基于ZigBee協(xié)議棧的PHY服務研究

吳清秀

摘 要：ZigBee是一種標準，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PHY服務機制及PHY服務的實現(xiàn)原理。

關(guān)鍵詞：ZigBee；PHY服務；原語；MAC層

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）06-00-02

0 引 言

ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)議層基于國際標準化組織（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標準規(guī)定來工作的，網(wǎng)絡（NWK）層和應用（APL）層由ZigBee標準定義[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物理層兩個物理層標準，數(shù)據(jù)傳輸速率高達250 kb/s。兩個物理層使用的傳輸方式都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻），簡稱直擴方式（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)點使它在很多領(lǐng)域獲得了廣泛的應用[2]。在于調(diào)制方式、工作頻率、擴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)制可以達到250 kb/s的傳輸速率，從而獲得極小的通信延時、極短的周期以及更大的吐吞量，從而ZigBee網(wǎng)絡中的終端節(jié)點更加節(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這兩個頻段可以使2.4 GHz附近的無線通信設備在不互相影響的條件下發(fā)出各自的頻率。這兩個頻段在無線信號傳輸過程由于表現(xiàn)出小損耗特點，因而擁有極廣的通信范圍，可以適當降低接收機的靈敏度而不改變傳輸質(zhì)量，從而在給定區(qū)域用較少設備進行有效覆蓋。

2 PHY服務機制

PHY層提供兩種類型的服務：PHY數(shù)據(jù)服務和PHY管理服務。PHY數(shù)據(jù)服務負責在射頻信道中收發(fā)PHY協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）。PHY還有一個稱為物理層管理實體（PLME）的管理實體，通過PLME可以喚醒PHY管理功能。

（1）PHY數(shù)據(jù)服務

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

圖1 兩臺設備間的數(shù)據(jù)傳輸服務

數(shù)據(jù)可以由MAC層產(chǎn)生，更高層完全不知道這個數(shù)據(jù)的存在。數(shù)據(jù)由ZigBee設備對象（ZDO）或應用支持子層應用對象產(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)服務接收一個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€更高層，直到數(shù)據(jù)單元到達目的層頭部和尾部被刪除。

（2）PHY管理服務

管理實體提供的管理服務有：信道能量檢測（ED）、鏈路質(zhì)量指示（LQI）、空閑信道評估（CCA）等。信道中接收信號的功率強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]。噪聲信號功率和有效信號功率之和作為信道檢測結(jié)果的依據(jù)，其檢測過程沒有進行解碼操作。而鏈路質(zhì)量指示對檢測信號需要進行解碼操作，生成一個信噪比的指標值，為上層提供接收的無線信號的質(zhì)量和強度服務信息?？臻e信道評估主要評估信道指標值是否空閑。

3 PHY服務實現(xiàn)

IEEE 802.15.4和ZigBee標準使用原語的概念來描述服務，這些服務由上一層使用。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。服務原語的概念是比較抽象的，要實現(xiàn)特定層提供的服務需要由它來指定需要傳遞的信息來完成。服務原語與具體的服務實現(xiàn)無關(guān)，服務原語有請求、通知、響應、確認4種情況[4]，具體如下：

（1）請求（request）原語。請求原語由網(wǎng)絡服務請求方的用戶發(fā)送特定信息到它的服務提供層進行響應，請求啟動某一項服務。

（2）通知（indication）原語。指示原語由網(wǎng)絡用戶的服務提供層發(fā)送到對應服務響應方用戶的相應層，跟遠端服務請求邏輯相關(guān)。

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

（4）確認（confirm）原語。驗證服務原語是由服務提供層發(fā)出并傳輸?shù)椒照埱蠖说挠脩舴剑撛Z是確認服務請求原語的傳遞結(jié)果。

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

圖2 服務原語交換過程

如上圖，N+1層為服務用戶、N層為服務提供者，在PHY層數(shù)據(jù)服務中，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)生了一個對第N+1層很重要的事件。當PHY接收來自網(wǎng)絡上另一個設備的數(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響應，則響應原語從N+l層傳送到第N層。PHY層和NWK層沒有任何響應原語。MAC層和APL層包含響應原語。第N層使用確認原語向第N+1層確認其傳遞的請求原語已經(jīng)完成。PD-Data的確認原語由PHY層實體產(chǎn)生并發(fā)給它的MAC子層實體，以響應一個PD-Data的請求原語。在確認時，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服務機制及PHY服務的實現(xiàn)原理對ZigBee在物聯(lián)網(wǎng)中的應用具有重要的基礎(chǔ)意義。

參考文獻

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[2]朱洲.基于ZigBee技術(shù)的無線自動抄表系統(tǒng)[D].重慶：重慶大學，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，2010.

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

[5]金純，羅祖秋，羅風，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.