ZigBee学习笔记——（二）IEEE 802.15.4无线传感器网络通信标准

一、IEEE 802.15.4标准概述

IEEE 802.15.4 通信协议是短距离无线通信的 IEEE 标准，强调的是省电、简单、成本又低的规格。

该协议支持两种网络拓扑：

• 单跳星型拓扑
• 多跳对等拓扑（当通信距离超过 10 m时）

一个 802.15.4 网可以容纳最多216个器件。

可使用的频段和信道：

我们使用2.4GHz的频带，数据传输率为250kb/s，信道数为16.

二、网络组成和拓扑结构

1、网络组成

在 IEEE 802.15.4 中，根据设备所具有的通信能力，可分为：

• 全功能设备（Full-Function Device，FFD）
• 精简功能设备（Reduce-Function Device，RFD）

① 与RFD相比，FFD在硬件功能上比较完备，如FFD采用主电源保证充足的能耗，而RFD采用电磁供电。

②在通信功能上，FFD设备与FFD设备之间，以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信，而RFD设备之间不能通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。

协调器是FFD设备
节点是RFD设备

2、拓扑结构

根据应用的需要可以组织成两种拓扑结构：

• 星状网络拓扑结构
• 点对点网络拓扑结构

①星状网络

在星状结构中，整个网络的形成以及数据的传输由中心的网络协调器集中控制（星状网络以网络协调器为中心），所有设备都只能与网络协调器通信。

星状网络组网过程：

• ①建立网络协调器
  任何一个 FFD设备都有成为网络协调器的可能，一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决定。

一个FFD设备在第一次被激活后，首先广播查询网络协调器的请求。
如果接收到回应，说明网络中已经存在协调器，再通过一系列认证过程，这个设备就成为这个网络的一个普通设备。
如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个FFD设备就能自己建立网络，并成为这个网络的协调器。

网络协调器为这个网络选择一个唯一的标识符，即 PAN ID

• ②确定从属关系
  协调器确定标识符之后，所有该星状网络中的设备都用这个标识符来规定自己的从属关系。

• ③设备加入网络
  选择一个标识符后，协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。

星状网络中的两个设备要想通信都要先把数据包发送给协调器，由协调器转发给对方。

不同星状网络之间的设备要想通信，可以通过设置专门的网关完成相互通信。

②点对点网络

点对点网络中，任意两个设备只要能够接收到彼此的无线信号，就可以进行通信，不需要其他设备的转发。

但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过该协调器的功能不再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。

点对点网络组网过程（以簇树网络为例）：

在簇树网络中，绝大多数设备是 FFD设备，而 RFD设备总是作为簇树的叶设备加入到网络中。
任意一个 RFD设备都可以充当 RFD协调器或网络协调器，为其他设备提供同步信息。在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网络的协调器。

• ①确定协调器——设为簇头
  网络协调器首先将自己设为 簇头（Cluster Header， CLH），并将 簇标识符（Cluster Identifier， CID） 设置为 0 ，同时为该簇选择一个未被使用的 PAN标识符，形成网络中第一个簇。

• ②申请加入，成为簇成员
  协调器开始广播信标帧。邻近设备收到信标帧后，就可申请加入该簇。

能否加入成功，由协调器决定。
如果请求被允许，则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居列表中。

以上两步只是一个由单簇构成的最简单簇树。

• ③多簇由协调器指定，确立新簇头
  协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头，以此形成更多的簇。
  新簇头也可以选择其他设备成为簇头，进一步扩大网络的覆盖范围。

过多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信开销。
为了减少延迟和通信开销，簇头可以选择最远的通信设备作为相邻簇的簇头，可以最大限度地缩小不同簇间消息传递的跳数，减少延迟和开销。

三、IEEE 802.15.4 协议特点