请一个PD-Data.request的原语。

  而N层会向其服务用户(经常是N+1层)发出一个indication的原语,用来指示一个对N+1层很重要的事件。比如说,PHY层接收到一组数据,需要将此数据传递给MAC层,那么它就向MAC层产生发出一个PD_Data.indication的原语,用来向其传递数据。

  如果这个indication原语要求对其做出响应,那么N+1层就会发出一个response原语。值得注意的是,PHY和NWK层没有任何response原语,而只有MAC和APL层有。

  而confirm原语是由N层发出,用来最终确认最初N+1层申请的request服务已经完成。比如在上例中,数据发送完成后,PHY层会告诉MAC层,传输已经成功完成。

注:本文只是用一种浅显易懂的方式,让读者了解原语的基本概念,如果读者需要深入了解每层提供的原语细节,请直接阅读802.15.4和Zigbee的协议文档。

3.9 物理层的数据包格式

  如图所示,PPDU主要包含三部分主要内容:同步头(SHR),PHY层头信息(PHR)和PHY层的“有效负载”-payload。

  我们一起来分析一下,这三部分里面具体包含了哪些内容。

  同步头SHR包含了接收时所需要的同步信息,以使得在接收端产生与发送端相同的同步信息,用以还原最初的比特流。PHR包含了数据桢的长度信息。PHY Payload是它的上层服务用户要求它发送的实际有效数据。

  SHR包含了一个“前导同步(preamble)”和一个“桢开始分隔符(SFD)”,Preamble用来让接收器获取同步信息的,其详细信息暂不做介绍,如果后续有需要再补上。

  SFD代表了SHR的结束与PHR的开始,除了ASK调制模式外,其他模式的SFD数据如下图所示:



  下一部分的数据是PHY数据包的桢长度,它代表了PHY的Payload(PSDU)的全部字节长度,其值的范围为1-127(前述的PHY常量中可对其进行定义),但实际上它取决于802.15.4-2006的标准,如下图所示,当其值为5,表示的是这是一个MAC的“握手”桢,9-127可以为任意的MPDU,而0-4,6-8暂为定义,为以后的扩展定义做保留。

  最后的部分PSDU是PHY层的实际“Payload”,它是由MAC层提供的,需要PHY层传输的有效数据。――就是要付费的那部分~

  另外,在802.15.4标准中,数据的传输顺序是这样的:SHR的低位首先传输,而PSDU的高位是最后传输的。

3.10 物理层的职责总结
  PHY层这位“小弟”是直接跟无线电波打交道的,讲了这么多,最后让我们回头再来总结下,他到底要做些什么:

  1.  激活、禁止无线电波传输
  2.  发送、接收数据
  3.  选择一个频道(发送器需要发送数据的准确频率)
  4.  实现能量检测(ED)。ED检测是用来评估所要传输的频道的能量值,用以决定当前频道是否空闲,是否可用以传输数据。
  5.  进行空闲频道评估――CCA
  6.  产生LQI值,用以衡量接收数据包的质量,指示信号强度。

… …
  看来神功真是不好练的,费了这么大劲才练了一层。也不知道有没人耐心地看到这里。但我相信,付出感情地去做一件事情,最终会有收获的。。。只要对大家的学习能有一点帮助,那我也心满意足了。。。

  文章结束,再来复习下我们的口号:“飞比论坛”,为比特插上翅膀,和梦想一起飞翔~噢吔~~~
-- 2010.5.22 by outman from feibit.com

附件:葵花宝典

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天脉男孩 发表于 2010-5-28 19:35:01 | 显示全部楼层
奥特曼 我等着你的日记啊  加油 啊
L.fish 发表于 2010-7-27 15:02:57 | 显示全部楼层
在这里,不知道能代表所有新人的心声,但起码是我自己的吧
严重感谢outman的日记,十分期待中....
 楼主| outman 发表于 2010-7-27 15:35:17 | 显示全部楼层
有了大家的支持,我会继续写下去的
百事可乐 发表于 2010-7-27 15:37:33 | 显示全部楼层
outman

来个串口应用专题吧,哈哈
 楼主| outman 发表于 2010-7-27 15:46:06 | 显示全部楼层
其实这个专题早已经筹划过了,http://www.feibit.com/bbs/viewth ... &extra=page%3D1
应百事的要求,把这个专题提前一下,不过得稍等几天,这几天事情比较杂。
hl850121 发表于 2010-8-18 16:20:03 | 显示全部楼层
写得很好 学到了很多 感谢楼主~~~
有个小错误指正下
CA(Collision Avoidance)是冲突避免
嘿嘿
 楼主| outman 发表于 2010-8-18 17:13:31 | 显示全部楼层
多谢9楼提醒,这个名称当时也是参考一本书来定的,刚刚网上也看了看,仔细斟酌了一下,叫“避免”应该更贴合原意,已经改过来了。
winniex 发表于 2010-8-24 09:42:51 | 显示全部楼层
感谢楼主精彩的解读 小弟受益匪浅  希望楼主能坚持,我相信最终一定能实现你的梦想的  加油
luonuan 发表于 2010-11-20 15:31:19 | 显示全部楼层
很好,很有用,每帖我都要支持,继续写点吧,嘿嘿
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