5--无线传感器网络通信标准

,Slide Title,Body Text,Second Level,Third Level,Fourth Level,Fifth Level,无线传感器网络技术讲义,第五章、通信标准,2010年8月20日,内容提要,IEEE 802.15.4标准,ZigBee,标准,6LowPan,草案,主要参考文献,内容提要,IEEE 802.15.4标准,ZigBee,标准,6LowPan,草案,主要参考文献,IEEE 802.15.4标准,IEEE 802.15.4标准概述,网络组成及拓扑结构,协议栈架构,功能概述,物理层规范,信道分配及调制方式,物理层帧格式,物理层功能实现,MAC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,IEEE 802.15.4标准,IEEE 802.15.4标准概述,网络组成及拓扑结构,协议栈架构,功能概述,物理层规范,信道分配及调制方式,物理层帧格式,物理层功能实现,MAC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,IEEE 802.15.4标准,目标：为在个人操作空间（POS）内相互连通的无线设备提供通信标准。,IEEE 802.15任务组,TG1：制定IEEE 802.15.1标准（蓝牙无线个人区域网络标准）；中等速率、近距离的WPAN网络标准。,TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与IEEE 802.11（无线局域网标准）的共存问题,TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准。,TG4：制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准。,IEEE 802.15.4标准,IEEE 802.15.4标准的主要特征：,实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率；,支持星型和点到点两种拓扑结构；,在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址；,采用可选的时槽保障（Guaranteed Time Slots，GTS）机制；,采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信道访问机制；,支持ACK机制以保证可靠传输；,低功耗机制；,信道能量检测（Energy Detection，ED）；,链路质量指示（Link quality indication，LQI）；,工作在ISM频段上，其中在2450 MHz 波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道；,数据安全策略。,IEEE 802.15.4标准,IEEE 802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的设备集合。,全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）,协调器：与RFD相关联的FFD设备,PAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发,IEEE 802.15.4标准,星型拓扑结构,所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯,网络协调器持续供电，其他设备电池供电,适合家庭自动化、个人计算机外围设备、个人康护护理等小范围的室内应用,IEEE 802.15.4标准,点到点拓扑结构,任何两个设备之间都可以通讯,网络协调器负责管理链路状态信息、认证设备身份等功能,允许多跳路由的方式传输数据,适合于设备分布范围广的应用（工业检测与控制）,IEEE 802.15.4标准,IEEE 802.15.4 协议栈架构,基于开放系统互连模型（OSI）,每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务,物理层由射频收发器和底层的控制模块组成,数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通讯的服务接口,特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务,LLC为应用层提供链路层服务,IEEE 802.15.4标准,IEEE 802.15.4标准功能概述,超帧结构,数据传输模型,MAC层帧结构,数据可靠传输机制,低功耗策略,数据的安全服务,IEEE 802.15.4标准,以超帧为周期组织,LR-WPAN,内设备间的通讯,信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息,超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分,不活跃阶段：设备进入休眠状态,活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分为,16,个等长时槽,CSMA-CA,访问机制；,IEEE 802.15.4标准,IEEE 802.15.4标准概述,网络组成及拓扑结构,协议栈架构,功能概述,物理层规范,信道分配及调制方式,物理层帧格式,物理层功能实现,MAC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,IEEE 802.15.4标准,信道分配和调制方式,频段 (MHz),扩频参数,数据参数,片速率 (kchip/s),调制方式,比特速率 (kb/s),符号速率 (ksymbol/s),符号,868868.6,300,BPSK,20,20,二进制,902928,600,BPSK,40,40,二进制,868868.6*,400,ASK,250,12.5,20-bitSPSS,902928*,1600,ASK,250,50,5-bitSPSS,868868.6*,400,O-QPSK,100,25,16-ary正交,902928*,1000,O-QPSK,250,62.5,16-ary正交,24002483.5,2000,O-QPSK,250,62.5,16-ary正交,注：*项为可选项目，系802.15.4-2006新增内容,IEEE 802.15.4标准,物理帧格式,Ocets：4 字节,1 字节,1 字节,可变,前导码（preamble）,SFD （帧起始分隔符）,固定值：OXA7,Frame length,(7 比特),Reserved,(1 比特),PSDU,同步头(SHR),物理帧头(PHR),PHY 负载,IEEE 802.15.4标准,物理层功能实现,数据的发送与接收,物理信道的能量检测(ED：Energy Detection),射频收发器的激活与关闭,空闲信道评估(CCA：clear channel assessment),链路质量指示(LQI：link quality indication),物理层属性参数的获取与设置,IEEE 802.15.4标准,IEEE 802.15.4标准概述,网络组成及拓扑结构,协议栈架构,功能概述,物理层规范,信道分配及调制方式,物理层帧格式,物理层功能实现,MAC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,IEEE 802.15.4标准,IEEE 802.15.4标准的MAC子层功能,采用CSMA-CA机制来访问物理信道；,协调器对网络的建立与维护；,支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）；,协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；,间接传输的实现(Transaction handling)；,在两个MAC实体之间提供数据可靠传输；,可选的GTS支持；,支持安全机制；,IEEE 802.15.4标准,中间协调器接收和发送信标帧,IEEE 802.15.4标准,MAC,层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输,帧组成,地址格式：,16,位短地址和,64,位扩展地址,帧控制字段的内容指示地址类型,帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，,MAC,命令帧,IEEE 802.15.4标准,信标帧格式,超帧字段：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问时断持续时间,GTS分配释放信息：将无竞争时断划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给某个设备,转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址,信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口,IEEE 802.15.4标准,数据帧格式,传输上层发送到MAC子层的数据,MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层,MAC帧： MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息,IEEE 802.15.4标准,确认帧格式,如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位设置为1，设备需要回应一个确认帧。,确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。,确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。,IEEE 802.15.4标准,命令帧格式,命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。,命令帧有9种类型。,命令帧的功能：把设备关联到PAN；与协调器交换数据；分配GTS。,命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。,IEEE 802.15.4标准,MAC子层功能实现,PAN的建立与维护,关联请求与取消,与信标帧的同步,数据的间接传输方式,数据的发送，接收与重传,GTS的分配与管理,MAC子层PIB的维护,MAC子层的安全策略,IEEE 802.15.4标准,设备关联的消息流程,IEEE 802.15.4标准,设备发起取消关联的消息流程,IEEE 802.15.4标准,与协调器同步消息流程(信标使能网络),IEEE 802.15.4标准,GTS分配过程消息流程图,IEEE 802.15.4标准,GTS释放消息流程,内容提要,IEEE 802.15.4标准,ZigBee,标准,6LowPan,草案,主要参考文献,ZigBee技术简介-什么是ZigBee?,ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。,ZigBee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格； ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。,ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。,ZigBee技术简介-短程无线网络标准,WWAN,WMAN,WLAN,WPAN,传,输,范,围,0.01,10,1,0. 1,100,1000,数据传输率（Mbps）,ZigBee技术简介-短程无线网络标准,文本,因特网/声音,压缩图片,多通道数字图像,低高,短程长程,ZigBee技术简介-无线网络标准的比较,ZigBee技术简介-,ZigBee与IEEE 802.15.4,ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE 802.15.4 仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。,ZigBee是由ZigBee Alliance所主导的标准，定义了网络层（Network Layer)、安全层（Security Layer）、应用层（Application Layer)、以及各种应用产品的资料（Profile）;而由国际电子电机工程协会（IEEE）所定制的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHY Layer)及媒体存取层（Media Access Control Layer;MAC Layer)。,ZigBee技术简介-,ZigBee协议栈,8位处理器,协议栈简介紧凑 4K-32k,网络主节点容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。,ZigBee技术简介-ZigBee频带和数据传输率,ZigBee技术简介-ZigBee物理信道,ZigBee技术简介-ZigBee网络拓扑结构,星型,网状型,簇状型,网络协调器,全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信,精简功能设备(RFD):只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单,。,ZigBee技术简介-,ZigBee网络设备类型,网络协调器：,包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、,寻找一对,节点间的路由消息、不断地接收信息。,全功能设备（FFD）：,可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。,.附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征,.更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用,.也能用作终端设备,精简功能设备（RFD）：,RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。,.附带有限的功能来控制成本和复杂性,.在网络中通常用作终端设备。,.ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其,他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议,栈也有助于降低成本。,ZigBee技术简介-,ZigBee网络设备类型,ZigBee技术简介-,ZigBee网状（MESH）网络,MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。,ZigBee技术简介-,ZigBee网状（MESH）网络,Mesh,是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。,通过以上,ZigBee,Mesh,结构图可以得知，一个,ZigBee,网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。,协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。,构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（,FFD,），,而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（,RFD).,ZigBee技术简介-,ZigBee网状（MESH）网络,ZigBee,采用按需路由算法,AODV,，,在节能和网络性能上都有着很大的优势。,AODV,路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。,当链路断开时，,AODV,会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。,AODV,允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。,AODV,操作是无还回的，并避免了当,Adhoc,网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题（特别是当一个节点进入网络时）。,ZigBee技术简介-,ZigBee通信可靠性保证,物理层RF通信连接,直序扩频采用高处理增益,明晰的信道检测,对干扰能量进行检测,协议,基于CRC的误码监测/校正,采取了避免冲突的策略CSMA/CA,为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙,发送的数据包都有待于接收方的确认，如出现问题进行重发,保持数据包的及时传输Packet data freshness,ZigBee技术简介-,ZigBee通信可靠性保证,通信可靠机制,ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测,MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息。,网络的自组织自语能力强,ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连结关系，组成结构化的网络；,ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。,ZigBee技术简介-,ZigBee通信可靠性保证,在低信噪比的环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能。,误码率,信噪比dB,bluetooth,ZigBee技术简介-,ZigBee通信可靠性保证,ZigBee技术简介-,ZigBee技术优势,数据传输速率低：,10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用,功耗低：,在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月,成本低：,ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本,网络容量大：,网络可容纳65000个设备,时延短：,典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。,网络的自组织、自愈能力强，通信可靠,数据安全：,ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性,工作频段灵活：,使用频段为2.4GHz、86MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段,ZigBee技术简介-,ZigBee应用条件,低功耗；,低成本；,较低的报文吞吐率；,需要支持大型网络接点的数量级；,对通信服务质量QoS要求不高（甚至无QoS）；,需要可选择的安全等级（采用AES-128），,+加密,+发送鉴别,+报文的完整性,需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用；,要求高的网络自组织、自恢复能力。,ZigBee技术简介-,ZigBee应用场合,无线传感器网络WSN；,带负载管理功能的自动抄表（AMR）系统；,智能交通、油气生产遥测遥控通信系统；,监控照明、HVAC和写字楼安全；,农田耕作、环境监测、水利水文监测无线通信；,工业制造、过程控制遥测遥控；,对患病、设备及设施进行医疗和健康监控；,家庭监控、HVAC、安防报警系统运用；,有源RFID应用，用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理；,军事应用，包括战场监视和机器人控制；,汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。,内容提要,IEEE 802.15.4标准,ZigBee,标准,6LowPan,草案,主要参考文献,6LowPan草案,动机与存在的问题,协议报文转换适配层和帧格式,地址管理机制,Mesh网络下的多跳传输方法及路由,邻居发现协议,6LowPan草案,协议栈结构,底层采用,IEEE 802.15.4,规定的,PHY,层和,MAC,层，网络层采用,IPv6,协议。,由于,IPv6,中，,MAC,支持的载荷长度远大干,6LowPan,底层所能提供的载荷长度，为了实现,MAC,层与网络层的无缝链接，,6Low-Pan,工作组建议在网络层和,MAC,层之间增加一个网络适配层，用来完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等工作。,6LowPan的优势,普及性,：,IP,网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的,IPv6,，也在加速其普及的步伐，在,LR-WPAN,网络中使用,IPv6,更易于被接受。,适用性,：,IP,网络协议栈架构受到广泛的认可，,LR-WPAN,网络完全可以基于此架构进行简单、有效地开发。,更多地址空间,：,IPv6,应用于,LR-WPAN,最大亮点就是庞大的地址空间。这恰恰满足了部署大规模、高密度,LR-WPAN,网络设备的需要。,支持无状态自动地址配置,：,IPv6,中当节点启动时，可以自动读取,MAC,地址，并根据相关规则配置好所需的,IPv6,地址。这个特性对传感器网络来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对传感器节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。,易接入,：,LR-WPAN,使用,IPv6,技术，更易于接入其他基于,IP,技术的网络及下一代互联网，使其可以充分利用,IP,网络的技术进行发展,易开发,：目前基于,IPv6,的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对,LR-WPAN,的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发的过程。,6LowPan的关键技术,IPv6,和,IEEE 802.15.4,的协调,。,IEEE802.15.4,标准定义的最大帧长度是,127,字节,MAC,头部最大长度为,25,字节，剩余的,MAC,载荷最大长度为,102,字节。而在,IPv6,中，,MAC,载荷最大为,1280,字节。,IEEE 802.15.4,帧不能封装完整的,IPv6,数据包。因此，要协调二者之间的关系，就要在网络层与,MAC,层之间引入适配层，用来完成分片和重组的功能。,地址配置和地址管理,。,IPv6,支持无状态地址自动配置，相对于有状态自动配置的来说，配置所需开销比较小，这正适合,LR-WPAN,设备特点。同时，由于,LR-WPAN,设备可能大量、密集地分布在人员比较难以到达的地方，实现无状态地址自动配置则更加重要。,网络管理,。由于在,IEEE802.15.4,上转发,IPv6,数据提倡尽量使用已有的协议，而简单网络管理协议,(SNMP),又为,lP,网络提供了一套很好的网络管理框架和实现方法，因此，,6LowPan,倾向于在,LR-WPAN,上使用,SNMPv3,进行网络管理。但是，由于,SNMP,的初衷是管理基于,IP,的互联网，要想将其应用到硬件资源受限的,LR-WPAN,网络中。仍需要进一步调研和改进。例如：限制数据类型、简化基本的编码规则等。,安全问题,。由于使用安全机制需要额外的处理和带宽资源，并不适合,LR-WPAN,设备，而,IEEE802.15.4,在链路层提供的,AES,安全机制又相对宽松，有待进一步加强，因此寻找一种适合,LR-WPAN,的安全机制就成为,6LowPan,研究的关键问题之一 。,6LowPan草案,内容提要,IEEE 802.15.4标准,ZigBee,标准,6LowPan,草案,主要参考文献,主要参考文献,1IEEE 802.15.4-2006/2003,2ZigBee specification v1.1,3Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks (draft ietf 6lowpan format-13)(work in progress),46LoWPAN: Overview, Assumptions, Problem Statement and Goals (draft ietf 6lowpan problem08.txt)(work in progress),5Neighbor Discovery for IP version 6 (draft ietf ipv6 2461bis-04.txt) (work in progress),66LoWPAN Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing (LOAD) (draft daniel 6lowpan load adhoc routing-02.txt),7 LowPan Neighbor Discovery Extensions (draft chakrabarti 6lowpan ipv6 nd-01.txt),谢谢！,