《无线传感器网络》WSN 第6讲 IEEE802.15.4通信标准 知识点总结+习题讲解

《无线传感器网络》第6讲 IEEE 802.15.4 标准

一、无线传感器网络（WSN）概述

1. 技术标准的意义

• 低成本、可大量部署
• 扩大市场、降低产品成本
• 实现无线传感器标准化与规模效益

2. 主要无线标准分类

消费领域：

• ZigBe、Wi-Fi、LoRa、Bluetooth
• UWB Alliance、WAVE、THREAD

工业领域（过程测量与控制）：

• WirelessHART（IEC 62591，2007年发布）
• ISA100.11a（IEC 62734，2014年发布）
• WIA-PA（IEC 62601，中国提出，2011年认可）
• WIA-FA（IEC 62948，面向工厂自动化，2014年认可）

3. CSA连接标准联盟（原Zigbee联盟）

• 定义网络层、应用层、安全服务提供层
• ZigBee 3.0覆盖：家庭自动化、照明、能源管理、智能家电、安全装置、传感器、医疗保健监控
• 成员包括：亚马逊、苹果、谷歌、华为、宜家、英飞凌、西门子、TI等

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二、IEEE 802.15.4 标准概述

1. 标准定位与发展

• 1998年IEEE 802.15工作组成立
• TG4：LR-WPAN（低速率无线个域网）
• 目标：低功耗、低成本、短距离、简单灵活
• 后续扩展版本（如4a、4b、4e、4g等）针对不同应用场景（UWB、中国频段、工业应用、智能电网等）

2. 协议栈结构

3. 网络组成与设备角色

• 全功能设备（FFD） ：可与任何设备通信，可作为协调器、路由器
• 精简功能设备（RFD） ：只能与FFD通信，通常为终端设备
• 设备角色 ：
  • PAN协调器（唯一，创建网络，分配PANID）
  • 路由器（转发数据，辅助协调器）
  • 终端设备 （仅收发数据，不转发）
    

4. 拓扑结构

• 星型拓扑 ：所有设备与协调器通信，适合家庭自动化、PC外围设备
• 点对点拓扑 （Peer-to-Peer）：支持多跳，适合工业监测与控制
  • 包括簇树（Cluster Tree） 和 网状（Mesh） 结构
    

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三、物理层（PHY）规范

1. 频段与数据速率

PHY(MHz)	频段（MHz）	调制方式	比特率（kbps）	符号类型
868/915	868--868.6	BPSK	20	二进制
868/915	902--928	BPSK	40	二进制
2450	2400--2483.5	O-QPSK	250	十六进制

• 信道计算公式 ：
  • k=0：fc=868.3 MHz
  • k=1~10：fc=906+2(k-1) MHz
  • k=11~26：fc=2405+5(k-11) MHz

2. 物理层帧结构

字段	长度	说明
前导码	4字节	同步
SFD	1字节	帧起始分隔符
帧长度	1字节	7位长度 + 1位保留
PSDU	可变长度	物理层服务数据单元

3. 物理层功能

• 激活/关闭收发机
• 能量检测（ED）
• 空闲信道评估（CCA）
• 信道选择
• 数据包收发
• 链路质量指示（LQI）

4. 物理层服务原语

• 数据服务：PD-DATA.request / .confirm / .indication
• 管理服务 ：
  • PLME-SET-TRX-STATE（激活/关闭）
  • PLME-CCA（空闲信道评估）
  • PLME-ED（能量检测）

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四、MAC层规范

1. MAC工作模式

模式	信标帧	信道访问机制	适用场景
信标使能模式	周期广播	Slotted CSMA-CA	需要同步与调度
无信标使能模式	按需单播	Unslotted CSMA-CA	简单异步通信

2. 超帧结构（信标使能模式）

信标 → 竞争访问期（CAP）→ 无竞争期（CFP）→ 非活跃期
        （CSMA-CA）      （GTS保障时隙）

3. 数据传输模型

• 设备 → 协调器
• 协调器 → 设备
• 设备 ↔ 设备（点对点）

4. MAC帧类型

• 信标帧：网络同步、超帧描述、GTS分配
• 数据帧：传输上层数据
• 确认帧：无需竞争信道，序列号匹配
• 命令帧：网络管理（关联、断开、GTS请求等）

5. MAC帧通用结构

字段	长度（字节）	说明
帧控制域	2	帧类型、地址模式等
序列号	1
地址域（目的/源）	可变	PANID + 设备地址
附加安全头部	0/5/6/10/14	可选
负载	可变
FCS	2	校验

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五、关键机制与流程

1. PAN建立与维护

• 设备启动 → 扫描信道 → 选择网络/创建网络
• 扫描类型 ：
  • ED扫描（能量检测）
  • 主动/被动扫描（查找协调器）
  • 孤立扫描（失步后重连）

2. 关联与取消关联

• 设备通过Association Request加入网络
• 协调器回复Association Response
• 取消关联通过Disassociation Notification

3. 时间同步（信标使能网络）

• 设备侦听信标帧实现同步
• 若超时未收到信标，触发MLME-SYNC-LOSS

4. GTS（保障时隙）管理

• 设备通过GTS Request申请专用时隙
• 协调器通过信标帧广播GTS分配信息
• 支持动态分配与释放

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习题

1. (单选题) 构成IEEE802.15.4标准网络中，负责创建个域网，决定网络标识的设备是？（C）
   A. 全功能节点
   B. 精简功能节点
   C. PAN网络协调器
   D. 路由器

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2. (单选题) 以下描述中，属于IEEE802.15.4物理层的功能描述的是（A）
   A. 激活或者关闭收发机
   B. 采用CSMA/CA机制访问信道
   C. 负责个域网的关联与取消关联
   D. 实现数据的间接传输

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3. (单选题) 为了最低复杂度实现在多噪声无线信道下的可靠传输IEEE802.15.4定义了四种类型的帧，以下不属于MAc帧的是（D）
   A. 数据帧
   B. 命令帧
   C. 应答帧
   D. 关联帧

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4. (单选题) IEEE802.15.4的物理层，在2.4G频段上定义了（B）个信道？
   A. 15
   B. 16
   C. 25
   D. 26

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5. (多选题) 以下标准中，底层部分基于IEEE802.15.4 标准的有?（ABCD）
   A. ZigBee
   B. Wireless HART
   C. ISA 100.11a
   D. WIA-PA