无线传感网学习笔记（4）—— IEEE 802.11 和 Zigbee

一、IEEE 802.11标准

1、 IEEE 802.11为1999年IEEE公布的第一版802.11无线局域网标准，详细说明了OSI模型的物理层和数据链路层在无线接口的应用。该标准也称为Wi-Fi（Wireless Fidelity，即无线高保真技术），并且由Wi-Fi联盟认证，确保了遵循IEEE 802.11标准的硬件设备之间的兼容性。
（IEEE：Institute of Electrical and Electronics Engineers，即电气和电子工程师协会，世界上最大的非营利性专业技术学会，制定了许多相关行业的行业标准）

2、 IEEE 802.11具有两种操作模式：
 ① 分布式协调功能模式（DCF：Distributed Coordination Function mode）
 ② 点协调功能模式（PCF：Point Coordination Function mode）

二、IEEE 802.11 DCF模式（必须支持的模式）

1、 设备间的通信是直接的点对点模式（Ad hoc mode），实现网状拓扑组网。

2、 该模式基于1-持续型CSMA/CA协议，利用网络分配矢量（NAV：Network Allocation Vector），实现虚拟载波侦听，同时也利用RTS-CTS协商机制，缓解隐藏终端和暴露终端的问题。

 由图可知，A和D互为隐藏终端，当利用RTS-CTS协商机制，节点A会先发送RTS数据包给节点B，节点B再反馈CTS数据包给节点A，由于无线通信具备的广播特性，RTS、CTS将分别告知节点C和节点D，A和B之间的通信预计占用信道的时间为多长，这也就避免了节点D也向节点B发送数据的情况，即缓解了隐藏终端的问题。

三、IEEE 802.11 PCF模式（可选模式）

1、 设备间的通信要通过接入点或基站的中央设备，实现星形拓扑组网。（要求节点间的时间同步）

2、 由接入点AP协调信道的访问，以确保进行无碰撞的通信。（AP：Access Point）

3、 AP定期向客户端广播信标帧Beacon（标记作用）
 ① AP可以告诉客户端进入睡眠状态以节省能量
 ② AP可以轮询客户端，查询节点是否有数据要发送

4、 无竞争时期内，AP发送数据包给客户端，期间AP等待一个PIFS帧间距时间。

5、 PCF模式优先级高于DCF模式，因为PIFS时长比DIFS小，使得AP等待的时长会比DCF中的节点短，具有更高的概率占用信道。

四、Zigbee标准

  Zigbee是一种由Zigbee联盟与IEEE联合制定的无线通信标准（通信模式），主要用于低速、低功耗、近距离无线通信应用场景，即LR-WPANs（Low-Rate Wireless Personal Area Networks）。
  该标准下的MAC层和物理层基于IEEE 802.15.4协议，网络层支持点对点模式（Ad hoc拓扑）和星形拓扑模式，而应用层则根据不同的应用场景而定，如WSN、IOT等。

五、IEEE 802.15.4协议

 IEEE 802.15.4协议定义了用于LR-WPANs场景的一系列物理层和MAC层的特征，它是基于CSMA/CA（基于冲突避免的CSMA）开发而成的，通信频段一般为ISM下的868MHZ、915MHZ、2.45GHZ。

1、物理层的主要功能：控制射频的手法、信道能量的检测、链路质量指标（RSSI）、信道选择（执行MAC层信道分配）等，并且支持多种调制方式。

2、MAC层的主要功能：控制物理层射频接入、产生MAC层协议所需要的协议报文及MAC帧、控制时隙、控制MAC层协议的逻辑流程等。（MAC协议的总体逻辑流程与CSMA/CA基本一致，但是协议报文及部分细节更加详细，还增加了与组网服务相关的协调帧，如信标帧）

3、 MAC层的帧类型：
 ① 数据帧 Data Frame
 ② 信标帧 Beacon Frame
 ③ 回复帧 Acknowledgement Frame
 ④ MAC命令帧 MAC Command Frame

 帧结构示意图如下：

六、Zigbee组网机制

1、星形拓扑：可用于单跳的小型网络结构，具有低延时和易于同步的优势，但网络规模通常较小，通常应用于家庭自动化控制、电脑周边设备互连等场景。

2、点对点拓扑：可用于复杂的多跳网络，也可以进一步形成更复杂的组网结构，优势在于网络覆盖范围广，网络结构灵活，但路由部署代价高，通常应用于工业控制监测、WSN、智慧农业等场景。

3、全功能设备（FFD）：可以出现在以上两种拓扑网络结构中，也可以成为PAN协调器，还可以与其他的FFD设备或RFD设备进行通信。

4、精简功能设备（RFD）：仅能出现在星形拓扑网络结构中，不能成为PAN协调器，仅能与FFD设备进行通信。

5、PAN协调器：主要用于本地网络的初始化、网络解散、网内路由等网络层功能。（PAN：个人局域网络）


注意：无论何种拓扑网络结构，所有设备都必须拥有唯一的64bit的地址。