ZigBee基本概念整理

 

1.LRWPAN--低速无线个人区域网

2.802.15.4工作组 为了满足低功耗、低成本的无线网络要求，IEEE标准委员会在2000年12月份正式批准并成立了802.15.4工作组，任务就是开发一个低数据率的WPAN(LR-WPAN)标准。它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备(固定、便携或可移动的)之间进行低数据率的传输。

3.CSMA/CD：带有冲突检测的载波侦听多路访问，发送包的同时可以检测到信道上有无冲突；

CSMA/CA：带有冲突避免的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量‘避免’；（1.者的传输介质不同,CSMA/CD用于总线以太,而CSMA/CA则用于无线局域网802.11b；

2.测方式不同,CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式；

3.WLAN中，对某个节点来说，其刚刚发出的信号强度要远高于来自其他节点的信号强度，也就是说它自己的信号会把其他的信号给覆盖掉；

4.本节点处有冲突并不意味着在接收节点处就有冲突；

 

综上，在WLAN中实现CSMA/CD是比较困难的。）

4.要检测冲突，设备必须能够一边接受数据信号一边传送数据信号，而这在无线系统中是无法办到的。

　　鉴于这个差异，在802.11中对CSMA/CD进行了一些调整，采用了新的协议CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)或者DCF(Distributed Coordination Function)。 CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的ACK信号后才确认送出的数据已经正确到达目的。

5.Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance

6.CSMA/CA的带宽利用率没有CSMA/CD高

7.ZigBee的傳輸模式有兩種，一種是Slotted另一種是unslotted

Slotted是指coordinator會訂時發出beacon來做同步化的動作，適合用來傳輸定時性的資料和需要低延遲的資料

Unslotted則是指裝置要傳輸資料的話都靠csma/ca來搶頻寬傳輸資料，適合用來傳不定時的資料

同步模式(有信標之網路)：裝置須先取得信標與協調者同步，並以時槽式(slotted CSMA/CA)方式傳送資料。

非同步模式(無信標之網路)：裝置利用非時槽(unslotted CSMA/CA)方式傳送資料。

8. 网络拓扑结构 IEEE 802.15.4协议的网络拓扑结构有三种类型:星形结构、网格状结构和族状结构.如图1所示。其中网格状结构和族状结构属于点对点的结构。

 

 

星状结构

星型网络结构特点

支持点对点、点对多点通信

中心节点为ZIGBEE协调器，终端节点为ZIGBEE终端设备

所有数据经过中心节点

适合圆形分散、距离较近的设备联网

 

 

 

 

MESH网状网络结构特点

系统采用多跳式路由通信

网络容量很大

可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构

星形网络中所有节点都与中心协调器通信，节点间不能直接通信，中心节点的能量消耗大。适合于网络节点较少、网络结构简单、小范围的网络应用。而点对点网络中只要通信双方都在其辐射范围之内，任何两个设备之间都可以通信。点对点网络中的协调器主要负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。点对点网络支持Ad Hoc网络，且可以构造更复杂的网络结构。

 

9. 在MAC层当中还规定了两种信道接入模式，一种是信标(beacon)模式，另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种“超帧”的格式，在超帧的开始发送信标帧，里面含有一些时序以及网络的信息，紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各节点以竞争方式接入信道，再后面是非竞争接入时期，节点采用时分复用的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态，等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。显然，在信标模式当中由于有了周期性的信标，整个网络的所有节点都能进行同步，但这种同步网络的规模不会很大。实际上，在ZigBee当中用得更多的可能是非信标模式。

10.upper layers上层模块  routing 路由

11. LLC：逻辑链路控制（IEEE 802.2）

　（LLC：Logic Link Control － IEEE 802.2）

　 逻辑链路控制 LLC 是一种 IEEE 802.2 LAN 协议，规定了数据链路层中 LLC 子层的实现。IEEE 802.2 LLC 应用于 IEEE 802.3 以太网 和 IEEE 802.5 令牌环 LANs，以实现如下功能：

　管理数据链路通信

　链接寻址

　定义服务接入点 Service Access Points（SAPs）

　排序

在 LLC 方面 IEEE 802只制定了一種標準，各種不同的 MAC 都使用相同的LLC 。這使得更高層的通訊協定不必依賴區域網路的實際架構。LLC 的主要工作是控制訊號的交換，控制資料的流量 (data flow control) ，解釋上層通訊協定傳來的命令並且產生回應，以及克服資料在傳送的過程當中所可能發生的種種問題，如資料發生錯誤，重覆收到相同的資料，接收資料的順序與傳送的順序不符等等。

12. IEEE802 系列标准将数据链路层分成逻辑链路控制和媒介接入控制两个子层。其中,LLC 子层在IEEE802. 6 中定义,为IEEE 802 标准系列共用,而MAC 子层协议依赖于各自的物理层。通过SSCS 业务相关会聚子层协议承载IEEE802.2类型的LLC 标准,且允许其他LLC 标准直接使用IEEE802.15.4 M A C 层的服务。

13. PAN_Coord 中心节点

14. Superframe的結構由Beacon訊框中包含的資訊來決定，Beacon Order(BO)決定Beacon發送的間隔，而Superframe Order(SO)則決定活動區間的長短，SO及BO的值皆為[0,14]間之整數，且SO≦BO。

15. 對於網路層和應用層這些屬於上層通訊協定的部分，有另一組織ZigBee正在制定中，在802.2 Type1 LLC Sublayer，可透過服務標示收斂子層(Service Specific Convergence Sublayer；SSCS)存取MAC的資訊。LR-WPAN除了可在內嵌式系統實行外，也可在外接式裝置(如個人電腦)上實行。
802.15.4是應用CSMA/CA方式競爭溝通，其中可以分為有信標網路(Beacon-Enabled Network)與無信標網路(Non Beacon-Enabled Network)。
無信標網路的協調者恆處在聽的狀態，在裝置要回傳資訊時會先彼此競爭，等通知協調者後，再傳送資料給協調者。
而有信標網路中，含有超級訊框(Superframe)的架構，其固定將包含信標及超級訊框分為16個時槽(Slots)，超級訊框持續時間(Superframe Duration)與信標間距(Beacon Interval)依照協調者使用信標級數(Beacon Order；BO)及超級訊框級數(SuperframeOrder；SO)來控制，彼此關係是0≦SO≦BO≦14，如此可限制超級訊框「持續時間≦信標間距」。協調者發送信標，除了用作同步化外，也包含網路相關資訊等；超級訊框以有無使用保證時槽(Guaranteed Time Slots)來區別。有保證時槽的超級訊框可分成兩部分，一是競爭存取週期(Contention Access Period；CAP)，另一是無競爭週期(Contention Free Period；CFP)；而無保證時槽的超級訊框則全都是CAP。

Cluster-Tree＋AODVjr路由算法汇聚了Cluster-Tree和AODVjr的优点。网络中的每个节点被分成四种类型：Coordinator、RN+、RN－、RFD（RN：Routing Node，路由节点；RFD：Reduced Function Device）。其中Coordinator的路由算法跟RN+相同，Coordinator、RN+和RN－都是全功能节点（FFD: Full Function Device），能给其他节点充当路由节点；RFD只能充当Cluster-Tree的叶子（Leaf Node）。如果待发送数据的目标节点是自己的邻居，直接通信即可；反之，如果不是自己的邻居时，三种类型的节点处理数据包各不相同：RN+可以启动AODVjr，主动查找到目标节点的最佳路由，且它可以扮演路由代理（Routing Agent）的角色，帮助其他节点查找路由；RN-只能使用Cluster-Tree算法，它可以通过计算，判断该交给数据包请自己的父节点还是某个子节点转发；而RFD只能把数据交给父节点，请其转发。
图2为Cluster-Tree＋AODVjr算法时网络层数据传输示意图。节点E发送数据包给节点D，数字代表各种包发送的时间先后次序。从图中可以看出，节点E的类型是RFD，它只能将数据DATA传送给其父节点C。C的类型是RN+，所以它先把数据放入缓存后，再通过组播AODVjr路由请求包RREQ查找到节点D的路由，节点D再通过单播沿最短的路径D-B-C给节点C回复AODVjr路由应答包RREP。节点C找到路由后，把缓存数据沿C-B-D发送给节点D，节点D再沿D-B-C-E发送确认包ACK给节点E，节点E收到确认包后，整个通信过程结束。

图2 网络层数据传输示意图

表1 Cluster-Tree和AODVjr的优缺点比较

典型的ZigBee网络示意图