关于zigbee协议栈各层的系统分析

　　随着传感器网络的大肆应用；随着物联网概念的爆发；随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围内通信的要求，这样就出现了个人区域网络PAN（Personal Area Network）和无线个人区域网络WPAN（Wireless Personal Area Network）的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使他们可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。

　　2001年8月成立的zigbee联盟就是一个针对WPAN网络而成立的产业联盟。该联盟致力于近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术。他们开发的技术被称为zigbee技术，该技术希望被部署到商用电子、住宅及建筑自动化、工业设备监测、PC外设、医疗传感设备、玩具以及游戏等其他无线传感和控制领域当中。

　　1.1 IEEE802.15.4标准

　　zigbee联盟已于2005年6月27日公布了第一份zigbee规范"zigbee SpecificaTIon V1.0"。这标准定义了在IEEE 802.15.4-2003物理层和标准媒体接入控制层上的网络层及支持的应用服务。zigbee联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构。

　　1.1.1 IEEE802.15.4协议框架

　　IEEE802.15.4标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点SAP（Service Access Point）为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。

　　IEEE 802.15.4标准堆栈架构是在OSI七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要定义了，如图2-1。其中，IEEE 802.15.4标准定义了底层：物理层PHY（Physical Layer）和媒体访问控制子层MAC（Medium Access Control Sub-Layer）层。zigbee联盟在此基础上定义了网络层NWK（Network Layer），应用层APL（ApplicaTIon Layer）架构。其中应用层包括应用支持子层APS（ApplicaTIon Support Sub-Layer），应用框架AF（ApplicaTIon Framework），zigbee设备对象ZDO（zigbee Device Objects）以及用户定义应用对象（Manufacturer-Defined Application Objects ）。［16］

　　IEEE 802.15.4工作在工业科学医疗ISM（Industrial、Scientific and Medical）频段，定义了两个物理层PHY，分别工作在两个频段上：868/915 MHz和2.4GHz。其中低频段物理层覆盖了868MHz的欧洲频段和915MHz的美国与澳大利亚等国的频段。高频段2.4GHz则全球通用。

　　IEEE 802.15.4 MAC层采用避免冲突多载波信道接入CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式，主要负责传输信标帧，同步以及提供可信赖的传输机制。

　　1.1.2 网络节点类型

　　在W-PAN中有三种网络角色：PAN网络协调器、协调器和设备。这三种角色在IEEE 802.15.4规范中分别对应zigbee协调器ZC（zigbee Coordinator）、zigbee路由器ZR（zigbee Router）和终端设备ZED（zigbee End Device）。

　　协调器和路由器只能是全功能器件FFD。一个PAN的网络中，至少要有一个全功能器件成网络的协调器，它可以看作是一个PAN的网关节点（SINK节点），它是网络建立的起点，负责PAN网络的初始化，确定PAN的ID号和PAN操作的物理信道并统筹短地址分配，充当信任中心和储存安全密钥，与其他网络的连接等。协调器在加入网络之后获得一定的短地址空间。这个空间内，他有能力允许其他节点加入网络，并分配短地址。当然协调器还具备路由和数据转发的功能。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有一个唯一的64位IEEE长地址，该地址可以在PAN中用于直接通信。或者当所有设备之间都已经存在连接时，可以将其转变为16位的网络短地址分配给PAN设备。因此在设备发起连接时采用的是64位的长地址，只有连接成功后，系统分配了PAN的标志符后，才能采用16位的短地址来通信。路由器可以只运行一个存放有路由协议的精简协议栈，负责网络数据的路由，实现数据中转功能。

　　在网络中最基本的节点就是终端节点ZED，一个终端节点可以是全功能器件FFD或者是精简功能器件RFD。

　　1.2.1 IEEE 802.15.4

　　IEEE802.15.4包括用于低速无线个人域网LR-WPAN的物理层PHY和媒体接入控制层MAC两个规范。图2-4给出了IEEE 802.15.4的分层参考模型。

　　1.2.1.1 IEEE 802.15.4 PHY层

　　物理层的作用主要是利用物理介质为数据链路层提供物理连接，负责处理数

　　据传输率并架空数据出错率，以便透明低传送比特流。zigbee协议的物理层主要负责以下任务：

（1）启动