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葵花宝典--ZigBee Wireless Networks and Transceivers中文版,第一章

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rgmlfofiw 发表于 2011-9-23 20:10:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 rgmlfofiw 于 2011-10-1 21:26 编辑



花了很长的时间终于将第一章翻译好了,第二章也正在酝酿之中,估计坚持到翻译完第二章应该没有什么问题,但是从第三章以后就属于原则性问题了,我是一个有原则的人,而我的原则就是:看心情,囧。此外,我是一个ZigBee新手,所以对一些概念不是很了解,在翻译英文资料的时候难免理解错误,希望热心的同学能帮忙修改下文中的一些错误,共同让奥特曼推荐的这份资料具有大众化,让不熟悉英文的人也能看懂,借助这份资料在入门ZigBee的道路上少走弯路。

PS: 真心的希望飞比的人气能够重新旺起来,营造一个良好的ZigBee学习氛围。

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ZigBee Wireless Networks and Transceivers
ZigBee无线网络和收发器
1        第一章 ZigBee基础        3
1.1        什么是ZigBee?        3
1.2        ZigBee VS 蓝牙和IEEE 802.11        4
1.3        短距离无线网络分类        4
1.4        ZigBee与IEEE 802.15.4标准的关系        5
1.5        操作频率和数据速率        7
1.6        互操作性        9
1.7        设备类型        9
1.8        设备角色        9
1.9        ZigBee网络拓扑        10
1.10        ZigBee和IEEE 802.15.4的通信基础        12
1.10.1        CSMA-CA载波检测多路访问-碰撞避免        12
1.10.2        信标(Beacon)VS非信标(Nonbeacon)网络        12
1.10.3        数据传输方式        13
1.10.4        数据验证        15
1.10.5        寻址方式        15
1.11        建立连接和解除连接        15
1.12        绑定        15
1.13        ZigBee的自形成和自愈特性        16
1.14        ZigBee和 IEEE 802.15.4网络层功能        16
1.14.1        PHY层        16
1.14.2        MAC层        17
1.14.3        网络层        20
1.14.4        APL层        20
1.14.5        安全性        20
1.15        ZigBee网关        21
1.16        ZigBee比喻        21

1        第一章 ZigBee基础
本章主要介绍了短距离无线网络通信的ZigBee标准,本章的主要目的就是对ZigBee的基础特性进行一下简单的概述,包括它的网络拓扑、信道访问机制和每个协议层所扮演的角色,在后续章节中对本章所讨论的内容有详细的解释。

1.1        什么是ZigBee?
ZigBee是为低数据速率、短距离无线网络通信定义的一系列通信协议标准。基于ZigBee的无线设备工作在868MHZ, 915MHZ和2.4Z频带。其最大数据速率是250Kbps. ZigBee技术主要针对以电池为电源的应用,这些应用对低数据速率、低成本、更长时间的电池寿命有较高的需求。在一些ZigBee应用中,无线设备持续处于活动状态的时间是有限的,大部分时间无线设备是处于省电模式(也称休眠模式)的。因此,ZigBee设备在电池需要更换以前能够工作数年以上。
ZigBee的其中一个应用就是室内病人监控。例如,一个病人的血压,心率可以通过可穿戴设备测量出来,病人戴的ZigBee设备来周期性的收集血压等健康相关的信息,然后这些数据被无线传送到当地服务器,例如病人家中的一台个人电脑,电脑再对这些数据进行初始分析,最后重要的信息通过互联网被发送到病人的护士或者内科医生那里做进一步的分析。
另一个ZigBee的应用例子就是大型楼宇结构安全的监控。在此应用中,一个建筑内可以安装数个ZigBee无线传感器(如加速度计),所有的这些传感器形成一个网络来收集信息,这些收集来的信息可以用于评估建筑的结构安全和潜在的损坏标志,例如,地震后一个建筑在重新开放前可能需要进行检测。而传感器收集到的数据有助于加速和减少检测的花费。在第二章中还提供了一些其他ZigBee的应用例子。
ZigBee标准是由ZigBee联盟所开发的,该联盟有数百个成员公司,从半导体产业和软件开发者到原始设备生产商、安装商。ZigBee联盟是2002年创立的一个非盈利性组织,对每一个想加入的成员都开放。ZigBee标准采用IEEE 802.15.4标准作为其PHY层和MAC层协议。因此,遵循ZigBee的设备也同样遵循IEEE 802.15.4标准。
在家庭和工厂内使用无线通信来收集信息或执行既定控制任务的概念对人们来说并不陌生。第九章中回顾了几种短距离无线网络通信的标准,包括IEEE 802.11无线局域网(Wireless Local Area Network WLAN)和蓝牙(Bluetooth).每个标准都有其在特定领域应用的优势,而ZigBee则主要是为低成本、低数据速率、超低功耗的无线网络应用开发的。
通过简化通信协议和降低数据速率,ZigBee标准有助于降低应用成本。和其他的标准例如IEEE 802.11相比,满足ZigBee和IEEE 802.15.4标准的最低需求相对轻松,这同时也降低了ZigBee收发器的应用复杂度和成本。
占空比是指设备活跃时的时间与总时间的比值。例如,若一个设备每分钟唤醒一次,工作60ms后继续休眠。那么它的占空比为0.001或0.1%。在许多ZigBee应用中,为了保证电池能工作数年以上,设备的占空比都在1%以下。

1.2        ZigBee VS 蓝牙和IEEE 802.11
将ZigBee标准与蓝牙和IEEE802.11WLAN进行比较有助于我们理解ZigBee与现有一些既定标准的区别(第九章进行了更深入的比较)。图1.1总结了这几个标准的一些基本特性。
IEEE 802.11是一个标准体系, 选择IEEE 802.11b是因为它工作在2.4GHZ频带,与蓝牙和ZigBee相同。IEEE 802.11b是高数据速率(高达11Mbps),它的一个典型应用就是提供无线互联网连接。IEEE 802.11b的室内典型工作范围是30~100米。另一方面,蓝牙的数据速率偏低(低于3Mbps),它的典型室内工作距离是2~10米。蓝牙一个比较流行的应用是无线头戴式耳机,它提供了一种在移动电话和耳机之间的通信方式。在这三种标准中,ZigBee具有最低的数据速率和复杂度,但却提供了最长的电池寿命。
ZigBee的超低数据速率意味着它不是无线互联网连接或者CD音质的无线耳机的最好选择,因为这些东西需要1Mbps以上的数据速率。然而,如果无线通信的目的是发送或接收简单的命令,或从传感器收集信息,例如温度、适度传感器等,那么ZigBee将会提供比蓝牙和IEEE 802.11b更有效、性价比更高的解决方案。

1.3        短距离无线网络分类
短距离无线网络通信方式被分成了两大类:无线局域网(WLAN)和无线个人局域网(WPAN)。
WLAN是有线局域网(LAN)如以特网(IEEE 802.3)的一个替代或扩展。WLAN设备可以被集成在有限LAN网络中,


并且一旦WLAN设备成为网络中的一部分,它将会受到与网络中其他有线设备同样的待遇。WLAN的目标就是将通信距离和数据速率最大化。
相比之下,WPAN不是为了替代任何现已存在的有限局域网而被开发的。WPAN的目的是为个人操作区域(Personal Operating Space POS)提供高效无线通信的方法,而不需要任何基础设施。POS是环绕一个无线设备的球型区域,半径为10米(33英尺)。
WPAN被划分为三类(见图1.2):高速(HR),中速(MR),低速(LR)。一个HR-WPAN的例子就是数据速率为11~55Mbps的IEEE802.15.3,该高数据速率有助于照相机与附近的电视之间的实时无线视频传输。数据速率为1~3Mbps的蓝牙是一个MR-WLAN的例子,它可以被用于无线耳机中高音质音频的传输。而最大通信数据速率问为250Kbps的ZigBee则被划分为了LR-WLAN。

1.4        ZigBee与IEEE 802.15.4标准的关系
常见的建立一个通信网络(有线或无线)的方式就是使用“网络层”的概念。在网络中每一层都负责特定的功能,正常情况下,每层仅向与它直接相邻的上层或下层发送数据或命令。图1.3展示了ZigBee无线网络协议层的详细内容。ZigBee协议层是基于开放系统互连(OSI)基本相关模型。将一个网络协议划分

成层有众多好处,例如,若协议随着时间而变动时,可以只简单的替换或更改受变动处影响的层,而不必替换整个协议。此外,在开发一个应用时,协议较底下的层与应用是相互独立的,它们可以从第三方来获得,因此我们需要做的就只是在应用层进行相应的改动。该协议的软件实现方式被称作协议堆栈软件。
如图1.3所示,网络的最下面两层是由IEEE 802.15.4标准所定义的,该标准是由IEEE802标准委员会所开发并于2003年最初发布的,IEEE 802.15.4标准定义了无线网络PHY层和MAC层的详细信息,但它没有为更高的层规定任何要求。
ZigBee标准仅仅定义了协议的网络层、应用层和安全层,并采用IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层作为其部分协议。因此,任何遵循ZigBee标准的设备也同样遵循IEEE 802.15.4标准。
IEEE 802.15.4是独立于ZigBee标准而开发的,也就是说,仅基于IEEE 802.15.4而不使用详细的ZigBee协议层来建立短距离无线网络是有可能的。这样,用户就需要在IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层之上来开发他们自己的网络层和应用层(见图1.4)。这些定制的网络层和应用层通常比ZigBee的协议层要简单,并且主要针对于具体的应用。
定制的网络层和应用层有一个好处就是,实现整个协议所需的内存较小,这

样就可以有效的降低成本。然而,使用完整的ZigBee协议则可以保证与其他供应商解决方案的兼容性和在ZigBee中支持网状网络的可靠性。使用完整的ZigBee协议还是仅使用IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层取决于实际的应用和产品的长期计划。
网络的物理级别特性决定于物理层的具体信息,因此,IEEE 802.15.4标准中明确的规定了操作频率、数据速率、接收器敏感度需求和设备类型等参数。
这本书涉及到了IEEE 802.15.4标准层,并以同样的详细程度描述了具体的ZigBee层。书中给出的例子通常都是ZigBee无线网络的例子,然而,即使只使用了IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层,大部分讨论的内容都是可以使用的。

1.5        操作频率和数据速率
最新版本的IEEE 802.15.4发布于2006年9月,该版本共中有三种频率带:
868~868.6 MHz (868 MHz band)
902~928 MHz (915 MHz band)
2400~2483.5 MHz (2.4 GHz band)
868 MHz频带应用于欧洲,有大量的应用,包括短距离无线网络。另外两个

频带(915 MHz和2.4 GHz)是工业、科研、医学(ISM)频带的一部分。915 MHz频带主要用于北美,而2.4 GHz则是全国通用。
表1.1提供了这三种频带在IEEE802.15.4标准中使用方式的更加详细的内容,IEEE802.15.4规定如果一个收发器支持868MHz频带,那么它同样也要支持915MHz,反之亦然。因此,这两个频带总是被绑定在一起,称为868/915 MHz操作频带。
IEEE802.15.4为868/915 MHz 规定了一条强制和两条可选规范。强制规范更加容易实现,但却牺牲了数据速率(分别为20Kbps和40Kbps)。在介绍2006中两种可选的PHY操作模式之前,将数据速率提高到40Kbps以上的唯一方法就是使用2.4 GHz频带。对于这新增的两条PHY操作模式,如果因为任何原因(例如在2.4GHz频带中存在强烈的干扰),都是不能在2.4 GHz频带进行操作的,或者40Kbps的数据速率不够使用,用户可以选择868/915MHz频带来获取250Kbps的数据速率。
如果用户选择使用可选的操作模式,IEEE 802.15.4仍然要求它能兼容868MHz/915MHz频带的低数据速率强制操作模式。此外,在868MHz/91MHz频带中,收发器还必须能在强制和可选操作模式之间动态转换。
2.4 GHz的收发器可能会支持868MHz/915MHz频带,但在IEEE 802.15.4中这不是必须的。在868MHz频带中仅有一个通道的空间,915MHz频带则有10个(不包括可选通道),而2.4 GHz频带的通道数则多达16个。
2.4 GHz ISM频带全球通用,并且有最大的数据速率和最多的通道数。由于这些原因,对很多制造商来说,开发2.4 GHz频带的收发器是很流行的。然而,IEEE 802. 11b也工作在2.4 GHz频带,因此在某些应用中两者共存是个问题(详细的共存问题在第八章中有描述)。此外,频带越低,信号穿透墙和其他各种物体的能力就越强。因此,一些用户可能觉得868MHz/915MHz更适合他们的应用。
IEEE 802.15.4有三种调制方式:二进制相移键控(BPSK)、振幅键控(ASK)和偏移正交相移键控(O-QPSK)。在BPSK和O-QPSK中,数字数据在信号相位中。相比之下,在ASK中,数字数据在信号振幅中(这里翻译的有些牵强)。
IEEE 802.15.4的所有无线通信方式(表1.1)或采用直接扩频序列(DSSS)技术,或采用并行扩频序列(PSSS)技术。DSSS和PSSS有助于提高多路径环境中接收器的性能。
DSSS和PSSS扩频方式基础,还有不同的调制技术和符号到芯片的映射在第四章进行了介绍。多路径问题和射频(RF)穿帮特性在第五章进行了介绍。

1.6        互操作性
ZigBee的应用很广泛,因此,多家生产商提供了应用ZigBee技术的产品解决方案。独立于原始制造产品进行相互作用,对于这些基于ZigBee的设备是很重要的。换句话说,这些设备需要能够彼此协作。互操作性是ZigBee协议堆栈的重要优势之一,基于ZigBee的设备是可以互操作的,即使当因为安全原因而将消息加密时。

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outman 发表于 2011-9-25 22:52:45 | 显示全部楼层
多谢楼主的无私奉献,也非常感谢您对飞比的支持和关注。我们会继续努力,把飞比论坛做成物联网/zigbee学习的最好论坛也是我们使命之一。大家的支持,也是我们最大的动力!
tiao508 发表于 2011-9-29 10:38:47 | 显示全部楼层
嗯,谢谢你们的努力,作为新手的我们唯有更加努力的学习了!加油~
tiao508 发表于 2011-9-29 11:46:11 | 显示全部楼层
看了楼主的成果,我有一个建议:等到翻译完成之后可以把它们编成一本书,这样就可以让更多的读者受用了。另外,我看了图1.1,之前看到的资料说zigbee可以传10m到数公里,这里写的是10m到100m,也许图也要做修改哦~
 楼主| rgmlfofiw 发表于 2011-9-29 11:57:56 | 显示全部楼层
本帖最后由 rgmlfofiw 于 2011-9-29 11:59 编辑

回复 4# tiao508

出书这个我想都没想过,除非有人帮忙翻译,因为后面的翻译量不是前面这两章能比的,翻译完的这些只是个零头而已,我能做的就只是把一些比较重要的部分翻译一下,方便大家学习。  关于ZigBee的传输距离问题,10-100m应该是没有错的,你可能是看了outman做的能传两公里的zigbee模块吧,它里面加了一个叫2591的功率放大器来增大通信距离。
 楼主| rgmlfofiw 发表于 2011-10-1 21:05:12 | 显示全部楼层
本帖最后由 rgmlfofiw 于 2011-10-1 21:11 编辑

1.7        设备类型
IEEE 802.15.4无线网络中有两种设备类型:全功能设备(FFD)和半功能设备(RFD),FFD可以执行IEEE 802.15.4标准中描述的所有功能,并且可以用作网络中的任何角色;另一方面,RFD只有部分功能,例如,FFD可以和网络中的任何其他设备通信,但RFD却只能和FFD设备通信。RFD设备的目的是应用于简单的应用中,如打开或关闭一个开关。RFD设备的处理能力和内存大小通常小于那些FFD设备。

1.8        设备角色
在一个IEEE 802.15.4网络中,FFD设备能担任三种不同的角色:coordinator、PAN coordinator和device。coordinator是一个FFD,能够转播消息。如果coordinator同样也是个人区域网络的主要控制器,那么称其为PAN coordinator。如果一个设备不是充当coordinator,那么我们把它叫做device。
ZigBee标准使用稍微不同的术语(见图1.5)。ZigBee coordinator是一个IEEE 802.15.4 的PAN coordinator;ZigBee router是一个可以充当IEEE 802.15.4 coordinator的设备;最后,ZigBee end device既不是coordinator也不是router,ZigBee end device具有最小的内存大小和最弱的处理能力和特性,end device通常是一个网络中最便宜的设备。

1.9        ZigBee网络拓扑
网络组成是由ZigBee网络层来管理的,其网络必须是IEEE 802.15.4两种网络拓扑:星型和点对点型中的一种。
图1.6所示的星型拓扑中,每一个设备都只能和PAN coordiantor通信,组成星型网络的一个典型案例就是一个FFD被编程为一个PAN coordinator,并且被激活开始建立其自己的网络。该PAN coordinator做的第一件事情是选择一个在其射频覆盖范围内没有被其他网络使用的特殊PAN标识符,在该射频覆盖范围内无线电之间可以成功的进行相互通信。换句话说,它保证了PAN标识符没有被其他相邻的网络所使用。
在点对点拓扑中(见图1.7),如果两个设备放置的距离足够近来成功的建立通信链接的话,那么他们之间可以直接通信。在点对点网络中,任何FFD都可以充当PAN coordinator的角色。看哪一个设备是PAN coordinator的方法是看哪个FFD设备是最先作为PAN coordinator进行通信的。在点对点网络中,所有参与转发信息的设备都是FFD设备,因为RFD设备不能够传播消息。不过,RFD也能够成为网络中一部分,并且可以和网络中的一种特殊设备(coordinator或router)通信。

通过在相互通信的设备间规定限制条件,点对点网络可以有不同的形状。如果没有限制,点对点网络就成为了网状拓扑。ZigBee支持的另一种点对点网络形式是树状拓扑(见图1.8),在这里,ZigBee coordinator(PAN coordinator)建立了初始网络,ZigBee router则组成了分支并转发信息,而ZigBee end device作为树叶且不参与信息路径选定。ZigBee router可以在ZigBee coordinator初始建立的网络之外拓展网络。
图1.8也展示了为什么转发信息有助于扩展网络范围,甚至绕过障碍物。例如,设备A需要发送一条信息到设备B,但它们之间有障碍物,信号难以穿透。这时树形拓扑就可以通过转发信息绕过障碍物来帮助其到达设备B。这有时也被叫做multihopping,因为信息从一个节点跳到另一个节点直到到达目的地为止。更广的覆盖范围取决于潜在高信息延迟消耗。
不考虑拓扑的话,一个IEEE 802.15.4网络总是由一个PAN coordinator所创建,PAN coordinator控制网络并且履行下面最小职责:
●为网络中每个设备分配一个唯一地址(16位或64位)
●初始化、中止、发送整个网络中的信息
●为网络选择一个唯一的PAN标识符。该标识符运行同一个网络中的设备使用16位短地址寻址方法,并且能够通过独立的网络与其他设备通信。

整个网络战只有一个PAN coordinator,PAN coordinator可能需要较长的活跃时间,因此,它通常连接到一个稳压电源而非电池。其他的所有设备通常是电池供电的,最小的系统网络包括两个设备:一个PAN coordinator和一个device。

1.10        ZigBee和IEEE 802.15.4的通信基础
这部分复习了一些通信的基础知识,像IEEE 802.15.4和ZigBee中的多种访问机制,数据传输方式和寻址方法等。

1.10.1        CSMA-CA载波检测多路访问-碰撞避免
IEEE 802.15.4使用一种简单的方法来让多个设备使用同一个频率信道,它使用的访问机制是载波检测多路访问碰撞避免(CSMA-CA)。在CSMA-CA中,任何时候一个设备想要发送信息,都要先执行一条空闲信道评估(CCA)指令来确保该信道没有被其他设备所使用,然后它才开始发送信号。判定一个信道是否空闲可以通过测量频带中的频谱能量或者检测工作中信号的类型。
当某设备计划传输一个信号时,它首先进入接收模式来检测和评估目标信道内信号的能量等级,这个任务被称作能量检测(ED)。在ED中,接收器不会去解码信号,并且只评估信号能量等级。如果信道中已经存在一个信号,那么ED判断不出这是否是一个IEEE 802.15.4信号。
另一种判定信道是否空闲的方法是载波检测(CS)。和ED相比,在CS中,工作中信号的类型是确定的,如果这个信号是一个IEEE 802.15.4信号,那么该设备可能会被判定为忙碌,即使信号的能量低于用户定义的门限值。
如果信道不空闲,设备将在一段随机的时间间隔内返回不断重新检测,直到信道变为空闲或者到达用户定义的最大重新检测次数。

1.10.2        信标(Beacon)VS非信标(Nonbeacon)网络
信道访问的方式有两种:基于竞争和免于竞争。在基于竞争的信道访问中,所有想在同一频率信道传输信息的设备都使用CSMA-CA机制,谁先发现信道空闲谁就先进行传输。在免于竞争方式中,PAN coordinator为特殊设备留出一个时隙,这个时隙叫做GTS(Guarantee Time Slot),因此,有GTS的设备可以在GTS期间开始发送信息,而不需要使用CSMA-CA机制。
为了提供一个GTS,PAN coordinator需要确保所有的设备都是同步的,Beacon有具体的格式,是一个用来同步网络中节点时钟的消息。Beacon的帧格式在1.14.2.1.1小节有具体的讨论。coordinator可以选择发送Beacon信号来同步与其相连的设备。这就叫做beacon-enabled PAN。使用beacon的一个缺点就是所有网络中的设备必须定期唤醒,确定beacon、同步它们的时钟、继续休眠。这就意味着网络中的一些设备被唤醒过来只是为了进行同步,而不执行任何其他任务。因此,在一个beacon-enabled网络中,设备的电池寿命通常少于nonbeacon的网络。
PAN coordinator不传输beacon的网络被称作nonbeacon网络,而nonbeacon网络没有GTS和免于竞争时段,因为其设备不能相互同步。nonbeacon网络中电池的寿命要明显优于beacon-enabled网络,因为在nonbeacon网络中,设备被唤醒的次数较少。

1.10.3        数据传输方式
IEEE 802.15.4中有三种数据传输方式:
●从一个device传送到一个coordinator
●从一个coordinator传送到一个device(device是ZigBee中一种设备类型)
●在两个对等设备间传输(coordinator到coordinator)
这三种方法都可以用在点对点的拓扑中;而在星型拓扑中,只能使用前两种,因为没有直接相连的点对点的通信(也就是说,星型网络中,相邻的设备的类型都是不同的)。

1.10.3.1        数据发送到一个coordinator
在一个beacon-enabled网络中,当一个device想要发送数据给coordinator时,device定时同步它的时钟,并使用CSMA-CA方式发送数据给coordinator(假设GTS期间没有发送数据)。如果这时数据发送器发送请求的话,coordinator将会进行应答,如图1.9a所示
图1.9b展示了在nonbeacon-enabled网络中数据传输的流程。在该情景中,信道一空闲device就发送数据,如果有请求的话PAN coordinator还会给出应答。

1.10.3.2        coordinator向其他设备发送数据
图1.10a阐述了在一个beacon-enabled网络中,从coordinator向device发送数据的步骤。如果coordinator需要向一个特定的device发送数据时,它会在其beacon消息中说明一条数据消息正在等待这个device。然后该device会发送一条数据请求消息给coordinator以表明,它是活跃的并且准备好了接收数据,然后coordinator对数据请求进行应答并向device发送数据。device是否发送应答是可选的。
在一个nonbeacon-enabled网络中(见图1.10b),coordinator需要等待device请求数据。如果设备请求数据,但没有数据等待device,coordinator发送一条特定格式的应答信息来表明没有数据等待device,或者,coordinator可能发送一条长度为0的消息。

1.10.3.3        点对点数据传输
在一个点对点拓扑中,每个设备都可以直接和其他任何设备通信。在一些应用中,致力于点对点数据发送和接收的设备被同步。(更多关于对等通信的信息请看第三章)
1.10.4        数据验证
数据包是以特定格式一起发送的多个比特位。接收器需要一种机制来验证接收到的比特是否是正确的,IEEE 802.15.4使用一种16位帧校验序列,该序列基于国际电信联盟循环冗余校验来检测数据包中潜在的错误。3.3.5.1.1小节提供了关于使用循环冗余校验的更多细节。
1.10.5        寻址方式
网络中的每个设备都需要一个唯一的地址,IEEE 802.15.4使用两种寻址方法:
●16位短地址
●64位扩展地址
一个网络可以选择使用16位或者64位的地址。短地址允许在单个网络内进行通信,使用16位短地址机制可以减少消息长度并能节省所需分配的内存空间。将唯一的PAN标识符和一个短地址相结合后,可以用做独立网络之间的通信。
64位地址寻址方式意味着网络中的最大设备数可以达到264,大约是1.8 × 1019,因此,IEEE 802.15.4无线网络时间上对可以加入网络的设备数是没有限制的。
ZigBee协议的网络(NWK)层额外的为IEEE地址分配了一个16位地址。一个简单的查询表(Lookup Table)被用来为每一个64位IEEE地址安排一个唯一的网络地址,网络层的工作需要用到网络地址。
网络中的每个无线设备都可以单独拥有一个IEEE地址和一个网络地址,但最多仅有240个设备可以连接到一个无线设备上。这240个设备由1~240中的数字进行区分,这些数字被称作endpoint地址。

1.11        建立连接和解除连接
建立连接和解除连接是由IEEE 802.15.4提供的服务,可以运行设备加入和退出网络。例如,当一个设备想加入到PAN中时,它会给coordinator发送一个建立连接的请求,而coordinator可以接受或拒绝该请求。该设备还可以使用解除连接来通知coordinator说它要离开网络。

1.12        绑定
绑定是在相关应用间创建逻辑链接的任务。例如,一个带小灯的ZigBee设备逻辑上与另一个设备上控制该小灯的开关相关联,与这些逻辑链接相关的信息存储在一个绑定表中。ZigBee标准的应用层提供了对绑定表创建和维护的支持。绑定表中逻辑相关的设备被称作绑定设备(bound device)。

1.13        ZigBee的自形成和自愈特性
像1.9小节中所讨论的,ZigBee网络一激活就开始网络构建。例如,在网状网络中,第一个开始通信的FFD设备将自己设置为ZigBee coordinator,然后其他的设备通过发送建立连接请求来加入网络,因为不需要其他额外的管理来建立一个网络,ZigBee网络是自动形成的网络。
另一方面,当一个网状网络建立时,通常有不止一种方法可以将信息从一个设备转发到另一个。当然,会由最佳的路径来转发这条消息,然而,当其中的一个路由器因为电池电量用完或有障碍物挡住信息的传播路径而停止工作时,网络会选择另一条路径。这就是ZigBee网状网络自愈特性的一个例子。
ZigBee被认为是一种ad hoc无线网络。在一个ad hoc无线网络中,一些无线节点愿意为其他设备转发数据。将信息从源头发送到目的地的路径是基于网络连通性而动态选择的,如果网络状态改变了,那么可能也有必要改变网络路径。这是和其他一些带基础设施的网络拓扑相比较的,在这些网络拓扑中,一些指定的设备在网络中总是充当路由器的角色。

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 楼主| rgmlfofiw 发表于 2011-10-1 21:15:22 | 显示全部楼层
1.14        ZigBee和 IEEE 802.15.4网络层功能
本部分提供了对ZigBee和IEEE 802.15.4协议层的一个概述,第三章中还有具体的介绍。

1.14.1        PHY层
在ZigBee无线网络中(见图1.3),最低的协议层是IEEE 802.15.4物理层或PHY层。这层是距离硬件最近的层,它直接控制并与无线收发器通信。PHY层负责激活发送或接收数据包的无线设备。PHY层还选择信道的频率并确保该频道当前没有被任何一个其他网络中的设备所使用。

1.14.1.1        PHY数据包总体结构
各种设备间的通信数据和命令都是以数据包的形式存在的,一个数据包的总体结构见图1.11。PHY数据包包括三部分:SHR,PHR和PHY Payload。

SHR允许接收器同步和锁定数据流,PHR包含帧长度信息,PHY payload是由上层提供的,它包括发送给接收设备的数据和命令。
作为一个PHY payload被发送到其他设备的MAC帧有三个部分。MHR包含类似寻址和安全等的信息,MAC payload有各种长度的大小(包括零长度)并且包含数据和命令,MFR则包含一个用来验证数据的16位帧检测序列(FCS)。
NWK帧有两部分:NHR和NWK payload。NHR有网络级地址和控制信息,NWK payload是由应用支持子层提供的。在应用支持子层帧中,AHR具有应用层控制和地址信息。Auxiliary HDR包含为帧和使用的密钥增加安全性的机制,这些密钥在相应的设备中是共享的,并且有助于解锁信息。NWK和MAC帧还可以拥有可选的Auxiliary HDR来增加额外的安全性。APS payload包含数据和命令。消息完整性代码(MIC)是APS帧中的一个安全特性,用来检测消息内容中未授权的改变。
图1.11表明,最先发送的位是SHR中的最不重要位(LSB),PHY payload的8位中最后一位最不重要位(MSB)也是最后被发送。

1.14.2        MAC层
媒介访问控制(MAC)层为PHY层和NWK层提供了接口。MAC负责产生信标和为信标(beacon-enabled网络)同步设备。MAC层还提供建立连接和解除连接的服务。

1.14.2.1        MAC帧结构
IEEE 802.15.4定义了4种MAC帧结构:
●信标帧
●数据帧
●应答帧
●MAC命令帧
Coordinator使用信标帧来发送信标,信标是用来同步同一个网络内所有设备的时钟的,数据帧是用来发送数据的,应答帧是在成功的接收到一个帧后进行相应的应答的,MAC帧是用来发送MAC命令的。

1.14.2.1.1        信标帧
图1.12中显示了信标帧的结构,整个MAC帧被用作了PHY包中的一个payload,PHY payload的内容被称作PHY服务数据单元(PSDU)。
在PHY数据包中,接收器使用帧开始位来进行同步,启动帧分隔符(SDF)表明了SHR的结束和PHR的开始。帧长度表明了PSDU中数据位的数量。
MAC帧包含三个部分:MHR(MAC帧开始位),MAC payload(要发送的MAC数据),MFR(MAC帧结束位)。MHR帧控制部分包括定义了帧类型,寻址区域和其他控制标志的信息。序列号具体指定了信标序列号(BSN),寻址区域提供了源地址和目的地址,辅助安全性开始位(Auxiliary HDR)是可选的,它包含安全处理过程所需的信息。
MAC payload是由NWK层提供的,超级帧是由两个信标帧绑定的帧。超级帧可以被选择性的用在beacon-enabled网络中,它有助于定义GTS(保证时隙)。

MAC payload中的GTS决定了一个GTS是否被用于收发。
信标帧不仅被用于同步网络中的设备,还被用来让网络中的特定设备知道在coordinator中有数据在等待这个设备。设备会自己进行判断然后与coordinator联系并申请让其发送数据到该设备,这叫做间接传输。MAC payload中的等待地址包含在coordinator中有数据等待发送的设备的设备地址。每次设备接收一个信标,它都将检查等待地址区域来确定是否有数据在等待它。
信标payload领域是一个可选的领域,它可被网络层使用,而且是伴随信标帧被发送的。接收器使用帧检查序列(FCS)区域来检测接收帧中任何可能的错误,关于帧格式的更详细信息在第三章中有说明。

1.14.2.1.2        数据帧
图1.13展示了MAC数据帧。数据payload由NWK层提供。MAC payload中的数据被称作MAC服务数据单元(MSDU)。除了超级帧,GTS和等待地址区域没有呈现在MAC数据帧中之外,该帧中的领域和信标帧相似。MAC数据帧被称作MAC协议数据单元(MPDU)并且变成了PHY payload。

1.14.2.1.3        应答帧
图1.14显示了MAC应答帧,这是最简单的MAC帧格式且不带任何MAC payload。应答帧是由一个设备发向另一个来确认成功发送一个数据包的。

1.14.2.1.4        命令帧
MAC命令使用MAC命令帧来发送,例如请求与一个网络建立连接或解除连接的命令(见图1.15)。命令类型域决定了命令的类型(例如,建立连接请求或数据请求)。命令payload包含命令本身,整个MAC命令帧作为PSDU被放在PHY payload。

1.14.3        网络层
MAC层和APL层间的NWK层接口负责管理网络形成和路径选择。路径选择就是选择将信息转发到目标设备的路径。ZigBee coordinator和router负责发现和维护网络中的路径,ZigBee终端设备不能执行发现路径。ZigBee coordinator或者router将代表终端执行路径发现,ZigBee coordinator的NWK层负责建立一个新的网络和选择网络拓扑(树型,星型,或网状网络拓扑),ZigBee coordinator还为网络中的设备分配网络地址。

1.14.4        APL层
应用(APL)层是ZigBee无线网络中的最高协议层并且管理应用对象。生产商开发应用对象来为各种应用定制一款设备,在ZigBee设备中,应用对象控制和管理协议层,单个的设备中最多可以有240个应用对象。
在开发一个应用时,ZigBee标准提供了使用应用框架的选择。应用框架是一系列关于特定应用消息格式和处理动作的协议。使用应用框架可以使不同供应商开发的同一款应用的产品之间有更好的互操作性。如果两个供应商使用同样的应用框架来开发他们的产品,那么其中一个供应商生产的产品将与另一个紧密联系,就好像是同一个生产商生产的一样。

1.14.5        安全性
在一个无线网络中,发送的消息可以被临近的任何设备接收,包括入侵者。无线网络中主要有两种安全问题。第一种是数据保密,入侵设备可以通过监听发送信息来获得敏感信息。发送之前对消息进行加密可以解决这个保密问题。一种加密算法通过使用一种叫做安全密钥的比特字符串来更改一条信息,只有指定的接受者才能给还原原始的信息。IEEE 802.15.4标准支持使用先进加密标准(AES)来加密他们外发的信息。
第二个安全问题是入侵设备可能会更改和重新发送先前发送的信息之一,即使这些信息加密了。在每个外发帧中加入一个信息完整性代码(MIC)可以使接收者知道信息是否在发送过程中被更改,这个过程叫做数据验证。
在ZigBee无线网络中使用安全特性的一个主要限制就是资源有限。节点主要都是电池供电并且计算能力和内存大小有限。ZigBee主要是针对低成本应用和节点硬件可能不能防止入侵篡改。如果一个入侵者得到操作网络中的一个没有防入侵篡改功能的节点,真是的密码可以被很简单的从设备内存中获得。一个有防入侵篡改功能的节点在检测到入侵的时候,可以擦除敏感信息,包括安全密码

1.15        ZigBee网关
ZigBee网关提供了两个网络间使用不同标准的接口。例如,如果在一个房间内使用ZigBee无线网络来收集病人的信息,这些信息可能需要通过因特网被传送到一个监控站,这种情况下,ZigBee网关就能同时使用ZigBee协议和因特网协议,将ZigBee数据包转换成因特网协议,反之亦然。

1.16        ZigBee比喻
ZigBee标准的其中一个重要特性就是它的网状网络性能。在大型的分布式网状网络中,一条消息从一个设备被转发到另一个,直到到达它的目的地。类似的,当一群蜜蜂分布在一大片区域内,想要把一条信息一直传回它们的蜂巢时,它们就使用消息转发的方法。每一个蜜蜂跳一段特定的Z型舞,另一个更加靠近蜂巢的蜜蜂向下一只蜜蜂重复该舞蹈。这个过程不断的被重复直到消息被传递到蜂巢为止。ZigBee的名字就是其网络中设备的工作方式对蜜蜂工作方式的一个比喻。

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NKWestLake 发表于 2011-11-13 16:21:25 | 显示全部楼层
非常感谢楼主的努力,节约了我们不少时间 。不过建议大家中英对照着看,楼主有些翻译并不是很到位,如PAN应翻译成个域网(1.3),通道翻译成信道则更专业,“最弱的处理能力和特性”应为“最少的功能和特性”(1.8),“并且可以和网络中的一种特殊设备(coordinator或router)通信”应为“但仅能和网络中某个特定设备通信”(指其父节点)(1.9),“更广的覆盖范围取决于潜在高信息延迟消耗”应为“更广的覆盖范围以潜在的长信息延迟开销为代价”或者“带来了潜在的长信息延迟开销”(1.9),“不考虑拓扑的话”应为“无论哪种拓扑结构”……就不一一列举了,希望我们共同完善。
另外建议楼主尽量把一句话翻译得符合汉语的习惯,可以增删词义,不要仅按原文的单词顺序,那样可能还不如读英文原文容易理解。
再次感谢楼主,祝楼主学习更上一层楼……
1252732460 发表于 2011-11-19 16:56:53 | 显示全部楼层
相当尤其特别的感谢~~~
xiaohuan 发表于 2012-1-11 09:54:42 | 显示全部楼层
灰常感谢楼主的无私奉献
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