1、无线网络技术,主讲：袁俊岭 电话：158-3815-5183 邮箱：,缩略语,层名称 PHY: Physical layer MAC: Medium Access Control (layer) NWK: Network layer APL: Application Layer APS: Application Support Sub-layer ZDO: Zigbee Device Object 其它 SAP: Service Access Point DE: Data Entity. 例如：MLDE, NLDE, APSDE ME: Management Entity. 例如： PLME,
2、 MLME, NLME, APSME PD: PHY Data,ZigBee物理层,提 纲,802.15.4 物理层 基带处理802.15.4 物理层 无线电规格802.15.4 物理层 功能,基带处理工作频段,工作频段 欧洲：868MHz 868868.6 0.6MHz 北美：915MHz 902928 26MHz 全球：2.4GHz 2.42.4835 83.5MHz,基带处理工作频段,频段比较 2.4 GHz的物理层通过采用高阶调制技术有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。 由于868 MHz和915 MHz这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对
3、接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。 现在市场上应用大多数是2.4 GHz频段。,基带处理工作频段,共27个物理信道，信道编号从0到26： 915MHz 2MHz 中心频率：906, 908, ， 924 2.4GHz 5MHz 中心频率：2405, 2410，2480,基带处理物理层帧结构,两种数据单元 服务数据单元SDU：Service Data Unit 进入每个子层未被处理的数据称为服务数据单元 协议数据单元PDU：Protocol Data Unit 经过子层处理后形成特定格式的数据被称为协议数据单元 顺序 NSDUNPDUMSDUMPDU
4、PSDUPPDU,基带处理物理层帧结构,PPDU报文数据 同步头(SHR)：用于数据流同步 物理层报头(PHR)：含有帧长度信息 净荷：承载MAC帧数据,基带处理物理层帧结构,同步头(SHR)：包含前导字段和帧起始符。 前导字段：长度为32bit都是“0”，进行码片同步和符号同步。 帧起始符：表明了同步头的结尾以及真正的物理层帧头的开始，长度为1字节，从低位到高位分别设置为“1,1,1,0, 0,1,0,1”，可以用于帧同步，即找到物理层帧真正的起始位置。,基带处理物理层帧结构,物理层帧头 1字节，其中低7bit用于表示物理层帧的长度，剩下1bit预留位； 物理层净荷 即物理层服务数据单元PS
5、DU，最大为127字节； 整个物理层帧又称为物理层协议数据单元（PPDU）,基带处理调制方式,物理层帧形成之后会按照发送顺序（从低位到高位，从左往右）进行发射端的基带处理； 3个频段采用不同的调制方式： 868915MHz：差分编码比特码片变换BPSK调制 2.4 GHz：比特符号变换符号码片变换O-QPSK调制,基带处理调制方式,2.4GHz的调制方式 将数据每个字节的低四位与高四位分别映射组成数据符号； 每种数据符号又被映射成32位伪随机噪声数据码片； 数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术(O-QPSK)调制。,2.4 GHz物理层帧数据比特的原始速率为250kbit/s,
6、经过直接序列扩频后码片速率变成2Mchip/s;,基带处理调制方式,802.15.4 调制技术 2003版 868BPSK： 20kbps 915BPSK： 40kbps 2400O-QPSK：250Kbps 2006版：868/915频段增加两种调制技术 868ASK： 250kbps 915ASK： 250kbps 868O-QPSK：100kbps 915O-QPSK：250kbps,基带处理调制方式,信道页（Channel Page） 0：采用2003版物理层 1：868/915采用ASK物理层 2：868/915采用O-QPSK物理层 缩写 BPSK 二进制相移键控 O-QPSK 偏
7、移四进制相移键控 ASK 幅移键控,基带处理调制方式,一个IEEE 802.15.4网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道。 从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。 例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250 kbit/s； 而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20 kbit/s这样的低速率就能满足要求。,提 纲,802.15.4 物理层 基带处理802.15.4 物理层 无线电规格802.15.4 物理层 功能,无线电规格,接收机灵敏度 无线电发射机输出的射频信号通过馈线输送到天线，由天线以电磁波的形式
8、辐射出去。 电磁波到达接收地点后，接收天线接收的仅仅是很小很小一部分功率，并通过馈线送到无线电接收机。 因此，在无线网络工程中，发射装置的发射功率与接收机的灵敏度的设计就显得非常重要。,无线电规格,接收机灵敏度 接收机灵敏度定义了接收机可以接收到的并仍能正常工作的最低信号强度。 如果接收机接收到的信号功率等于或大于接收机灵敏度的接收功率，则接收机能正确地提取发射信号中所包含的信息。 如果接收功率小于灵敏度电平，那么所提取的信息质量就达不到要求。 接收机灵敏度是一个功率电平，通常用dBm表示（一般是一个较大的负dBm数）。 比如：GSM的接收灵敏度为-102dBm，一般系统接收到的信号电平低于-
9、100dbm就已经不能正常通话了。,无线电规格,什么是dB? 什么是dBm?,无线电规格,dB 是一个纯计数单位: dB的意义:就是把一个很大（后面跟一长串0的）或者很小（前面有一长串0的）的数比较简短地表示出来。 10lg() 如： X=1000000000000000 （共15个0) 10lgX=150dB X=0.000000000000001 10lgX=-150 dB,无线电规格,dB是一个表征相对值的值; 当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，可按下面计算公式：10lg（甲功率/乙功率） 例如： 甲功率比乙功率大一倍，那么 10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB 也
10、就是说，甲的功率比乙的功率大3 dB。,无线电规格,dBm是一个表示功率绝对值的单位； 计算公式为：10 lg功率值/1mW。 例如： （1）如果发射功率为1mW，按dBm单位进行折算后的值应为： 10 lg 1mW/1mW = 0dBm； （2）对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为： 10lg(40W/1mw)=10lg(40000） =10lg(4*104)=40+10*lg4=46dBm。,无线电规格,注意： 用一个dBm 减另外一个dBm时，得到的结果是dB。 如：30dBm - 0dBm = 30dB。 CC2530数据手册可见 接收机灵敏度典型值为-97dBm (BER
11、=10-2) 误比特率BER：是指发生差错的比特数在传输总比特数中所占的比例。,无线电规格,802.15.4标准规定 2.4GHz射频的最低接收器灵敏度为-85dBm 868MHz和900MHz为-92dBm。 802.15.4的所有供应商都已经超过这个标准，接收机灵敏度在-90dBm至-100dBm之间。 尽管10dBm看上去差别并不大，但是对作用范围和系统成本影响很大。,无线电规格,无线电波的发射功率 是指在给定频段范围内的能量。 通常有两种表示方法； 功率（W）：例如WiFi无线网卡的发射功率通常为0.036W； 增益（dBm）：相对于1毫瓦而言。 注意： 实验中采用的CC2530提供的
12、无线电波的发射功率为-3dBm、0dBm、4dBm三种，分别表示多少瓦？,无线电规格,发射机功率:0.05W 接收机灵敏度：-85dbm,无线电规格,时钟精度PPM ppm是英文part per million的缩写，表示百万分之几,既然PPM是代表百万分之一，代表误差（精度)。 PPM等级分为0.1PPM，0.5PPM，1PPM，2PPM，5PPM，10PPM，20PPM，30PPM，50PPM，100PPM，200PPM 举例：若晶振的精度是10PPM，那么我们可以计算出一块手表一天的时间误差有多少？ 10(ppm)24(一天24小时）60（一小时60分钟）60（一分钟60秒）=86400
13、0*1/1000000=0.864S 即每日的误差不超过0.864秒,误差已经算很大的了,以此类推,精度值越大,时间误差越大 时钟精度要求高于40ppm,无线电规格,转换时间 发射到接收的转换时间：从发射完物理层帧的最后一个码片结尾到接收到物理层帧的第一个码片开头所需要的最短时间； 接收到发射的转换时间：从接收完物理层帧的最后一个码片结尾到发射到物理层帧的第一个码片开头所需要的最短时间。,无线电规格,具体标准规格 发射功率：只规定了至少可以有-3dBm的发射功率，而最大发射功率通常遵循各地无线电法规的规定； 接收机灵敏度：802.15.4标准规定2.4GHz射频的最低接收器灵敏度为-85dBm
14、，900MHz为-92dBm。 芯片时钟：2.4GHz频段的符号速率为62.5千符号/秒，对芯片时钟的精度要求是40ppm，即每日的误差不超过3.456秒。 转换时间：发射到接收和接收到发射的转换时间均不能超过aTurnaroundTime常数所规定的时间，即12个符号的时间，并且前者必须不能超过后者。,提 纲,802.15.4 物理层 基带处理802.15.4 物理层 无线电规格802.15.4 物理层 功能,物理层功能,物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。 物理层数据收发 物理层测量 收发机状态设置 物理层属性管理,物理层功能数据收发,物理层
15、数据收发：指无线物理信道上收发数据。 发送方 MAC层通过PD-DATA.request原语请求物理层发送数据，物理层形成数据帧并发送出去，在发送成功之后或者无法发送数据帧时，物理层给MAC层返回一个PD-DATA.confirm原语，表示发送是否成功的状态。 接收方 在收到数据帧后物理层经过处理后，通过PD-DATA.indication原语把收到的数据传送给MAC层。,物理层功能数据收发,服务原语 用户和协议实体间的接口,实际上是一段程序代码，由若干条指令组成，用于完成一定功能的一个过程。但其具有不可分割性。 通过服务原语能实现服务用户和服务提供者间的交流。 与协议不同的是，服务原语用于服
16、务提供者与服务用户，而协议是用于服务用户之间的通信。,四种类型的原语 Request：请求原语用于上层向本层请求指定的服务。 Confirm：确认原语本层用于响应上层发出的请求原语。 Indication：指示原语由本层发给上层用来指示本层的某一内部事件。 Response：响应原语用于上层响应本层发出的指示原语。,本文中原语遵循了“SAP名称-原语功能原语类型”的书写规则。 如：“MLME-ASSOCIATErequest”表示MLME-SAP上提供的关联请求原语。,物理层功能数据收发,数据收发相关原语 PD-DATA.request的参数包括 要发送的数据的长度psduLength(必须小
17、于等于127字节) 要发送的数据psdu。,图 物理层数据收发过程,物理层功能数据收发,PD-DATA.confirm参数只有一个 发送数据的状态status SUCCESS（ox07）发送成功 BUSY-TX（0x02）发送时发射机正在发送RX-ON（0x06）接收机正打开（接收时不能发送） TRX-OFF（0x08）发送时收发机正关闭 后3种均是失败状态，发射机丢弃要发送的数据； PD-DATA.indication的参数包括 接收数据的长度psduLength 接收到的数据psdu 接收数据链路的质量ppduLinkQuality(即后面物理层测量要讲到的LQI,物理层功能物理层检测,物
18、理层的测量 主要是为了给高层协议操作提供参考依据，包括 对接收数据信号质量的测量 信道的能量水平检测 空闲信道评估,物理层功能物理层检测,接收数据信号质量的测量 是指对接收数据的能量、信噪比，或者两者相结合的测量，其测量结果用1字节的数值表示，称为链路质量指示（Link Quality Indication，LQI）； 对于每一个接收的数据帧都要进行LQI的测量，并且通过PD-DATA.indicaton原语把其结果告诉MAC层。 需要对检测信号解码。 标准中并没有具体规定LQI的值所具体对应怎样的信号质量，只是规定0x00和0xff分别对应接收机检测到的信号最低质量和最高质量的水平，而其余的
19、值在0x00和0xff之间均匀分布，而且至少有8个有意义的LQI的值。,物理层功能物理层检测,信道能量水平测量（Energy Detection，ED） 指接收机对指定信道的能量（功率强度）进行检测，检测本身并不进行解码操作，检测结果为有效信号功率和噪声功率以及包括其他设备发送的干扰等信号的功率； 此检测结果可以用于高层评估信道的质量，从而进行信道选择等操作； 检测时持续的时间至少为8个符号的时间，检测值用1字节表示，从0x00到0xff，其中0x00表示接收能量低于接收机灵敏度加10dB的水平。,物理层功能物理层检测,物理层能量检测过程 MAC层通过PLME-ED.request原语请求物理
20、层进行能量检测，该原语不带任何参数； 物理层把能量检测的结果通过PLME-ED. confirm原语告诉MAC层，这个原语的参数包括检测的状态status，以及检测能量水平EnergyLevel。 如果正常进行检测则返回状态SUCCESS能量水平的值设置为检测的能量 否则返回异常状态，TRX-OFF表示收发机关闭，因此不能进行检测；TX-ON表示发射机打开不能进行检测，这两种状态下所检测能量的值都没有意义。,物理层功能物理层检测,空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA） 空闲信道评估与能量检测相似，但其功能更复杂，其目的是估计特定信道是否空闲，该功能可用于MAC
21、层信道接入算法，在后面的信道接入中会介绍。,物理层功能物理层检测,空闲信道评估过程 MAC层通过PLME-CCA.request原语要求物理层对信道进行空闲评估，该原语不带有任何参数； 物理层进行空闲信道评估后，通过PLME-CCA.confirm原语把结果返回给MAC层，该原语的参数为信道状态值status 表示信道是忙BUSY还是空闲IDLE，或者表示收发机为关闭TRX-OFF状态而无法进行信道评估。,图 物理层空闲信道评估,物理层功能物理层检测,对信道的空闲状态进行评估，可以采用3种不同的方式： 方式1：只检测能量，如果检测信道的能量超过所设定的门限值就认为该信道忙，该门限值至少超过接收
22、机灵敏度10dB； 方式2：仅检测信道中是否存在遵循IEEE 802.15.4的信号，即如果检测到就认为该信道忙； 方式3：既检测能量，又检测信道是否存在遵循IEEE 802.15.4的信号，如果检测到IEEE 802.15.4的信号，并且其能量超过所设定的门限时，则认为该信道忙。 具体采用哪种方式根据物理层属性phyCCAMode的值决定，该值从13分别表示第一到第三种方式。无论哪种方式，信道评估的检测时间持续8个符号时隙。,物理层功能收发机状态设置,收发机状态设置 IEEE 802.15.4的收发机实际上是半双工的，即不能同时进行信号发送和接收，因此收发机可能的状态有3种： 发送状态 接收
23、状态 收发机关闭状态 物理层提供原语让MAC层可以控制收发机的状态。,物理层功能收发机状态设置,收发机状态设置过程 MAC层在PLME-SET-TRX-STATE.request原语当中设置状态参数status RX-ON(接收机打开) TRX-OFF(收发机关闭) FORCE_TRX-OFF(强制设置收发机关闭) TX-ON(发射机打开) 物理层通过PLME-SET-TRX-STATE.confirm原语告诉MAC层目前的状态 SUCCESS表示设置成功 RX_ON、TRX_OFF或者TX_ON表示收发机原来已经跟所设置的状态一样,图 收发机状态设置,物理层功能收发机状态设置,注意： 如果正
24、在接收数据（检测到同步头）而又要设置收发机关闭，那么会等到数据都接收完才会改变状态; 而设置FORCE_TRX-OFF状态则不管收发机目前处于何种状态，都直接关闭收发机。,物理层功能物理层属性管理,物理层属性管理 每个协议层都会有一些内部的属性，物理层也一样，如空闲信道评估模式phyCCAMode等； 为了管理这些属性，每个协议层通常会提供一些原语，其中最基本的是读取属性和设置属性的原语。,物理层功能物理层属性管理,物理层属性读取 MAC层通过PLME-GET.request原语读取物理层属性的值 参数PIBAttribute表示属性的标识。 物理层通过PLME-GET.confirm原语把读
25、取的物理层属性告诉MAC层，包括3个参数 参数status表示操作的状态，SUCCESS表示读取成功，UNSUPPORTED_ ATTRIBUTE表示要读取的属性不支持。 参数PIBAttribute表示读取的属性的标识。 参数PIBAttributeValue表示读取的属性的值，如果读取的属性不支持，则这个参数长度为0。,图 物理层属性读取,物理层功能物理层属性管理,物理层属性设置 MAC层通过PLME-SET.request原语设置物理层属性的值 参数PIBAttribute表示属性的标识； 参数PIBAttributeValue表示设置的属性值。 物理层通过PLME-SET.confirm原语把返回设置操作的结果，包括3个参数 参数status表示操作的状态 SUCCESS表示设置成功 UNSUPPORTED_ ATTRIBUTE表示属性不支持 INVALID_PARAMETER表示设置的值超出合法范围 READ_ONLY表示属性是只读的，不能被设置。 参数PIBAttribute表示读取的属性的标识。,图 物理层属性设置,The End!,
