吳清秀

摘 要：ZigBee是一種標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4定義的物理（PHY）層和媒體訪問控制（MAC）層基礎(chǔ)之上制定的一種低速無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)規(guī)范，規(guī)定了PHY協(xié)議的功能及如何與MAC層交互。討論P(yáng)HY服務(wù)機(jī)制及PHY服務(wù)的實(shí)現(xiàn)原理。

關(guān)鍵詞：ZigBee；PHY服務(wù)；原語；MAC層

中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）06-00-02

0 引 言

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層基于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）基本參考模型。ISO/OSI模型有7層，但ZigBee僅保留了對于組建低功耗、低數(shù)據(jù)率的無線網(wǎng)絡(luò)所需的功能層。物理層和媒體接入控制協(xié)議是在IEEE 802.15.4中描述的低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)，在其定義的物理（PHY）層和媒體訪問控制（MAC）層基礎(chǔ)上制定的一種低速無線個(gè)域網(wǎng)（LR-WPAN）技術(shù)規(guī)范，所以ZigBee協(xié)議棧的物理（PHY）層和媒體訪問控制（MAC）層是按照IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來工作的，網(wǎng)絡(luò)（NWK）層和應(yīng)用（APL）層由ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義[1]。

1 PHY概述

IEEE802.15.4協(xié)議描述中分別有2.4 GHz物理層和868/9l5 MHz物理層兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250 kb/s。兩個(gè)物理層使用的傳輸方式都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻），簡稱直擴(kuò)方式（DS方式），在物理層使用相同的數(shù)據(jù)包格式，其低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)使它在很多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[2]。在于調(diào)制方式、工作頻率、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率方面有所區(qū)別。2.4GHz頻段申請的ISM頻段在全球范圍內(nèi)無需統(tǒng)一申請，有利于ZigBee設(shè)備降低生產(chǎn)成本和市場推廣；另外通過采用高階調(diào)制可以達(dá)到250 kb/s的傳輸速率，從而獲得極小的通信延時(shí)、極短的周期以及更大的吐吞量，從而ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)更加節(jié)電。歐洲的ISM頻段是868 MHz，美國的ISM頻段是915 MHz，引入868 MHz及915 MHz這兩個(gè)頻段可以使2.4 GHz附近的無線通信設(shè)備在不互相影響的條件下發(fā)出各自的頻率。這兩個(gè)頻段在無線信號(hào)傳輸過程由于表現(xiàn)出小損耗特點(diǎn)，因而擁有極廣的通信范圍，可以適當(dāng)降低接收機(jī)的靈敏度而不改變傳輸質(zhì)量，從而在給定區(qū)域用較少設(shè)備進(jìn)行有效覆蓋。

2 PHY服務(wù)機(jī)制

PHY層提供兩種類型的服務(wù)：PHY數(shù)據(jù)服務(wù)和PHY管理服務(wù)。PHY數(shù)據(jù)服務(wù)負(fù)責(zé)在射頻信道中收發(fā)PHY協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）。PHY還有一個(gè)稱為物理層管理實(shí)體（PLME）的管理實(shí)體，通過PLME可以喚醒PHY管理功能。

（1）PHY數(shù)據(jù)服務(wù)

數(shù)據(jù)總是以MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）的形式進(jìn)行傳輸。本地MAC需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，就向PHY提供一個(gè)MPDU. PHY嘗試進(jìn)行傳輸，然后向MAC報(bào)告?zhèn)鬏斀Y(jié)果（成功或失?。?。當(dāng)射頻收發(fā)器收到數(shù)據(jù)后，PHY層通知MAC層收到了一個(gè)MPDU。PHY層不僅向MAC層提供MPDU，還向MAC層提供鏈路質(zhì)量指標(biāo)（LQI）信息。如圖1所示。

圖1 兩臺(tái)設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)

數(shù)據(jù)可以由MAC層產(chǎn)生，更高層完全不知道這個(gè)數(shù)據(jù)的存在。數(shù)據(jù)由ZigBee設(shè)備對象（ZDO）或應(yīng)用支持子層應(yīng)用對象產(chǎn)生。在傳輸過程中，每一層都對數(shù)據(jù)單元（DU）加入自己的頭部和尾部（如果允許），然后將該結(jié)果傳遞給下一個(gè)更低層。每一層的數(shù)據(jù)單元都以該層的名稱命名。在APS層和NWK層，數(shù)據(jù)單元分別被稱為APS協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）和NWK協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU）。PHY數(shù)據(jù)服務(wù)接收一個(gè)MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）并創(chuàng)建將通過射頻傳輸?shù)腜HY協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）。在接收端，數(shù)據(jù)從某一層向上傳輸?shù)较乱粋€(gè)更高層，直到數(shù)據(jù)單元到達(dá)目的層頭部和尾部被刪除。

（2）PHY管理服務(wù)

管理實(shí)體提供的管理服務(wù)有：信道能量檢測（ED）、鏈路質(zhì)量指示（LQI）、空閑信道評(píng)估（CCA）等。信道中接收信號(hào)的功率強(qiáng)度是由信道能量檢測來完成的，是為上層提供信道選擇的依據(jù)[3]。噪聲信號(hào)功率和有效信號(hào)功率之和作為信道檢測結(jié)果的依據(jù)，其檢測過程沒有進(jìn)行解碼操作。而鏈路質(zhì)量指示對檢測信號(hào)需要進(jìn)行解碼操作，生成一個(gè)信噪比的指標(biāo)值，為上層提供接收的無線信號(hào)的質(zhì)量和強(qiáng)度服務(wù)信息?？臻e信道評(píng)估主要評(píng)估信道指標(biāo)值是否空閑。

3 PHY服務(wù)實(shí)現(xiàn)

IEEE 802.15.4和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)使用原語的概念來描述服務(wù)，這些服務(wù)由上一層使用。相鄰協(xié)議層之間的通信是通過在層與層之間調(diào)用函數(shù)或傳遞原語來管理的。服務(wù)原語的概念是比較抽象的，要實(shí)現(xiàn)特定層提供的服務(wù)需要由它來指定需要傳遞的信息來完成。服務(wù)原語與具體的服務(wù)實(shí)現(xiàn)無關(guān)，服務(wù)原語有請求、通知、響應(yīng)、確認(rèn)4種情況[4]，具體如下：

（1）請求（request）原語。請求原語由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請求方的用戶發(fā)送特定信息到它的服務(wù)提供層進(jìn)行響應(yīng)，請求啟動(dòng)某一項(xiàng)服務(wù)。

（2）通知（indication）原語。指示原語由網(wǎng)絡(luò)用戶的服務(wù)提供層發(fā)送到對應(yīng)服務(wù)響應(yīng)方用戶的相應(yīng)層，跟遠(yuǎn)端服務(wù)請求邏輯相關(guān)。

（3）響應(yīng)（response）原語。響應(yīng)原語由服務(wù)響應(yīng)端的用戶發(fā)出信息到服務(wù)提供層，從而完成提示原語啟動(dòng)的程序。

（4）確認(rèn)（confirm）原語。驗(yàn)證服務(wù)原語是由服務(wù)提供層發(fā)出并傳輸?shù)椒?wù)請求端的用戶方，該原語是確認(rèn)服務(wù)請求原語的傳遞結(jié)果。

在多用戶存在的網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)原語交換過程是兩個(gè)對等的用戶通過服務(wù)提供層交換信息，它們通過原語的傳遞，建立相關(guān)服務(wù)[5]。在其下一層提供服務(wù)的基礎(chǔ)上建立服務(wù)用戶的功能。層間信息傳輸流事件是離散的，是通過發(fā)送服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)事件的。協(xié)議使用服務(wù)原語來描述每一層的功能。每個(gè)原語指定要執(zhí)行的操作或者提供之前請求的操作結(jié)果。一個(gè)原語也可能攜帶執(zhí)行其任務(wù)所需的參數(shù)。如圖2所示。

圖2 服務(wù)原語交換過程

如上圖，N+1層為服務(wù)用戶、N層為服務(wù)提供者，在PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)中，PHY數(shù)據(jù)請求（PD-Data. Request）原語由MAC層產(chǎn)生，并傳遞給PHY層，以請求傳輸一個(gè)MPDU。通知原語由第N層產(chǎn)生給其上一層，表明產(chǎn)生了一個(gè)對第N+1層很重要的事件。當(dāng)PHY接收來自網(wǎng)絡(luò)上另一個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要傳送到MAC層，PHY用戶使用PD-Data的通知原語來傳送數(shù)據(jù)信息給MAC層。

如果通知原語需要一個(gè)響應(yīng)，則響應(yīng)原語從N+l層傳送到第N層。PHY層和NWK層沒有任何響應(yīng)原語。MAC層和APL層包含響應(yīng)原語。第N層使用確認(rèn)原語向第N+1層確認(rèn)其傳遞的請求原語已經(jīng)完成。PD-Data的確認(rèn)原語由PHY層實(shí)體產(chǎn)生并發(fā)給它的MAC子層實(shí)體，以響應(yīng)一個(gè)PD-Data的請求原語。在確認(rèn)時(shí)，PHY層通知MAC層傳輸是否成功。

4 結(jié) 語

PHY層是最接近硬件的層，直接控制射頻收發(fā)器并與其通信。研究PHY服務(wù)機(jī)制及PHY服務(wù)的實(shí)現(xiàn)原理對ZigBee在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要的基礎(chǔ)意義。

參考文獻(xiàn)

[l]郭園.基于ZigBee和GPRS的LED路燈智能照明控制系統(tǒng)的研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2012.

[2]朱洲.基于ZigBee技術(shù)的無線自動(dòng)抄表系統(tǒng)[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[3]薛秦剛. IEEE 802.15.4的ZigBee協(xié)議棧研究與仿真[D].西安：西安理工大學(xué)，2010.

[4] Shahin Farahani.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與收發(fā)器[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[5]金純，羅祖秋，羅風(fēng)，等.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.