电子科技大学WSN课件05 标准.pdf

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1、11 1University of Electronic Science and Technology of ChinaWireless Sensor Networks第五章通信标准第五章通信标准2 2University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks概述概述?传感器网络中的应用一般传感器网络中的应用一般不需要很高的信道带宽不需要很高的信道带宽，却要求具有，却要求具有较低的传输延时和极低的功率消耗较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能在有

2、限的电池寿命内完成任务，使用户能在有限的电池寿命内完成任务?IEEE 802.15.4/ZigBee标准标准把把低功耗、低成本低功耗、低成本作为主要目标，为传感器网络提供了一种互连互通的平台，各大射频芯片厂商也陆续推出支持该标准的无线收发芯片作为主要目标，为传感器网络提供了一种互连互通的平台，各大射频芯片厂商也陆续推出支持该标准的无线收发芯片?另外，现有成熟的另外，现有成熟的IPv6协议也可以很好地满足传感器网络中节点地址数量庞大以及网络安全性等要求，协议也可以很好地满足传感器网络中节点地址数量庞大以及网络安全性等要求，IEEE于于2004年年11月成立了一个月成立了一个6Lowpan（IPv

3、6 over IEEE 802154或或IPv6 over LR PAN）工作组，专门致力于如何实现）工作组，专门致力于如何实现IPv6数据包在数据包在IEEE 802.15.4上的传输，研究基于上的传输，研究基于1Pv6 over IEEE与无线传感器网络协议相关的通信标准与无线传感器网络协议相关的通信标准23 3University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks内容提要内容提要一IEEE 802.11 标准二IEEE 802.15.4

4、标准三ZigBee 标准四6LowPan草案4 4University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksThe 802.15.4/Zigbee sandboxThe 802.15.4/Zigbee sandboxRangePeak Data RateCloserFartherSlowerFasterUWBHomeRFWireless Data ApplicationsWireless Video ApplicationsIrDA802.11g8

5、02.11b802.11a2.5G/3GZigBee802.15.4BluetoothISM LinkWiFi35 5University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksWireless Technologies ComparedWireless Technologies Compared8216Devices10 meters100 meters*100 metersOver 1200 metersRange4095359132Max Pa

6、cket Size(bytes)secondssecondsmsNetwork Join/FormationStarStar(8 nodes max)Star,Cluster,MeshNetwork Type100+KB100+KB8-60KBStack Size20ma200ua3uaStandby Idd400+ma40+ma30+maTX power1000+Mbps54Mbps750Kbps250KbpsMax Data Rate802.15.3802.11802.15.1802.15.4IEEE standardUWBWiFiBluetoothZigbeeCommon Name6 6

7、University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks无线网络标准无线网络标准47 7University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks无线局域网无线局域网(wireless local area networks，WLAN)(wireless local area networks，WLA

8、N)?局部区域是距离受限的区域，是相对于广域（局部区域是距离受限的区域，是相对于广域（wide area）而言的。两者的区别主要在于）而言的。两者的区别主要在于数据传输的范围不同数据传输的范围不同（但覆盖范围界限的区别并不十分明显），由此而引起网络设计和实现方面的一些区别（但覆盖范围界限的区别并不十分明显），由此而引起网络设计和实现方面的一些区别?介于介于广域网广域网WAN和局域网和局域网LAN之间还有一种局部网络，称为之间还有一种局部网络，称为城域网（城域网（metropolitan area networks,MAN）,比局域网覆盖范围更小的局部网络称为比局域网覆盖范围更小的局部网络称为个

9、域网个域网(personal area networks，PAN）?广义的无线局域网还包含无线城域网（广义的无线局域网还包含无线城域网（WMAN）和无线个域网（）和无线个域网（WPAN）?无线网络则可以粗略地分为无线网络则可以粗略地分为无线广域网和无线局域网无线广域网和无线局域网8 8University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks无线局域网(WLAN)无线局域网(WLAN)?WLAN就是在局部区域内以无线（就是在局部区域内以无线（no

10、wire or wireless)媒体或介质进行通信的无线网络媒体或介质进行通信的无线网络?WLAN是一种能在是一种能在几十米到几千米范围内几十米到几千米范围内支持支持较高数据速率较高数据速率（如（如2Mb/s以上）的无线网络以上）的无线网络,可以采用微蜂窝（可以采用微蜂窝（microcell)、微微蜂窝、微微蜂窝(Picocell）结构，也可以采用非蜂窝（如）结构，也可以采用非蜂窝（如Ad Hoc）结构）结构?目前无线局域网领域的两个典型标准是目前无线局域网领域的两个典型标准是IEEE 802系列标准和系列标准和HiperLAN系列标准系列标准59 9University of Electr

11、onic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksWLAN的需求WLAN的需求?吞吐量?节点数量?与主干LAN连接?服务区域?电池能量消耗?鲁棒性和安全性?配置网络操作?非许可操作?切换/漫游?动态配置1010University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.11系列标准IEEE 802.11系列标准?IEE

12、E 802.11系列标准系列标准指由指由IEEE 802.11标准任务组提出的协议族，它们是标准任务组提出的协议族，它们是IEEE 802.11、EEE 802.11a、IEEE 802.11b和和IEEE 802.11g等等?IEEE 802.11和和IEEE802.11b用于用于无线以太网无线以太网(wireless ethernet)，其工作频率大多在，其工作频率大多在2.4GHz上，上，传输速度为传输速度为：IEEE 802.11是是12Mb/s；IEEE 802.11b的速率为的速率为5.511Mb/s，并兼容，并兼容IEEE 802.11速率速率?IEEE 802.11a的工作频率

13、为的工作频率为56GHz，使用正交频分复用，使用正交频分复用(orthogonal frequency division multiplex,OFDM)技术，使传输速率可以达到技术，使传输速率可以达到54Mb/s?IEEE 802.11g工作在工作在2.4GHz频率上频率上,采用采用CCK、OFDM、PBCC(分组二进制卷积码，分组二进制卷积码，packet binary convolutional code)调制，可提供调制，可提供54Mb/s的速率并兼容的速率并兼容IEEE 802.11b标准标准?HiperLAN是欧洲是欧洲ETSI开发的标准开发的标准61111University of

14、 Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.11协议系列IEEE 802.11协议系列1212University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802 网络标准IEEE 802 网络标准71313University of Electronic Science and Techn

15、ology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE802.11aIEEE802.11a1414University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE802.11bIEEE802.11b81515University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wire

16、less Sensor NetworksIEEE802.11gIEEE802.11g1616University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks传输距离与速度的关系传输距离与速度的关系91717University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks内容提要内容提要一IEEE 802.11标准二

17、IEEE 802.15.4标准三ZigBee标准四6LowPan草案1818University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4?为满足低功耗、低成本的无线网络要求，城服标准委员会在为满足低功耗、低成本的无线网络要求，城服标准委员会在2000年年12月月正式批准并成立正式批准并成立802.15.4工作组工作组，工作组的任务是开发一个低速率数据传输的，工作组的任务是开发一个低速率数据传输的WP

18、N(LR-WPAN)标准标准?IEEE 802.15.4标准就是标准就是802.15.4工作小组开发出的标准，它具有工作小组开发出的标准，它具有复杂度低，成本极少，功耗很小复杂度低，成本极少，功耗很小的特点，能在的特点，能在低成本设备之间低速率传输数据低成本设备之间低速率传输数据?标准满足国际标准组织开放系统互联（标准满足国际标准组织开放系统互联（OSI）参考模式）参考模式,包括包括物理层、介质访问、网络层和高层物理层、介质访问、网络层和高层?802.I5.4标准定义了标准定义了无线个域网中的设备互联无线个域网中的设备互联进行无线通信的协议，它采用了进行无线通信的协议，它采用了CSMA/CA介

19、质访问机制和支持介质访问机制和支持星型和对等拓扑结构星型和对等拓扑结构网络网络101919University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准的主要特征的主要特征?四种传输速率：四种传输速率：20kbps、40kbps、100kbps、250kbps支持支持星型和点到点星型和点到点两种拓扑结构两种拓扑结构?在网络中采取在网络中采取两种地址方式两种地址方式：16位地址和位地址和64位地

20、址位地址?采用可选的时槽保障采用可选的时槽保障(Guaranteed Time Slots,GTS)机制机制?采用采用CSMA/CA信道访问机制信道访问机制?支持支持ACK机制机制以保证可靠传输；以保证可靠传输；?低功耗低功耗机制；机制；?信道信道能量检测能量检测（Energy Detection，ED）；）；?链路质量指示（链路质量指示（Link quality indication，LQI）；）；?工作在工作在ISM频段频段上，其中在上，其中在2450 MHz波段波段上有上有16个信道个信道,在在915MHz波段波段上有上有10个信道个信道，在，在868MHz上有上有1个信道个信道?数据安

21、全策略数据安全策略2020University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks802.15.4 has 16 channels in the 2.4Ghz band802.15.4 has 16 channels in the 2.4Ghz band112121University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sens

22、or NetworksIEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准?IEEE 802.15.4标准概述标准概述?网络组成及拓扑结构网络组成及拓扑结构?协议栈架构协议栈架构?物理层规范物理层规范?信道分配及调制方式信道分配及调制方式?物理层帧格式物理层帧格式?物理层功能实现物理层功能实现?MAC子层规范子层规范?MAC子层的信道访问方式子层的信道访问方式?MAC子层的帧格式子层的帧格式?MAC子层的功能实现子层的功能实现2222University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,20

23、10Wireless Sensor NetworksIEEE 802.15.4 TopologiesIEEE 802.15.4 TopologiesCluster TreeMeshStarPAN CoordinatorFull Function Device(FFD)Any topologyNetwork coordinator capableTalks to any other device3 modes:PAN Coordinator,Coordinator,Device49 primitives(14 PHY+35 MAC)(1/3 of Bluetooth)Reduced Functi

24、on Device(RFD)Limited to being leaf devicesCannot become a network coordinatorTalks only to a network coordinatorVery simple implementationsimple devices;e.g.Light switch,infrared sensor38 primitives122323University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor

25、Networks802.15.4 Topology：802.15.4 Topology：Peer-Peer TopologyCombined TopologyPeer-Peer TopologyCombined TopologyFull function deviceReduced function deviceClustered stars-for example,cluster nodes exist between roomsof a hotel and each room has a star network for control.Full function devicePoint

26、to point2424University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksNetwork PiecesNetwork PiecesPAN CoordinatorPAN Coordinator?PAN Coordinator?“owns”the network?Starts it?Allows other devices to join it?Provides binding and address-table services?Saves

27、messages until they can be delivered?And more could also have i/o capability?A“full-function device”FFD?Mains powered132525University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksNetwork PiecesNetwork Pieces-Router-Router?Routers?Routes messages?Does no

28、t own or start network?Scans to find a network to join?Given a block of addresses to assign?A“full-function device”FFD?Mains powered depending on topology?Could also have i/o capability2626University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksNetwork

29、PiecesNetwork Pieces End DeviceEnd Device?End Device?Communicates with a single device?Does not own or start network?Scans to find a network to join?Can be an FFD or RFD(reduced function device)?Usually battery powered142727University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2

30、010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.15.4协议架构IEEE 802.15.4协议架构IEEE 802.15.4 MACUpper LayersIEEE 802.15.4 SSCSIEEE 802.2LLC,Type IIEEE 802.15.42400 MHzPHYIEEE 802.15.4868/915 MHzPHY2828University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.15.4超

31、帧结构IEEE 802.15.4超帧结构不活跃时段(Inactive)信标帧信标帧超帧持续时间长度(SD)信标帧周期(BI)GTSGTS竞争访问时段(CAP)无竞争访问时段(CFP)152929University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks超帧结构超帧结构?超帧超帧是指一种用来组织是指一种用来组织网络通信时间分配网络通信时间分配的逻辑结构的逻辑结构?超帧的时间分配由超帧的时间分配由网络协调器网络协调器定义，包括：定义，包括：活跃时段和非

32、活跃时段活跃时段和非活跃时段?网络中的网络中的所有通信都必须在活跃时段进行，而在非活跃时段，设备可以进入休眠模式所有通信都必须在活跃时段进行，而在非活跃时段，设备可以进入休眠模式以达到省电的目的以达到省电的目的?每个超帧都以网络协调器发出信标帧为开始，并划分为每个超帧都以网络协调器发出信标帧为开始，并划分为16个等宽的时槽个等宽的时槽3030University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.15.4标准IEEE 802.1

33、5.4标准?IEEE 802.15.4标准概述标准概述?网络组成及拓扑结构网络组成及拓扑结构?协议栈架构协议栈架构?物理层规范物理层规范?信道分配及调制方式信道分配及调制方式?物理层帧格式物理层帧格式?物理层功能实现物理层功能实现?MAC子层规范子层规范?MAC子层的信道访问方式子层的信道访问方式?MAC子层的帧格式子层的帧格式?MAC子层的功能实现子层的功能实现163131University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks信道分配和调制方

34、式16-ary正交正交62.5250O-QPSK200024002483.516-ary正交正交62.5250O-QPSK1000902928*16-ary正交正交25100O-QPSK400868868.6*5-bitSPSS50250ASK1600902928*20-bitSPSS12.5250ASK400868868.6*二进制二进制4040BPSK600902928二进制二进制2020BPSK300868868.6符号符号速率(ksymbol/s)比特速率(kb/s)调制方式片速率(kchip/s)数据参数扩频参数频段(MHz)注：*项为可选项目，系802.15.4-2006新增内容3

35、232University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.15.4 PHY-Operating Frequency BandsIEEE 802.15.4 PHY-Operating Frequency Bands868MHz/915MHz PHY868.3 MHzChannel 0Channels 1-10928 MHz902 MHz2 MHz2.4 GHzChannels 11-262.4835 GHz5 MHz2.4 G

36、Hz PHY173333University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksThe 2.4Ghz ISM bandThe 2.4Ghz ISM band802.11 DSSS2.4122.402.412.482.472.462.452.442.432.422.4622.4372.4835(end of ISM Band)Possible 802.11 Channel(North America)802.11 Spectrum Occupanc

37、y(Typical)3434University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksChannel AccessChannel Access?Two channel access mechanism?Non-beacon network?Standard ALOHA CSMA-CA communication?Positive acknowledgement for successfully received packets?Beacon-ena

38、bles network?Superframe structure?For dedicated bandwidth and low latency?Set up by network coordinator to transmit beacons at predetermined intervals?15ms to 252s?16 equal-width slots between beacons?Contention and contention free183535University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Sh

39、uisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksExample of superframe structureExample of superframe structure?Every beacon specifies?the duration of the superframe,?the duration of active frame,?for whom the GTSs are,?who has data pending on the coordinator,?is the coordinator accepting new devices?,?etc.C

40、ontentionAccess Period(CAP)timeFrame BeaconsSuperframe structure without GTSs3636University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksSuperFrame Structure(No GTS)SuperFrame Structure(No GTS)?LR-WPAN标准可选的超帧结构，标准可选的超帧结构，超帧结构由协调器定义超帧结构由协调器定义?由信标由信标(Beac

41、ons)作界限的作界限的超帧由协调器发送超帧由协调器发送，并划分为，并划分为16个相等的时槽，个相等的时槽，信标帧在每个超帧的第信标帧在每个超帧的第1个时槽发送个时槽发送?如果协调器不准备使用超帧结构，将关闭超帧发送如果协调器不准备使用超帧结构，将关闭超帧发送?信标用于同步其他设备、描述超帧结构、确认信标用于同步其他设备、描述超帧结构、确认PAN?任何设备如果要在任何设备如果要在2个信标间的争用访问周期个信标间的争用访问周期(CAP)期间进行通信，都要通过期间进行通信，都要通过CSMA/CA机制与其他设备争用时槽机制与其他设备争用时槽?所有传送需要在下个信标处结束所有传送需要在下个信标处结束C

42、ontentionAccess Period(CAP)timeFrame BeaconsSuperframe structure without GTSs193737University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksSuperFrame Structure(GTS)SuperFrame Structure(GTS)3838University of Electronic Science and Technology of ChinaProf

43、.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.15.4 PHY-Packet StructureIEEE 802.15.4 PHY-Packet Structure?PHY Packet Fields?Preamble(32 bits)synchronization?Start of Packet Delimiter(8 bits)?PHY Header(8 bits)PSDU length?PSDU(0 to 1016 bits)Data fieldPreambleStart ofPacketDelimiterPHYHeaderPHY

44、 ServiceData Unit(PSDU)6 Octets0-127 Octets203939University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks物理帧格式物理帧格式PHY 负载负载物理帧头物理帧头(PHR)同步头同步头(SHR)PSDUReserved(1 比特比特)Frame length(7 比特比特)SFD前导码（前导码（preamble）可变可变1 字节字节1 字节字节Ocets：4 字节字节(PPDU，PHY Protocol

45、 Data Unit)，(SFD，Start-Of-Frame Delimiter),(PSDU，PHY service Data Unit)4040University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks物理层参考模型?PD-SAP：物理层数据访问接口，：物理层数据访问接口，Physical layer Data SAP?PLME-SAP：物理层管理实体访问接口，：物理层管理实体访问接口，Physical Layer Management En

46、tity SAP214141University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks物理层功能实现物理层功能实现?数据的数据的发送与接收发送与接收：PD-SAP提供的原语实现提供的原语实现2个个MAC子层的子层的MPDU传输，包括传输，包括?数据请求原语数据请求原语?数据确认原语数据确认原语?数据指示原语数据指示原语?物理信道的物理信道的能量检测能量检测(ED：Energy Detection)?射频收发器的激活与关闭射频收发器的激活与关闭?空闲

47、空闲信道评估信道评估(CCA：clear channel assessment)?链路质量指示链路质量指示(LQI：link quality indication)?物理层属性参数的获取与设置物理层属性参数的获取与设置4242University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准?IEEE 802.15.4标准概述标准概述?网络组成及拓扑结构网络组成及拓扑结构?协议栈架构协议栈架构?物

48、理层规范物理层规范?信道分配及调制方式信道分配及调制方式?物理层帧格式物理层帧格式?物理层功能实现物理层功能实现?MAC子层规范子层规范?MAC子层的信道访问方式?MAC子层的帧格式?MAC子层的功能实现224343University of Electronic Science and Technology of ChinaProf.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor NetworksIEEE 802.15.4标准IEEE 802.15.4标准?IEEE 802.15.4标准的标准的MAC子层功能子层功能?采用采用CSMA-CA机制机制来来访问物理信道访问物理

49、信道；?协调器对协调器对网络的建立与维护网络的建立与维护；?支持支持PAN网络的关联网络的关联(association)与与取消关联取消关联(disassociation)?协调器协调器产生信标帧产生信标帧，普通设备，普通设备根据信标帧与协调器同步根据信标帧与协调器同步?间接传输的实现间接传输的实现(Transaction handling)；?在两个在两个MAC实体之间提供实体之间提供数据可靠传输数据可靠传输；?可选的可选的GTS支持；支持；?支持安全机制支持安全机制4444University of Electronic Science and Technology of ChinaPro

50、f.Shuisheng Lin,2010Wireless Sensor Networks802.15.4信道访问机制802.15.4信道访问机制?信道访问机制信道访问机制?无信标使能无信标使能的网络，的网络，无时槽的无时槽的CSMA-CA机制机制?信标使能信标使能的网络，的网络，带时槽的带时槽的CSMA-CA机制机制?网络协调器负责整个网络的建立与维护网络协调器负责整个网络的建立与维护?协调器为整个网络协调器为整个网络选择空闲的信道选择空闲的信道?产生信标并定期发送产生信标并定期发送?处理其他设备的关联请求处理其他设备的关联请求?数据传输数据传输?其他设备其他设备?扫描扫描寻找网络并加入寻找网