《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
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
- 包括簇树（Cluster Tree） 和 网状（Mesh） 结构
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）
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 |
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
习题
- (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
- (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
- (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
- (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
- (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