第4章ZigBee

技術4.1ZigBee技術簡介4.2ZigBee技術組網特性4.3ZigBee物理層協議規范4.4ZigBee的MAC層協議規范4.5ZigBee技術網絡層4.1ZigBee技術簡介

ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案，主要用于近距離無線連接。ZigBee是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準,是一個有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。它主要適用于自動控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。IEEE?802.15.4標準是一種經濟、高效、低數據速率(小于250?kb/s)、工作在2.4?GHz和868/928?MHz的無線技術，用于個人區域網和對等網狀網絡。

ZigBee技術的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發現新食物源的位置、距離和方向等信息。ZigBee過去又稱為“HomeRF

Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術，目前統一稱為ZigBee技術，中文譯名通常稱為“紫蜂”技術。電氣與電子工程師協會IEEE于2000年12月成立了802.15.4工作組，這個工作組負責制定ZigBee的物理層和MAC層協議，2001年8月成立了開放性組織——ZigBee聯盟，一個針對WPAN網絡而成立的產業聯盟，Honeywell、Invensys、三菱電器、摩托羅拉、飛利浦是這個聯盟的主要支持者，如今已經吸引了上百家芯片研發公司和無線設備制造公司，并不斷有新的公司加盟。ZigBee聯盟負責MAC層以上網絡層和應用層協議的制定和應用推廣工作。

2003年11月，IEEE正式發布了該項技術物理層和MAC層所采用的標準協議，即IEEE?802.15.4協議標準，作為ZigBee技術的物理層和媒體接入層的標準協議。2004年12月，ZigBee聯盟正式發布了該項技術標準。該技術希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動化、工業設備監測、PC外設、醫療傳感設備、玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領域當中。標準的正式發布，加速了ZigBee技術的研制開發工作，許多公司和生產商已經陸續地推出了自己的產品和開發系統，如飛思卡爾的MC13192、Chipcon公司的CC2420、Atmel公司的ATh6RF210等，其發展速度之快，遠遠超出了人們的想象。根據IEEE?802.15.4標準協議，ZigBee的工作頻段分為3個頻段,這3個工作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數目不同，因而，在該項技術標準中，各頻段上的調制方式和傳輸速率也不同。3個頻段分別為868?MHz、915?MHz和2.4?GHz。其中2.4GHZ頻段分為16個信道，該頻段為全球通用的工業、科學、醫學(Industrial，ScientificandMedical，ISM)頻段，該頻段為免付費、免申請的無線電頻段，在該頻段上，數據傳輸速率為250?kb/s。表4-1為ZigBee頻帶和頻帶傳輸率情況。表4-1ZigBee頻帶和頻帶傳輸率頻帶使用范圍數據傳輸率信道數2.4?GHz(ISM)全世界250?kb/s16868?MHz歐洲20?kb/s1915?MHz(ISM)美國40?kb/s10在組網性能上，ZigBee設備可構造為星型網絡或者點對點網絡，在每一個ZigBee組成的無線網絡內，連接地址碼分為16?bit短地址或者64?bit長地址，可容納的最大設備個數分別為216個和264個，具有較大的網絡容量。在無線通信技術上，采用免沖突多載波信道接入(CSMACA)方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突。此外，為保證傳輸數據的可靠性，建立了完整的應答通信協議。

ZigBee設備為低功耗設備，其發射輸出為0～3.6?dBm，通信距離為30～70?m，具有能量檢測和鏈路質量指示能力，根據這些檢測結果，設備可自動調整設備的發射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗設備能量。為保證ZigBee設備之間通信數據的安全保密性，ZigBee技術采用通用的AES-128加密算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理。

ZigBee技術是一種可以構建一個由多達數萬個無線數傳模塊組成的無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網，每一個ZigBee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信；每個網絡節點間的距離可以從標準的75米擴展到幾百米，甚至幾公里；另外，整個ZigBee網絡還可以與現有的其他各種網絡連接。例如，可以通過互聯網在北京監控云南某地的一個ZigBee控制網絡。與移動通信網絡不同的是，ZigBee網絡主要是為自動化控制數據傳輸而建立的，而移動通信網主要是為語音通信而建立的。每個移動基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣；每個ZigBee網絡節點不僅本身可以與監控對象，例如與傳感器連接直接進行數據采集和監控，它還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。除此之外，每一個ZigBee網絡節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)進行無線連接。每個ZigBee網絡節點(FFD和RFD)可以支持多達31個傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備最終可以有8種不同的接口方式。一般而言，隨著通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術將是最低功耗和低成本的技術。同時，由于ZigBee技術擁有低數據速率和通信范圍較小的特點，這也決定了ZigBee技術適合于承載數據流量較小的業務。ZigBee技術的目標就是針對工業、家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化、農業自動化和醫療護理等，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數據采集和監控，油田、電力、礦山和物流管理等應用領域。另外，它還可以對局部區域內的移動目標，例如對城市中的車輛進行定位。通常，符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用ZigBee技術作無線傳輸：需要數據采集或監控的網點多；要求傳輸的數據量不大，而要求設備成本低；要求數據傳輸可靠性高、安全性高；設備體積很小，電池供電，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；地形復雜，監測點多，需要較大的網絡覆蓋；現有移動網絡的覆蓋盲區；使用現存移動網絡進行低數據量傳輸的遙測遙控系統；使用GPS效果差或成本太高的局部區域移動目標的定位應用。

ZigBee技術的特點具體如下：

(1)功耗低。兩節五號電池可支持長達6個月到2年左右的使用時間。

(2)可靠。采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。

(3)數據傳輸速率低。只有10～250?kb/s，專注于低傳輸應用。

(4)成本低。因為ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本，且ZigBee

協議免收專利費，采用ZigBee技術產品的成本一般為同類產品的幾分之一甚至十分之一。

(5)時延短。針對時延敏感的應用做了優化，通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，通常時延都在15～30?ms之間。

(6)優良的網絡拓撲能力。ZigBee具有星、網和叢樹狀網絡結構能力。ZigBee設備實際上具有無線網絡自愈能力，能簡單地覆蓋廣闊范圍。

(7)網絡容量大。可支持多達65?000個節點。

(8)安全。ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用通用的AES-128。

(9)工作頻段靈活。使用的頻段分別為2.4?GHz、868?MHz(歐洲)及915?MHz(美國)，均為免執照頻段。4.2ZigBee技術組網特性利用ZigBee技術組成的無線個人區域網(WPAN)是一種低速率的無線個人區域網(LR-WPAN)，這種低速率無線個人區域網的網絡結構簡單、成本低廉，具有有限的功率和靈活的吞吐量。在一個LR-WPAN網絡中，可同時存在兩種不同類型的設備，一種是具有完整功能的設備(FFD)，另一種是簡化功能的設備(RFD)。在網絡中，FFD通常有3種工作狀態：①作為一個主協調器；②作為一個協調器；③作為一個終端設備。一個FFD可以同時和多個RFD或多個其他的FFD通信，而一個RFD只能和一個FFD進行通信。RFD的應用非常簡單、容易實現，就好像一個電燈的開關或者一個紅外線傳感器，由于RFD不需要發送大量的數據，并且一次只能同一個FFD連接通信，因此，RFD僅需要使用較小的資源和存儲空間，這樣，就可非常容易地組建一個低成本和低功耗的無線通信網絡。在ZigBee網絡拓撲結構中，最基本的組成單元是設備，這個設備可以是一個RFD也可以是一個FFD；在同一個物理信道的POS(個人工作范圍)通信范圍內，兩個或者兩個以上的設備就可構成一個WPAN。但是，在一個ZigBee網絡中至少要求有一個FFD作為PAN主協調器。

IEEE802.15.4/ZigBee協議支持3種網絡拓撲結構，即星形結構(Star)、網狀結構(Mesh)和叢樹結構(ClusterTree)，如圖4-1所示。其中，Star網絡是一種常用且適用于長期運行使用操作的網絡；Mesh網絡是一種高可靠性監測網絡，它通過無線網絡連接可提供多個數據通信通道，即它是一個高級別的冗余性網絡，一旦設備數據通信發生故障，則存在另一個路徑可供數據通信；ClusterTree網絡是Star/Mesh的混合型拓撲結構，結合了上述兩種拓撲結構的優點。圖4-1ZigBee技術的3種網絡拓撲結構星形網絡拓撲結構由一個稱為PAN主協調器的中央控制器和多個從設備組成，主協調器必須是一個具有FFD完整功能的設備，從設備既可為FFD完整功能設備，也可為RFD簡化功能設備。在實際應用中，應根據具體應用情況，采用不同功能的設備，合理地構造通信網絡。在網絡通信中，通常將這些設備分為起始設備或者終端設備，PAN主協調器既可作為起始設備、終端設備，也可作為路由器，它是PAN網絡的主要控制器。在任何一個拓撲網絡上，所有設備都有惟一的64位的長地址碼，該地址碼可以在PAN中用于直接通信，或者當設備之間已經存在連接時，可以將其轉變為16位的短地址碼分配給PAN設備。因此，在設備發起連接時，應采用64位的長地址碼，只有在連接成功，系統分配了PAN的標識符后，才能采用16位的短地址碼進行連接，因而，短地址碼是一個相對地址碼，長地址碼是一個絕對地址碼。在ZigBee技術應用中，PAN主協調器是主要的耗能設備，而其他從設備均采用電池供電，星形拓撲結構通常在家庭自動化、PC外圍設備、玩具、游戲以及個人健康檢查等方面得到應用。在對等的拓撲網絡結構中，同樣也存在一個PAN主設備，但該網絡不同于星形拓撲網絡結構，在該網絡中的任何一個設備只要是在它的通信范圍之內，就可以和其他設備進行通信。對等拓撲網絡結構能夠構成較為復雜的網絡結構，例如，網孔拓撲網絡結構，這種對等拓撲網絡結構在工業監測和控制、無線傳感器網絡、供應物資跟蹤、農業智能化，以及安全監控等方面都有廣泛的應用。一個對等網絡的路由協議可以是基于Adhoc技術的，也可以是自組織式的，并且，在網絡中各個設備之間發送消息時，可通過多個中間設備中繼的傳輸方式進行傳輸，即通常稱為多跳的傳輸方式，以增大網絡的覆蓋范圍。其中，組網的路由協議，在ZigBee網絡層中沒有給出，這樣為用戶的使用提供了更為靈活的組網方式。無論是星形拓撲網絡結構，還是對等拓撲網絡結構，每個獨立的PAN都有一個惟一的標識符，利用該PAN標識符，可采用16位的短地址碼進行網絡設備間的通信，并且可激活PAN網絡設備之間的通信。上面已經介紹，ZigBee網絡結構具有兩種不同的形式，每一種網絡結構有自己的組網特點，本小節將簡單地介紹它們各自的組網特點。

1．星形網絡結構的形成星形網絡的基本結構如圖4-1所示。當一個具有完整功能的設備(FFD)第一次被激活后，它就會建立一個自己的網絡，將自身成為一個PAN主協調器。所有星形網絡的操作獨立于當前其他星形網絡的操作，這就說明了在星形網絡結構中只有一個惟一的PAN主協調器，通過選擇一個PAN標識符確保網絡的惟一性，目前，其他無線通信技術的星形網絡沒有采用這種方式。因此，一旦選定了一個PAN標識符，PAN主協調器就會允許其他從設備加入到它的網絡中，無論是具有完整功能的設備，還是簡化功能的設備都可以加入到這個網絡中。

2．對等網絡結構的形成在對等拓撲結構中，每一個設備都可以與在無線通信范圍內的其他任何設備進行通信。任何一個設備都可定義為PAN主協調器，例如，可將信道中第一個通信的設備定義成PAN主協調器。未來的網絡結構很可能不僅僅局限為對等的拓撲結構，而是在構造網絡的過程中，對拓撲結構進行某些限制。例如，樹簇拓撲結構是對等網絡拓撲結構的一種應用形式，在對等網絡中的設備可以是完整功能設備，也可以是簡化功能設備。而在樹簇中的大部分設備為FFD，RFD只能作為樹枝末尾處的葉節點上，這主要是由于RFD一次只能連接一個FFD。任何一個FFD都可以作為主協調器，并為其他從設備或主設備提供同步服務。在整個PAN中，只要該設備相對于PAN中的其他設備具有更多計算資源，比如具有更快的計算能力，更大的存儲空間以及更多的供電能力等，就可以成為該PAN的主協調器，通常稱該設備為PAN主協調器。在建立一個PAN時，首先，PAN主協調器將其自身設置成一個簇標識符(CID)為0的簇頭(CLH)，然后，選擇一個沒有使用的PAN標識符，并向鄰近的其他設備以廣播的方式發送信標幀，從而形成第一簇網絡。接收到信標幀的候選設備可以在簇頭中請求加入該網絡，如果PAN主協調器允許該設備加入，那么主協調器會將該設備作為子節點加到它的鄰近表中，同時，請求加入的設備將PAN主協調器作為它的父節點加到鄰近表中，成為該網絡的一個從設備；同樣，其他的所有候選設備都按照同樣的方式，可請求加入到該網絡中，作為網絡的從設備。如果原始的候選設備不能加入到該網絡中，那么它將尋找其他的父節點。在樹簇網絡中，最簡單的網絡結構是只有一個簇的網絡，但是多數網絡結構由多個相鄰的網絡構成。一旦第一簇網絡滿足預定的應用或網絡需求時，PAN主協調器將會指定一個從設備為另一簇新網絡的簇頭，使得該從設備成為另一個PAN的主協調器，隨后其他的從設備將逐個加入，并形成一個多簇網絡，如圖4-2所示，圖中的直線表示設備間的父子關系，而不是通信流。多簇網絡結構的優點在于可以增加網絡的覆蓋范圍，而隨之產生的缺點是會增加傳輸信息的延遲時間。圖4-2多簇網絡4.2.1ZigBee技術的體系結構

ZigBee技術是一種可靠性高、功耗低的無線通信技術，在ZigBee技術中，其體系結構通常由層來量化它的各個簡化標準。每一層負責完成所規定的任務，并且向上層提供服務。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務。ZigBee技術的體系結構主要由物理(PYH)層、媒體接入控制(MAC)層、網絡/安全層以及應用框架層組成，其各層之間的分布如圖4-3所示。圖4-3ZigBee技術協議組成從圖4-3不難看出，ZigBee技術的協議層結構簡單，不像諸如藍牙和其他網絡結構，這些網絡結構通常分為7層，而ZigBee技術僅為4層。在ZigBee技術中，PHY層和MAC層采用IEEE?802.15.4協議標準，其中，PHY提供了兩種類型的服務，即通過物理層管理實體接口(PLME)對PHY層數據和PHY層管理提供服務。

PHY層數據服務可以通過無線物理信道發送和接收物理層協議數據單元(PPDU)來實現。PHY層的特征是啟動和關閉無線收發器、能量檢測、鏈路質量、信道選擇、清除信道評估(CCA)，以及通過物理媒體對數據包進行發送和接收。同樣，MAC層也提供了兩種類型的服務：通過MAC層管理實體服務接入點(MLME-SAP)向MAC層數據和MAC層管理提供服務。MAC層數據服務可以通過PHY層數據服務發送和接收MAC層協議數據單元(MPDU)。MAC層的具體特征是：信標管理、信道接入、時隙管理、發送確認幀、發送連接及斷開連接請求。除此之外，MAC層為應用合適的安全機制提供一些方法。

ZigBee技術的網絡/安全層主要用于ZigBee的LR-WPAN網的組網連接、數據管理以及網絡安全等；應用框架層主要為ZigBee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對ZigBee技術開發應用。在不同的應用場合，其開發應用框架不同，從目前來看，不同的廠商提供的應用框架是有差異的，應根據具體應用情況和所選擇的產品來綜合考慮其應用框架結構。4.2.2低速無線個域網的功能分析本節主要介紹低速無線個域網的功能，包括超幀結構、數據傳輸模式、幀結構、魯棒性、功耗以及安全性。

1．超幀結構在無線個域網網絡標準中，允許有選擇性地使用超幀結構。由網絡中的主協調器來定義超幀的格式。超幀由網絡信標來限定，并由主協調器發送，如圖4-4所示，它分為16個大小相等的時隙，其中，第一個時隙為PAN的信標幀。如果主設備不使用超幀結構，那么，它將關掉信標的傳輸。信標主要用于使各從設備與主協調器同步、識別PAN以及描述超幀的結構。任何從設備如果想在兩個信標之間的競爭接入期間(CAP)進行通信，則需要使用具有時隙和免沖突載波檢測多路接入(CSMACA)機制同其他設備進行競爭通信。需要處理的所有事務將在下一個網絡信標時隙前處理完成。圖4-4超幀結構為減小設備的功耗，將超幀分為兩個部分，即活動部分和靜止部分。在靜止部分時，主協調器與PAN的設備不發生任何聯系，進入一個低功率模式，以達到減小設備功耗的目的。在網絡通信中，在一些特殊(如通信延遲小、數據傳輸率高)情況下，可采用PAN主協調器的活動超幀中的一部分來完成這些特殊要求。該部分通常稱為保護時隙(GTS)。多個保護時隙構成一個免競爭時期(CFP)，通常，在活動超幀中，在競爭接入時期(CAP)的時隙結束處后面緊接著CFP，如圖4-5所示。PAN主協調器最多可分配7個GTS，每個GTS至少占用一個時隙。但是，在活動超幀中，必須有足夠的CAP空間，以保證為其他網絡設備和其他希望加入網絡的新設備提供競爭接入的機會，但是所有基于競爭的事務必須在CFP之前執行完成。在一個GTS中，每個設備的信息傳輸必須保證在下一個GTS時隙或CFP結束之前完成，在以后的章節中將詳細地介紹超幀的結構。圖4-5有GTS的超幀結構

2．數據傳輸模式

ZigBee技術的數據傳輸模式分為三種數據傳輸事務類型：第一種是從設備向主協調器傳送數據；第二種是主協調器發送數據，從設備接收數據；第三種是在兩個從設備之間傳送數據。對于星形拓撲結構的網絡來說，由于該網絡結構只允許在主協調器和從設備之間交換數據，因此，只有前兩種數據傳輸事務類型。而在對等拓撲結構中，允許網絡中任何兩個從設備之間進行交換數據，因此，在該結構中，可能包含這三種數據傳輸事務類型。每種數據傳輸的傳輸機制還取決于該網絡是否支持信標的傳輸。通常，在低延遲設備之間通信時，應采用支持信標的傳輸網絡，例如PC的外圍設備。如果在網絡不存在低延遲設備時，在數據傳輸中，可選擇不使用信標方式傳輸。值得注意的是，在這種情況下，雖然數據傳輸不采用信標，但在網絡連接時，仍需要信標，才能完成網絡連接，數據傳輸使用的幀結構將在下一節中介紹。

1)數據傳送到主協調器這種數據傳輸事務類型是由從設備向主協調器傳送數據的機制。當從設備希望在信標網絡中發送數據給主設備時，首先，從設備要監聽網絡的信標，當監聽到信標后，從設備需要與超幀結構進行同步，在適當的時候，從設備將使用有時隙的CSWCA向主協調器發送數據幀，當主協調器接收到該數據幀后，將返回一個表明數據已成功接收的確認幀，以此表明已經執行完成該數據傳輸事務，圖4-6描述了該數據傳輸事務執行的順序。圖4-6在信標網絡中數據到主協調器的通信順序當某個從設備要在非信標的網絡發送數據時，僅需要使用非時隙的CSMACA向主協調器發送數據幀，主協調器接收到數據幀后，返回一個表明數據已成功接收的確認幀，圖4-7描述了該數據傳輸事務執行的順序。圖4-7在無信標網絡中數據到主協調器的通信順序

2)主協調器發送數據這種數據傳輸事務是由主協調器向從設備傳送數據的機制。當主協調器需要在信標網絡中發送數據給從設備時，它會在網絡信標中表明存在有要傳輸的數據信息，此時，從設備處于周期地監聽網絡信標狀態，當從設備發現存在有主協調器要發送給它的數據信息時，將采用有時隙的CSMACA機制，通過MAC層指令發送一個數據請求命令。主協調器收到數據請求命令后，返回一個確認幀，并采用有時隙的CSMACA機制，發送要傳輸的數據信息幀。從設備收到該數據幀后，將返回一個確認幀，表示該數據傳輸事務已處理完成。主協調器收到確認幀后，將該數據信息從主協調器的信標未處理信息列表中刪除。圖4-8描述了該數據傳輸事務的執行順序。圖4-8在信標網絡中主協調器設備傳輸數據的通信順序當主協調器需要在非信標網絡中傳輸數據給從設備時，主協調器存儲著要傳輸的數據，將通過與從設備建立數據連接，由從設備先發送請求數據傳輸命令后，才能進行數據傳輸，其具體傳輸過程如下所述。首先，采用非時隙CSMACA方式的從設備，以所定義的傳輸速率向主協調器發送一個請求發送數據的MAC層命令，從而在主從設備之間建立起連接；主協調器收到請求數據發送命令后，返回一個確認幀。如果在主協調器中存在有要傳送給該從設備的數據時，主協調器將采用非時隙CSMACA機制，向從設備發送數據幀。如果在主協調器中不存在有要傳送給該從設備的數據，則主協調器將發送一個凈荷長度為0的數據幀，以表明不存在有要傳輸給該從設備的數據。從設備收到數據后，返回一個確認幀，以表示該數據傳輸事務已處理完成。圖4-9描述了該數據處理事務的執行順序。圖4-9在非信標網絡中主協調器設備傳輸數據的通信順序

3)對等網絡的數據傳輸在對等網絡中，每一個設備都可與在其無線通信范圍內的任何設備進行通信。由于設備與設備之間的通信隨時都可能發生，因此，在對等網絡中，各通信設備之間必須處于隨時可通信的狀態，設備必須處于如下兩種工作狀態中的任意一種：①設備始終處于接收狀態；②設備間保持相互同步。在第一種狀態下，設備采用非時隙的CSMA-CA機制來傳輸簡單的數據信息；在第二種情況下，需要采取一些其他措施，以確保通信設備之間相互同步。

3．幀結構在通信理論中，一種好的幀結構能夠在保證其結構復雜性最小的同時，在噪聲信道中具有很強的抗干擾能力。在ZigBee技術中，每一個協議層都增加了各自的幀頭和幀尾，在PAN網絡結構中定義了如下四種幀結構：信標幀——主協調器用來發送信標的幀。數據幀——用于所有數據傳輸的幀。確認幀——用于確認成功接收的幀。

MAC層命令幀——用于處理所有MAC層對等實體間的控制傳輸。在本小節中，將對這四種幀類型的結構進行介紹，并且用圖示的方式，說明各協議層中所對應的幀結構。物理層以下所描述的包結構以比特表示，為實際在物理媒體上所發送的數據。

1)信標幀在信標網絡中，信標由主協調器的MAC層生成，并向網絡中的所有從設備發送，以保證各從設備與主協調器同步，使網絡的運行成本最低，即采用信標網絡通信，可減少從設備的功耗，保證正常的通信，信標幀的結構如圖4-10所示。圖4-10信標幀示意圖通常設備中的MAC層服務數據單元(MSDU)包括超幀格式、未處理事務地址格式、地址列表以及信標載荷。如果在MSDU前面加上MAC層幀頭(MHR)，在MSDU結尾后面加上MAC層幀尾(MFR)，則MHR、MSDU和MFR共同構成了MAC層信標幀(即MAC層協議數據單元——MPDU)。其中，MHR包括MAC幀的控制字段、信標序列碼(BSN)以及尋址信息；MFR包含16?bit幀校驗序列(FCS)。在MAC層生成的MAC層信標幀作為物理層信標包的載荷(PSDU)發送到物理層。同樣，在PSDU前面，需要加上一個同步幀頭(SHR)和一個物理層幀頭(PHR)，其中，SHR包括前同步幀序列和幀起始定界符(SFD)；在PHR中，包含有PSDU長度的信息。使用前同步碼序列的目的是使從設備與主協調器達到符號同步，因此，SHR、PHR以及PSDU共同構成了物理層的信標包(PPDU)。

2)數據幀在ZigBee設備之間進行數據傳輸時，傳輸的數據由應用層生成，經數據處理后，發送給MAC層作為MAC層的數據載荷(MSDU)，?并在MSDU前面加上一個MAC層幀頭MHR，在其結尾后面加上一個MAC層幀尾MFR。其中，MHR包括幀控制、序列碼以及尋址信息，MFR為16?bitFCS碼，這樣，由MHR、MSDU和MFR共同構成了MAC層數據幀(MPDU)。

MAC的數據幀作為物理層載荷(PSDU)發送到物理層。在PSDU前面，加上一個SHR和一個PHR。其中，SHR包括前同步碼序列和SFD；PHR包含PSDU的長度信息。同信標幀一樣，前同步碼序列和數據SFD能夠使接收設備與發送設備達到符號同步。SHR、PHR和PSDU共同構成了物理層的數據包(PPDU)。數據幀結構如圖4-11所示。圖4-11數據幀結構示意圖

3)確認幀在通信接收設備中，為保證通信的可靠性，通常要求接收設備在接收到正確的幀信息后，向發送設備返回一個確認信息，以向發送設備表示已經正確地接收到相應的信息。接收設備將接收到的信息經PHY層和MAC層后，由MAC層經糾錯解碼后，恢復發送端的數據，如沒有檢查出數據的錯誤，則由MAC層生成的一個確認幀，發送回發送端，其幀結構如圖4-12所示。圖4-12確認幀結構示意圖

MAC層的確認幀是由一個MHR和一個MFR構成的，其中，MHR包括MAC幀控制字段和數據序列碼字段；MFR由16?bitFCS構成。MHR和MFR共同構成了MAC層的確認幀(MPDU)。

MPDU作為物理層確認幀載荷(PSDU)發送到物理層。在PSDU前面加上SHR和PHR。其中，SHR包括前同步碼序列和SFD宇段；PHR包含PSDU長度的信息。SHR、PHR以及PSDU共同構成了物理層的確認包(PPDU)。

4)?MAC層命令幀在ZigBee設備中，為了控制設備的工作狀態，同網絡中的其他設備進行通信，根據應用的實際需要，對設備進行控制，控制命令由應用層產生，在MAC層根據控制命令的類型，生成的MAC層命令幀，其幀結構如圖4-13所示。圖4-13MAC層命令幀結構示意圖包含命令類型字段和命令數據的MSDU叫做命令載荷。同其他幀一樣，在MSDU前面加上一個幀頭MHR，在其結尾后面加上一個幀尾MFR。其中，MHR包括MAC層幀控制、數據序列碼以及尋址信息字段，MFR由16?bitFCS構成。MHR、MSDU和MFR共同構成了MAC層命令幀(MPDU)。

MPDU作為物理層命令幀發送到物理層。PSDU前加上一個SHR和一個PHR。其中，SHR包括前同步碼序列和SFD字段；PHR包含PSDU長度的信息。前同步碼序列能夠使接收機達到符號同步。SHR、PHR和PSDU共同構成了物理層命令包(PPDU)。

4．魯棒性在LR-WPAN中，為保證數據傳輸的可靠性，采用了不同的機制，如CSMA-CA機制、幀確認以及數據校驗等。在本節中，將分別對這些機制進行簡要的介紹。

1)?CSMA-CA機制正如上面所述，ZigBee網絡分為信標網絡和非信標網絡，對不同的網絡工作方式將采用不同的信道接入機制。在非信標網絡工作方式下，采用非時隙CSMA-CA信道接入機制。采用該機制的設備，在每次發送數據幀或MAC層命令時，要等待一個任意長的周期，在這個任意的退避時間之后，如果設備發現信道空閑，就會發送數據幀和MAC層命令；反之，如果設備發現信道正忙，將等待任意長的周期后，再次嘗試接入信道。而對于確認幀，在發送時，不采用CSMA-CA機制，即在接收到數據幀后，接收設備直接發送確認幀，而不管當前信道是否存在沖突，發送設備根據是否接收到正確的確認幀來判斷數據是否發送成功。在信標網絡工作方式下，采用有時隙的CSMA-CA信道接入機制，在該網絡中，退避時隙恰好與信標傳輸的起始時間對準。在CAP期間發送數據幀時，首先，設備要鎖定下一個退避時隙的邊界位置，然后，在等待任意個退避時隙后，如果檢測到信道忙，則設備還要再等待任意個退避時隙，才能嘗試再次接入信道；如果信道空閑，設備將在下一個空閑的退避時隙邊界發送數據。對于確認幀和信標幀的發送，則不需要采用CSMN-CA機制。

2)確認幀在ZigBee通信網絡中，在接收設備成功地接收和驗證一個數據幀和MAC層命令幀后，應根據發送設備是否需要返回確認幀的要求，向發送設備返回確認幀，或者不返回確認幀。但如果接收設備在接收到數據幀后，無論任何原因造成對接收數據信息不能進一步處理時，都不返回確認幀。在有應答的發送信息方式中，發送設備在發出物理層數據包后，要等待一段時間來接收確認幀，如沒有收到確認幀信息，則認為發送信息失敗，并且重新發送這個數據包。在經幾次重新發送該數據包后，如仍沒有收到確認幀，發送設備將向應用層返回發送數據包的狀態，由應用層決定發送終止或者重新再發送該數據包。在非應答的發送信息方式中，不論結果如何，發送設備都認為數據包已發送成功。

3)數據核驗為了發現數據包在傳輸過程中產生的比特錯誤，在數據包形成的過程中，均加入了FCS機制，在ZigBee技術中，采用16?bitITU-T的循環冗余檢驗碼來保護每一個幀信息。

5．功耗

ZigBee技術在同其他通信技術比較時，我們不難看出，其主要技術特點之一就是功耗低，可用于便攜式嵌入式設備中。在嵌入式設備中，大部分設備均采用電池供電的方式，頻繁地更換電池或給電池充電是不實際的。因此，功耗就成為了一個非常重要的因素。顯然，為減小設備的功耗，必須盡量減少設備的工作時間，增加設備的休眠時間，即使設備在較高的占空比(DutyCycling)條件下運行，以減小設備的功耗為目的，因此，這樣就不得不使這些設備大部分的時間處于休眠狀態。但是，為保證設備之間的通信能夠正常工作，每個設備要周期性地監聽其無線信道，判斷是否有需要自己處理的數據消息，這一機制使得我們在實際應用中，必須在電池消耗和信息等待時間之間進行綜合考慮，以獲得它們之間的相對平衡。

6．安全性在無線通信網絡中，設備與設備之間通信數據的安全保密性是十分重要的，ZigBee技術中，在MAC層采取了一些重要的安全措施，以保證通信最基本的安全性。通過這些安全措施，為所有設備之間的通信提供最基本的安全服務，這些最基本的安全措施用來對設備接入控制列表(ACL)進行維護，并采用相應的密鑰對發送數據進行加/解密處理，以保護數據信息的安全傳輸。雖然MAC層提供了安全保護措施，但實際上，MAC層是否采用安全性措施由上層來決定，并由上層為MAC層提供該安全措施所必須的關鍵資料信息。此外，對密鑰的管理、設備的鑒別以及對數據的保護、更新等都必須由上層來執行。在本小節中將簡要介紹一些ZigBee技術安全方面的知識。

1)安全性模式在ZigBee技術中，可以根據實際的應用情況，即根據設備的工作模式以及是否選擇安全措施等情況，由MAC層為設備提供不同的安全服務。

(1)非安全模式。在ZigBee技術中，可以根據應用的實際需要來決定對傳輸的數據是否采取安全保護措施，顯然，如果選擇設備工作模式為非安全模式，則設備不能提供安全性服務，對傳輸的數據無安全保護。

(2)?ACL模式。在ACL模式下，設備能夠為同其他設備之間的通信提供有限的安全服務。在這種模式下，通過MAC層判斷所接收到的幀是否來自于所指定的設備，如不是來自于指定的設備，上層都將拒絕所接收到的幀。此時，MAC層對數據信息不提供密碼保護，需要上層執行其他機制來確定發送設備的身份。在ACL模式中，所提供的安全服務即為前面所介紹的接入控制。

(3)安全模式。在安全模式條件下，設備能夠提供前面所述的任何一種安全服務。具體的安全服務取決于所使用的一組安全措施，并且，這些服務由該組安全措施來指定。在安全模式下，可提供如下安全服務：接入控制；數據加密；幀的完整性；有序刷新。

2)安全服務在ZigBee技術中，采用對稱密鑰(Symmetric-Key)的安全機制，密鑰由網絡層和應用層根據實際應用的需要生成，并對其進行管理存儲輸送和更新等。密鑰主要提供如下幾種安全服務：

(1)接入控制。接入控制是一種安全服務，為一個設備提供選擇同其他設備進行通信的能力。在網絡設備中，如采用接入控制服務，則每一個設備將建立一個接入控制列表，并對該列表進行維護，列表中的設備為該設備希望通信連接的設備。

(2)數據加密。在通信網絡中，對數據進行加密處理，以安全地保護所傳輸的數據，在ZigBee技術中，采用對稱密鑰的方法來保護數據，顯然，沒有密鑰的設備不能正確地解密數據，從而，達到了保護數據安全的目的。數據加密可能是一組設備共用一個密鑰(通常作為默認密鑰存儲)或者兩個對等設備共用一個密鑰(一般存儲在每個設備的ACL實體中)。數據加密通常為對信標載荷、命令載荷或數據載荷進行加密處理，以確保傳輸數據的安全性。

(3)幀的完整性。在ZigBee技術中，采用了一種稱為幀的完整性的安全服務。所謂幀的完整性，就是利用一個信息完整代碼(MIC)來保護數據，該代碼用來保護數據免于沒有密鑰的設備對傳輸數據信息的修改，從而進一步保證了數據的安全性。幀的完整性由數據幀、信標幀和命令幀的信息組成。保證幀完整性的關鍵在于一組設備共用保護密鑰(一般默認密鑰存儲狀態)或者兩個對等設備共用保護密鑰(一般存儲在每個設備的ACL實體中)。

(4)有序刷新。有序刷新技術是一種安全服務，該技術采用一種規定的接收幀順序對幀進行處理。當接收到一個幀信息后，得到一個新的刷新值，將該值與前一個刷新值進行比較，如果新的刷新值更新，則檢驗正確，并將前一個刷新值刷新成該值；如果新的刷新值比前一個刷新值更舊，則檢驗失敗。這種服務能夠保證設備接收的數據信息是新的數據信息，但是沒有規定一個嚴格的判斷時間，即對接收數據多長時間進行刷新，需要根據在實際應用中的情況來進行選擇。

7．原語的概念從上面的介紹中，我們不難得知ZigBee設備在工作時，各種不同的任務在不同的層次上執行，通過層的服務完成所要執行的任務。每一層的服務主要完成兩種功能：一種是根據它的下層服務要求，為上層提供相應的服務；另一種是根據上層的服務要求，對它的下層提供相應的服務。各項服務通過服務原語來實現，這里，我們利用圖4-14來描述原語的基本概念，在圖中，描述了一個具有N個用戶的網絡中，兩個對等用戶以及他們與M層(或子層)對等協議實體建立連接的服務原語。圖4-14服務原語服務是由N用戶和M層之間信息流的描述來指定的。該信息流由離散的瞬時事件構成，以提供服務為特征。每個事件由服務原語組成，它將在一個用戶的某一層，通過該層的服務接入點(SAP)與建立對等連接的用戶的根同層之間傳送。服務原語通過提供一種特定的服務來傳輸必需的信息。這些服務原語是一個抽象的概念，它們僅僅指出提供的服務內容，而沒有指出由誰來提供這些服務。它的定義與其他任何接口的實現無關。由代表其特點的服務原語和參數的描述來指定一種服務。一種服務可能有一個或多個相關的原語，這些原語構成了與具體服務相關的執行命令。每種服務原語提供服務時，根據具體的服務類型，可能不帶有傳輸信息，也可能帶有多個傳輸必須的信息參數。原語通常分為如下四種類型：

(1)?Request(請求原語)：從第N1個用戶發送到它的第M層，請求服務開始。

(2)Indication(指示原語)：從第N1個用戶的第M層向第N2個用戶發送，指出對于第N2個用戶有重要意義的內部M層的事件。該事件可能與一個遙遠的服務請求有關，或者可能是由一個M層的內部事件引起的。

(3)?Response(響應原語)：從N2用戶向它的第M層發送，用來表示對用戶執行上一條原語調用過程的響應。

(4)?Confirm(確認原語)：從第M層向第N1個用戶發送，用來傳送一個或多個前面服務請求原語的執行結果。4.3ZigBee物理層協議規范4.3.1ZigBee工作頻率的范圍眾所周知，藍牙技術在世界多數國家都采用統一的頻率范圍，其范圍為2.4?GHz的ISM頻段上，調制采用快速跳頻擴頻技術。而ZigBee技術不同，對于不同的國家和地區，為其提供的工作頻率范圍不同，ZigBee所使用的頻率范圍主要分為868/915?MHz和2.4?GHzISM頻段，各個具體頻段的頻率范圍如表4-2所示。表4-2國家和地區ZigBee頻率工作的范圍工作頻率范圍/MHz頻段類型國家和地區868～868.6ISM歐洲902～928ISM北美2400～2483.5ISM全球由于各個國家和地區采用的工作頻率范圍不同，為提高數據傳輸速率，IEEE802.15.4規范標準對于不同的頻率范圍，規定了不同的調制方式，因而在不同的頻率段上，其數據傳輸速率不同，具體調制和傳輸速率如表4-3所示。表4-3頻率和數據傳輸率頻段/MHz擴

展

參

數數

據

參

數碼片速率/kc·s-1調制比特速率/kb·s-1符號速率/kBaud·s-1符號868～868.6300BPSK2020二進制902～928600BPSK4040二進制2400～2483.52000O-QPSK25062.516相正交4.3.2信道分配和信道編碼從上看出ZigBee使用了3個工作頻段，每一頻段寬度不同，其分配信道的個數也不相同，IEEE?802.15.4規范標準定義了27個物理信道，信道編號從0到26，在不同的頻段其帶寬不同。其中，2450?MHz頻段定義了16個信道，915?MHz頻段定義了10個信道，868?MHz頻段定義了1個信道。這些信道的中心頻率定義如下:

fc=868.3MHz (k=0)

fc=906+2(k－1)MHz (k=1，2，…，10)

fc=2405+5(k－11)MHz (k=11，12，…，26)其中，k是信道編號，其頻率和信道分布狀況如圖4-15所示。圖4-15頻率和信道分布4.3.3發射功率和接收靈敏度

ZigBee技術的發射功率也有嚴格的限制，其最大發射功率應該遵守不同國家所制定的規范。通常，ZigBee的發射功率范圍為0～10?dBm，通信距離范圍通常為10?m，可擴大到約300?m，其發射功率可根據需要，利用設置相應的服務原語進行控制。正如大家所知，接收靈敏度是在給定接收誤碼率的條件下，接收設備的最低接收門限值，通常用dBm表示；ZigBee的接收靈敏度的測量條件為在無干擾條件下，傳送長度為20個字節的物理層數據包，其誤碼率小于1％的條件下，在接收天線端所測量的接收功率為ZigBee的接收靈敏度，通常要求為－85?dBm。4.3.4ZigBee物理層服務

ZigBee物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個從MAC層到物理層無線信道的接口。在物理層中，包含一個物理層管理實體(PLME)，該實體通過調用物理層的管理功能函數，為物理層管理服務提供其接口，同時，還負責維護由物理層所管理的目標數據庫，該數據庫包含有物理層個域網絡的基本信息。

ZigBee物理層的結構及接口如圖4-16所示。從圖4-16可以看出，在物理層中，存在數據服務接入點和物理層實體服務接入點，通過這兩個服務接入點提供如下兩種服務，它們是：①通過物理層數據服務接入點(PD-SAP)為物理層數據提供服務；②通過物理層管理實體(PLME)服務的接入點(PLME-SAP)為物理層管理提供服務。圖4-16物理層結構及接口模型

1．物理層數據服務物理層數據服務接入點支持在對等連接MAC層的實體之間傳輸MAC層協議數據單元(MPDU)。物理層數據服務接入點所支持的原語有請求原語、確認原語和指示原語，見表4-4。表4-4物理層數據服務接入點所支持的原語原語功

能

描

述PD-DATA.requestMAC層用該原語請求向本地的物理層實體發送一個MAC層協議數據單元(MPDU)，即物理層服務數據單元PSDUPD-DATA.confirm物理層用該原語向MAC層報告向對等的MAC層發送MAC層協議及數據單元(即PSDU)的結果狀態，為物理層對PD-DATA.request原語的響應PD-DATA.indication物理層利用PD-DATA.indication原語向本地MAC層實體傳送一個MPDU(即PSDU)，即當物理層接收到來自遠方發送來的數據后，通過該原語將接收到的數據包發送到MAC層

2．物理層管理服務在ZigBee技術中，用物理層管理實體——服務接入點(PLME-SAP)在MAC層管理實體(MLME)和物理層管理實體(PLME)之間傳送管理命令原語，具體見表4-5。表4-5物理層管理服務接入點所支持的原語原語功

能

描

述PLME-CCA.requestMAC層用PLME-CCA.request原語請求物理層管理實體執行清除信道評估(CCA)PLME-CCA.confirm物理層用PLME-CCA.confirm原語向MAC層報告清除信道估計請求原語的執行結果PLME-ED.request該原語用來請求物理層管理實體執行能量檢測PLME-ED.confirm物理層用PLME-ED.confirm原語向MAC層報告能量檢測的結果PLME-GET.requestMAC層用PLME-GET.request原語請求獲得有關物理層個域網絡信息庫(PIB)屬性的信息PLME-GET.confirm物理層用PLME-GET.?confirm原語向MAC層報告請求物理層PIB屬性信息的結果PLME-SET-TRX-STATE.requestMAC用PLME-SET-TRX-STATE.request原語向物理層實體請求轉變收發機內部的工作狀態PLME-SET-TRX-STATE.confirm物理層用PLME-SET-TRX-STATE.confirm原語向MAC層返回執行設置收發機工作狀態請求原語的結果PLME-SET.requestMAC層用PLME-SET.request原語來將所指定的物理層的PIB屬性設置為所給定的值PLME-SET.confirm物理層用PLME-SET.confirm原語向MAC層報告設置PIB屬性的執行結果

3．物理層枚舉型數據的描述在4.2節物理層協議的介紹中，其協議原語中的狀態通常為枚舉型，表4-6列出了在物理層協議規范中所定義的枚舉型數據值以及相應的功能。表4-6物理層枚舉型數據的描述枚舉型數據值功能描述BUSY0x00CCA檢測到一個忙的信道BUSY_RX0x01收發機正處于接收狀態時，要求改變其狀態BUSY_TX0x02收發機正處于發送狀態時，要求改變其狀態FORCE_TRX_OFF0x03強制將收發機關閉IDLE0x04CCA檢測到一個空閑信道INVALID_PARAMETER0x05SET/GET原語的參數超出了有效范圍RX_ON0x06收發機正處于或將設置為接收狀態SUCCESS0x07原語成功執行TRX_OFF0x08收發機正處于或將設置為關閉狀態TX_ON0x09收發機正處于或將設置為發射狀態UNSUPPORTED_ATTRIBUTE0x0A不支持SET/GET原語屬性標識符4.3.5物理層協議數據單元的結構這一節主要介紹ZigBee物理層協議數據單元(PPDU)數據包的格式。在PPDU數據包結構中，最左邊的字段優先發送和接收。在多個字節的字段中，優先發送或接收最低有效字節，而在每一個字節中優先發送最低有效位(LSB)。同樣，在物理層與MAC層之間數據字段的傳送也遵循這一規則。每個PPDU數據包都由以下幾個基本部分組成：●同步包頭SHR：允許接收設備鎖定在比特流上，并且與該比特流保持同步。●物理層包頭PHR：包含幀長度的信息。●物理層凈荷：長度變化的凈荷，攜帶MAC層的幀信息。

PPDU數據包的格式如圖4-17所示。圖4-17PPDU數據包的格式

1．前同步碼收發機根據前同步碼引入的消息，可獲得碼同步和符號同步的信息。在802.15.4標準協議中，前同步碼由32個二進制數組成。

2．幀定界符幀定界符由一個字節組成，用來說明前同步碼的結束和數據包數據的開始。幀定界符的格式如圖4-18所示，為一個給定的十六進制值0xE7。圖4-18幀定界符的格式

3．幀長度幀長度占7個比特，它的值是PSDU中包含的字節數(即凈荷數)，該值在0～aMax-PHYPacketSize之間。表4-7給出了不同幀長度值所對應的凈荷類型。表4-7幀長度值幀長度值凈荷類型幀長度值凈荷類型0～4預留5MPDU(確認)6～7預留8～aMaxPHYPacketSizeMPDU

4．物理層服務數據單元PSDU物理層服務數據單元的長度是可以變化的，并且該字段能夠攜帶物理層數據包的數據。如果數據包的長度類型為5個字節或大于8個字節，那么，物理層服務數據單元攜帶MAC層的幀信息(即MAC層協議數據單元)。4.3.6物理層的常量和PIB屬性這一節將詳細介紹物理層所必需的常量和屬性。

1．物理層的常量表4-8介紹了定義物理層特性的常量，這些常量由硬件決定，因此，在操作過程中不能對其進行修改。表4-8物理層的常量常量描述值aMaxPHYPacketSize物理層能夠接收PSDU數據包的最大容量(以字節為單位)127aTurnaroundTime從RX到TX狀態，或從TX到RX狀態轉變的最大時間12個符號周期

2．物理層的PIB屬性物理層PIB由設備的物理層管理所必需的屬性構成，每個屬性的讀和寫分別由PLME-GET.request原語和PLME-SET.request原語來完成。表4-9詳細介紹了物理PIB包含的屬性。表4-9物理PIB屬性屬性標識符類型范圍描述phyCurrentChannel0x00整型0～26用于發送和接收無線射頻信道phyChannelsSupported0x01位見描述phyChannelsSupported屬性的5個最高有效位(b27，…，b31)將保留為0；27個最低有效值(b0，b1，…，b26)將指示27個有效信道的狀態(1表示信道空閑，0表示信道忙)(bk表示信道k的狀態)phyTransmitPower0x02位0x00～0xBF2個最高有效位表示發射功率的誤差：00=±1dB、01=±3dB、10=±6dB6個最低有效位以兩個補碼的格式表示有符號的整型數，與相對于1mW的分貝數表示的設備名義發射功率相一致，phyTransmitPower的最小值被認為小于或等于?-32?dBmphyCCAMode0x03整型1～3CCA的模式4.3.72.4?GHz頻帶的物理層規范本節主要介紹2.4?GHz物理層規范，包括傳輸速率、擴展調制方式等。

1．數據傳輸速率在IEEE802.15.4標準協議中，規定了2.4GHz物理層的數據傳輸速率為250?kb/s。

2．擴展調制在2.4?GHz物理層，ZigBee技術采用16相位準正交調制技術。在調制前，將數據信號進行轉換處理，將信息按每4位信息比特進行處理，每4位信息比特組成一個符號數據，根據該符號數據，從16個幾乎正交的偽隨機序列(PN序列)中，選取其中一個序列作為傳送序列。根據所發送連續的數據信息，將所選出的PN序列串接起來，并使用O-QPSK的調制方法，將這些集合在一起的序列調制到載波上。圖4-19中的各功能塊為2.4?GHz物理層擴展調制功能的參考模塊，每個模塊中所涉及數據的功能介紹如下。圖4-19擴展調制功能

1)比特-符號轉換器從圖4-19可以看出，在對物理層協議數據單元進行調制前，必須對其所有的二進制數據進行轉換處理。首先，必須將二進制數據轉換成符號數據，其轉換過程如下所述：將每個字節按4比特位進行分解，將低4位(b0，b1，b2，b3)轉換成一個符號數據，將高4位(b4，b5，b6，b7)轉換成一個符號數據。物理層協議數據單元的每個字節都要逐個進行處理，即從它的前同步碼字段開始到它的最后一個字節。在每個字節處理過程中，優先處理低4位(b0，b1，b2，b3)，隨后處理高4位((b4，b5，b6，b7)。

2)符號-碼片的映射根據處理得到的符號數據，將其進行擴展，即每個符號數據映射成一個五位的偽隨機序列(PN序列)，如表4-10所示，這些PN序列通過循環移位或者相互結合(如奇數位取反)等相互關聯。表4-10符號-碼片的映射符號數據(十進制)符號數據(二進制)(b0，b1，b2，b3)PN序列(c0c1…c30c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

3)?O-QPSK調制擴展后的碼元序列通過采用半正弦脈沖形式的O-QPSK調制方法，將符號數據信號調制到載波信號上。其中，編碼為偶數的碼元調制到I相位的載波上，編碼為奇數的碼元，調制到Q相位的載波上。每個符號數據由32碼元的序列來表示，所以，碼元速率(一般為2.0Mchip/s)是符號速率的32倍。為了使I相位和Q相位的碼元調制存在偏移，Q相位的碼元相對于I相位的碼元要延遲8?s發送，Tc是碼元速率的倒數，如圖4-20所示。圖4-20O-QPSK碼元相位偏移

4)調制脈沖形狀每個基帶碼元用半正弦脈沖形式來表示，其表達式如下：0≤t≤Tc其他圖4-21畫出了半正弦脈沖形式的基帶碼元序列的樣圖。調制后的信號，在每個符號周期內，最低有效碼片c0優先發送，最高有效碼片c31最后發送。圖4-21半正弦脈沖形式的基帶碼元序列4.3.82.4?GHz頻帶的無線通信規范在2.4?GHz頻帶上工作的設備，除了需要滿足上述物理層的協議要求外，還要滿足如下所述的無線通信方面的需求。

1．發射功譜密度(PSD)發射的譜信號各參量應低于表4-11所列出的限度值。無論是相對限度，還是絕對限度，平均的功率譜以100?kHz帶寬的分辨率來測量。對于相對限度，它的參考電平是最高的平均頻譜功率，它是在載波信號的上1?MHz帶寬內測得。表4-11發射功率譜密度的限度頻率相對限度絕對限度|f-fc|>3.5MHz-20?dB

-30dB

2．符號速率由上面小節的數據信號調制方式我們可知，2.4?GHz物理層的符號速率為62.5?ksymbol/s，數據信息的傳輸速率為250kb/s，并且要求其傳送速率精度為?±40?dBm。

3．接收機靈敏度對于ZigBee技術設備，要求任何一個合適的設備都能夠達到?－85?dBm或更高的靈敏度，如Freescale公司的MC13192的接收靈敏度為?－92dBm。

4．接收機抗干擾性表4-12給出了接收機最小的抗干擾水平。其中，鄰近信道是指在有用信道任何一邊，并距離該信道頻率最近的信道；交替信道是指比鄰近信道還遠的信道。例如，信道13是有用信道，那么信道12和信道14就是鄰近信道，信道11和信道15就是交替信道。表4-122.4?GHz物理層要求的接收機最小的抗干擾水平鄰近信道抗干擾電平交替信道抗干擾電平0?dB30dB4.4ZigBee的MAC層協議規范

MAC層處理所有物理層無線信道的接入，其主要的功能包括：●網絡協調器產生網絡信標。●與信標同步。●支持個域網(PAN)鏈路的建立和斷開。●為設備的安全性提供支持。●信道接入方式采用免沖突載波檢測多址接入(CSMA-CA)機制。●處理和維護保護時隙(GTS)機制。●在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路。4.4.1MAC層的服務規范

MAC層在服務協議匯聚層(SSCS)和物理層之間提供了一個接口。從概念上說，MAC層包括一個管理實體，通常稱為MAC層管理實體(MLME)，該實體提供一個服務接口，通過此接口可調用MAC層管理功能。同時，該管理實體還負責維護MAC層固有管理對象的數據庫。該數據庫包含了MAC層的個域網信息數據庫(PIB)信息。圖4-22描述了MAC層的結構和接口。圖4-22MAC層的結構和接口從圖中可以看出，在MAC層中，MAC層通過它的兩個不同的服務接入點為它提供兩種不同的MAC層服務，即MAC層通過它的公共部分子層服務接入點為它提供數據服務；通過它的管理實體服務接入點為它提供管理服務。這兩種服務為服務協議匯聚層和物理層之間提供了一個接口，這個接口通過物理層中的數據服務接入點(PD-SAP)和管理實體服務接入點(PLME-SAP)來實現的。除了這些外部接口之外，在MAC層管理實體和公共服務子層之間還存在一個隱含的接口，MAC層管理實體通過此接口使用MAC的數據服務，下面將較為詳細地介紹MAC層中各個服務單元的功能和結構形式。

1．MAC層的數據服務

MAC層公共子層-服務接入點(MCPS-SAP)支持在對等的服務協議匯聚層(SSCS)實體之間傳輸服務協議匯聚層的協議數據單元(SPD)。所有的設備都要為MCPS-SAP的原語提供一個接口，原語及其功能描述見表4-13。表4-13MCPS-SAP的原語原語功

能

描

述MCPS-DAIA.request為MAC層公共子層數據傳送請求原語，用來請求從本地MAC層公共子層實體向對等連接設備的MAC層公共子層實體發送一個SSCS協議數據單元(即MAC層服務數據單元MSDU)MCPS-DATA.confirm用來報告從本地服務協議匯聚層實體向對等連接的遠端服務協議匯聚層實體發送服務協議數據單元(SPDU)的傳輸結果，即該原語為MAC層對MCPS-DATA.request原語執行狀態結果的報告MCPS-DATA.indication用來表明MAC層成功地接收到遠方發送來的SPDU底數據(即MSDU)MCPS-PURGE.request用來允許設備MAC層的上層從MAC層的事務處理排列中清除一個MAC層服務數據單元MCPS-PURGE.confirmMAC層用MCPS-PURGE.confirm原語向其上層報告請求從事務處理隊列中清除MAC層服務數據單元的結果圖4-23給出了在兩個連接設備之間成功交換一組數據，兩個設備必須進行的數據服務消息順序，通過該圖可以清楚地看到MAC層服務數據單元傳輸的過程。圖4-23描述MAC層數據服務的信息流程圖

2．MAC層的管理服務

MAC層管理實體的服務接入點(MLME-SAP)允許上層與MAC層管理實體(MLME)之間傳輸管理指令。

MLME-SAP接口原語由前綴“MLME”表示，其功能分別為設備通信鏈路的連接與斷開管理、信標管理、個域網信息庫管理、孤點管理、復位管理、接收管理、信道掃描管理、通信狀態管理，以及設備的狀態設置、啟動、網絡同步、輪詢管理等。

3．連接原語

MAC層管理實體服務接入點(MLME-SAP)的連接原語(AssociationPrimitives)用來定義一個ZigBee設備如何與個域網建立連接，成為網絡設備。所有的ZigBee設備都為請求和確認連接原語提供一個接口。對于簡化功能的設備來說，指示(Indication)和響應(Respons)連接原語是可選項。連接原語見表4-14。表4-14連接原語原語功能描述MLME-ASSOCIATE.request當一個設備請求與協調器建立連接時，就向MAC層管理實體服務接入點發出MLME-ASSOCIATE.request原語。MLME-ASSOCIATE.indication用來指示網