基于ZigBee協(xié)議棧的PHY服務(wù)研究

引 言

ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和開(kāi)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(duì)于組建低功耗、低數(shù)據(jù)率的無(wú)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IEEE802.15.4 中描述的低速率無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)，在其定義的物理（PHY）層和媒體訪問(wèn)控制（MAC）層基礎(chǔ)上制定的一種低速無(wú)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(wèn)控制（MAC）層是按照 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來(lái)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 2.4GHz物理 層和868/9l5MHz物理層兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)， 數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250kb/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(jiǎn)稱(chēng)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(zhǎng)度和傳輸速率方面有所區(qū)別。2.4GHz 頻段申請(qǐng)的ISM頻段在全球范圍內(nèi)無(wú)需統(tǒng)一申請(qǐng)，有利于ZigBee設(shè)備降低生產(chǎn)成本和市場(chǎng)推廣；另外通過(guò)采用高階調(diào)制可以達(dá)到 250kb/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 868MHz，美國(guó)的ISM頻段是 915MHz，引入868MHz及 915MHz這兩個(gè)頻段可以使2.4 GHz 附近的無(wú)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(wú)線信號(hào)傳輸過(guò)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(lèi)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(chēng)為物理層管理實(shí)體（PLME）的管理實(shí)體，通過(guò)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（成功或失敗）。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。

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(duì)象（ZDO）或應(yīng)用支持子層應(yīng)用對(duì)象產(chǎn)生。在傳輸過(guò)程中，每一層都對(duì)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(chēng)命名。在 APS 層和NWK層，數(shù)據(jù)單元分別被稱(chēng)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(guò)射頻傳輸?shù)?PHY 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(cè)（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(cè)來(lái)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(cè)結(jié)果的依據(jù)，其檢測(cè)過(guò)程沒(méi)有進(jìn)行解碼操作。而鏈路質(zhì)量指示對(duì)檢測(cè)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(wú)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(yǔ)的概念來(lái)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(guò)在層與層之間調(diào)用函數(shù)或傳遞原語(yǔ)來(lái)管理的。服務(wù)原語(yǔ)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(lái)指定需要傳遞的信息來(lái)完成。服務(wù)原語(yǔ)與具體的服務(wù)實(shí)現(xiàn)無(wú)關(guān)，服務(wù)原語(yǔ)有請(qǐng)求、通知、響應(yīng)、確認(rèn)4 種情況[4]，具體如下：

(1) 請(qǐng)求（request）原語(yǔ)。請(qǐng)求原語(yǔ)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)請(qǐng)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(qǐng)求啟動(dòng)某一項(xiàng)服務(wù)。

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

(3) 響應(yīng)（response）原語(yǔ)。響應(yīng)原語(yǔ)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(yǔ)啟動(dòng)的程序。

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

在多用戶存在的網(wǎng)絡(luò)中，服務(wù)原語(yǔ)交換過(guò)程是兩個(gè)對(duì)等的用戶通過(guò)服務(wù)提供層交換信息，它們通過(guò)原語(yǔ)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(guò)發(fā)送服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)事件的。協(xié)議使用服務(wù)原語(yǔ)來(lái)描述每一層的功能。每個(gè)原語(yǔ)指定要執(zhí)行的操作或者提供之前請(qǐng)求的操作結(jié)果。一個(gè)原語(yǔ)也可能攜帶執(zhí)行其任務(wù)所需的參數(shù)。如圖 2 所示。

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(qǐng)求（PD-Data. Request）原語(yǔ)由MAC 層產(chǎn)生，并傳遞給 PHY 層，以請(qǐng)求傳輸一個(gè) MPDU。通知原語(yǔ)由第 N 層產(chǎn)生給其上一層，表明產(chǎn)生了一個(gè)對(duì)第 N+1 層很重要的事件。當(dāng)PHY 接收來(lái)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(yǔ)來(lái)傳送數(shù)據(jù)信息給MAC 層。

如果通知原語(yǔ)需要一個(gè)響應(yīng)，則響應(yīng)原語(yǔ)從 N+l 層傳送到第 N 層。PHY 層和 NWK 層沒(méi)有任何響應(yīng)原語(yǔ)。MAC 層和APL 層包含響應(yīng)原語(yǔ)。第 N 層使用確認(rèn)原語(yǔ)向第 N+1 層確認(rèn)其傳遞的請(qǐng)求原語(yǔ)已經(jīng)完成。PD-Data 的確認(rèn)原語(yǔ)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(qǐng)求原語(yǔ)。在確認(rèn)時(shí)，PHY 層通知MAC 層傳輸是否成功。

4 結(jié) 語(yǔ)

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(duì) ZigBee 在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要的基礎(chǔ)意義。