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2015-10-09 14:35:44|  分类: 物联网 |  标签: |举报 |字号 订阅

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        无线传感器网络(wireless sensor networks,WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术,能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。

无线传感器网络简介
          在2000 年12 月,电气和电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineers,IEEE)成立了IEEE802.15.4 工作组。这个工作组致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。ZigBee 正是这种技术的商业化命名,这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过ZigBee 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。在标准化方面, IEEE 802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC 层的协议,其余协议主要参照和采用现有的标准。高层应用、测试和市场推广等方面的工作由ZigBee 联盟负责。ZigBee 联盟成立于2002 年8 月,由英国Inversys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成,如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。ZigBee 联盟官方网址为www.ZigBee.org,目前联盟正式推出了ZigBee 1.2 版的最新规格(ZigBee 2007/Pro)。
         基于ZigBee 技术的无线传感器网络应用在ZigBee 联盟和IEEE 802.15.4 组织的推动下,结合其他无线技术可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有极高的应用价值,而且在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。
        无线传感器网络是由大量体积小、成本低,具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成的,传感器节点一般由传感单元、处理单元、收发单元、电源单元等功能模块组成。除此之外,根据具体应用的需要,可能还会有定位系统、电源再生单元和移动单元等。在无线传感器网络中,大量传感器节点被布置在整个观测区域中,各个传感器节点将所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合后传送给用户,数据传送的过程是通过相邻节点接力传送的方式传送回基站,然后再通过基站以卫星通信或者有线网络连接的方式传送给最终用户。因此,与其他传统的网络相比,无线传感器网络具有如下特性:
? 低功耗
        Zigbee 传输速率低,传输数据量少,信号的收发时间短。在非工作状态下,节点处于睡眠模式。而由睡眠模式启动至工作模式,设备搜索时间仅需45ms。通过上述机制,普通电池就可支持Zigbee 节点运转长达6 个月到2 年左右。
? 自组织网络
        在传感器网络应用中,通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器的位置不能预先精确设定,节点间的相互邻居关系预先也不知道。例如,通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中,或随意放置到人不可到达或者危险的区域。因此就要求传感器节点具有自组织能力,能够自动进行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。
        在传感器使用过程中,部分传感器节点由于能量耗尽或者环境因素造成失效,也有一些节点为了弥补失效节点、增加监控精度而补充到网络中,所以在传感器网络中的节点个数就会动态地增加或者减少,从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。
? 高可扩充性
        在没有协调器的情况下,一个无线传感器网络最多可容纳255 个网络节点。若是有协调器的加入,无线传感器网络最多可扩充到65535 个Zigbee 节点,再加上各个网络协调器相互连接,则可使整个无线传感器网络节点数目变得十分可观。此外,Zigbee 协议提供了数据完整性错误检查,并采用了通用的AES-128 加密算法,从而又具备了高保密性。

IEEE 802.15.4/ZigBee 无线传感器网络通信标准
        ZigBee 技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术,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通信技术。ZigBee 协议规范使用了IEEE 802.15.4 定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层(MAC),并在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架构。本节针对IEEE 802.15.4 标准和ZigBee 协议进行简要介绍,为读者掌握ZigBee 技术基础提供帮助。

IEEE 802.15.4 标准
        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,因此就出现了个人区域网络(personal area network,PAN)和无线个人区域网络(wireless personal area network,WPAN)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。
         IEEE 802.15.4 是IEEE 针对低速率无线个人区域网(low-rate wireless personal area networks,LR-WPAN)制定的无线通信标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标,旨在为个人或者家庭内不同设备之间低速率无线互连提供统一标准。该标准定义的LR-WPAN 网络的特征与无线传感器网络有很多相似之处,很多研究机构把它作为无线传感器网路的通信标准。

IEEE 802.15.4 主要特点
        IEEE 802.15.4 包括用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层两个规范。它能支持消耗功率最少,一般在个人活动空间(10 m 直径或更小)工作的简单器件。IEEE802.15.4 支持两种网络拓扑,即单跳星形或当通信线路超过10 m 时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。LR-WPAN 中的器件既可以使用64 位IEEE 地址,也可以使用在关联过程中指配的16 位短地址。下面将详细介绍IEEE 802.15.4 的主要特点。

? 工作频段和数据速率
         IEEE 802.15.4 工作在工业科学医疗(ISM)频段,它定义了两种物理层,即2.4 GHz 频段和868/915 MHz 频段物理层。两种物理层都基于直接序列扩频(direct sequence spread spectrum,DSSS),使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。免许可证的2.4 GHz ISM 频段全世界都有,而868 MHz 和915 MHz 的ISM 频段分别只在欧洲和北美有。在IEEE 802.15.4 中,总共分配了27 个具有三种速率的信道:在2.4 GHz 频段有16 个速率为250 kbit/s(或62.5 ksymbol/s)的信道,在915 MHz 频段有10 个40kbit/s(或40ksymbol/s)的信道,在868 MHz 频段有1 个20 kbit/s(或20 ksymbol/s)的信道。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。
         ISM 频段全球都有的特点不仅免除了IEEE 802.15.4 器件的频率许可要求,而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。这将减少投资者的风险,与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。在保持简单性的同时,IEEE 802.15.4 还试图提供设计上的灵活性。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。
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 ? 支持简单器件
        IEEE 802.15.4 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在IEEE802.15.4 中定义了14 个物理层基本参数和35 个媒体接入控制层基本参数,总共为49 个,仅为蓝牙的1/3。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在IEEE 802.15.4 中定义了两种器件:全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。对全功能器件,要求它支持所有的49 个基本参数。而对简化功能器件,在最小配置时只要求它支持38 个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话,可以按三种方式工作,即用做个人域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话,仅用于非常简单的应用。
? 信标方式和超帧结构
         IEEE 802.15.4 网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使能方式中,协调器定期广播信标,以达到相关器件同步及其他目的。在非信标使能方式中,协调器不定期地广播信标,而是在器件请求信标时向它单播信标。在信标使能方式中使用超帧结构,超帧结构的格式由协调器来定义,一般包括工作部分和任选的不工作部分。有关信标的技术细节将在MAC层规范中作详细介绍。
? 数据传输和低功耗
        在IEEE 802.15.4 中,有三种不同的数据转移:从器件到协调器;从协调器到器件;在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点,把数据传输分为以下三种方式:
①直接数据传输。直接传输数据适用于以上所有三种数据转移。采用无槽载波检测多址与碰撞避免(CSMA-CA)或开槽CSMA-CA 的数据传输方法,视使用非信标使能方式还是信标使能方式而定。
②间接数据传输。间接传输数据仅适用于从协调器到器件的数据转移。在这种方式中,数据帧由协调器保存在事务处理列表中,等待相应的器件来提取。通过检查来自协调器的信标帧,器件就能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分组。有时,在非信标使能方式中也可能发生间接数据传输。在数据提取过程中也使用无槽CSMA-CA 或开槽CSMA-CA。
③有保证时隙(GTS)数据传输。GTS 数据传输仅适用于器件与其协调器之间的数据转移,既可以从器件到协调器,也可以从协调器到器件。在GTS 数据传输中不需要CSMA-CA。
        低功耗是IEEE 802.15.4 最重要的特点。因为对电池供电的简单器件而言,更换电池的花费往往比器件本身的成本还要高。在有些应用如嵌在汽车轮胎中的气压传感器或高密度布设的大规模传感器网中,更换电池不仅麻烦,而且实际上是不可行的。所以在IEEE 802.15.4 的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制多数是基于信标使能的方式,主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间,或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。
? 安全性
         安全性是IEEE 802.15.4 的另一个重要问题。为了提供灵活性和支持简单器件,IEEE802.15.4 在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全性方式,对于某种应用,如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护,器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全性,器件可以使用接人控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据,在这一级不采取加密措施。第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)的对称密码。AES 可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件,但它不能防止攻击者在通信双方交换密钥时通过窃听来截取对称密钥。为了防止这种攻击,可以采用公钥加密。
? 自配置
         IEEE 802.15.4 在媒体接人控制层中加入了关联和分离功能,以达到支持自配置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星形网,而且还允许创建自配置的对等网。在关联过程中可以实现各种配置,例如为个人域网选择信道和识别符(ID),为器件指配16 位短地址,设定电池寿命延长选项等。

物理层(PHY)规范
         物理层定义了物理无线信道和与MAC 层之间的接口,提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务是从无线物理信道上收发数据,物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
? 无线信道的分配
         IEEE 802.15.4 规范的物理层定义了三个载波频段用于收发数据:868~868.6 MHz、902~928 MHz 和2 400~2 483.5 MHz。在这三个频段上发送数据使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面都存在着一定的差异,其中2 400 MHz 频段的数据传输速率为250 kbit/s,915MHz、868 MHz 分别为40 kbit/s 和20 kbit/s。
        IEEE 802.15.4 规范定义了27 个物理信道,信道编号从0 至26,每个具体的信道对应着一个中心频率,这27 个物理信道覆盖了以上3 个不同的频段。不同的频段所对应的宽度不同,标准规定868 MHz 频段定义了1 个信道(0 号信道);915 MHz 频段定义了10 个信道(1~10 号信道);2 400 MHz 频段定义了16 个信道(11~26 号信道)。这些信道的中心频率定义如下:
F=868.3 MHz k=0
F=906+2(k-1)MHz k=1,2,…,10
F=2405+5(k-11)MHz k=11,12,…,26
         式中:k 为信道编号,F 为信道对应的中心频率。
        通常,ZigBee 硬件设备不能同时兼容两个工作频段,在选择时,应符合当地无线电管理委员会的规定。由于868~868.6 MHz 频段主要用于欧洲,902~928 MHz 频段用于北美,而2 400~2 483.5 MHz 频段可以用于全球,因此在中国所采用的都是2 400 MHz 的工作频段。
? 主要功能与参数
         物理层功能相对简单,主要是在硬件驱动程序的基础上,实现数据传输和物理信道的管理。数据传输包括数据的发送和接收;管理服务包括信道能量监测(energy detect,ED),链接质量指示(Link quality indication,LQI)和空闲信道评估(clear channel assessment,CCA)等,其模型如图1.2.1 所示。其中,RF-SAP 是由驱动程序提供的接口,而PD-SAP 是PHY 层提供给MAC 层的数据服务接口,PLME-SAP 是PHY 层给MAC 层提供的管理服务接口。物理层主要完成:激活/休眠无线收发设备,对当前频道进行能量检测,链接质量指示,为载波检测多址与碰撞避免(CSMA-CA)进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送及接收等。
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         信道能量检测为上层提供信道选择的依据,主要是测量目标信道中接收信号的功率强度。该检测本身不进行解码操作,检测结果为有效信号功率和噪声信号功率之和。
         链路质量指示为上层服务提供接收数据时无线信号的强度和质量信息,它要对检测信号进行解码,生成一个信噪比指标。
          空闲信道评估判断信道是否空闲。IEEE 802.15.4 定义了三种空闲信道评估模式:第一种简单判断信道的信号能量,当信号能量低于某一门限值就认为信道空闲;第二种通过判断无线信号的特征,该特征包含两个方面,即扩频信号特征和载波频率;第三种是前两种模式的综合,同时检测信号强度和信号特征,判断信道是否空闲。
         在PHY 层的有关参数中,有以下四个重要的参数。
A.传输能量(power):约1 mW 的能量;
B.传输中心频率的兼容性即频率稳定度(标识了无线解码器工作频率的稳定程度):约±40ppm(part per million,百万分比);
C.接收器之感度:-85 dBm(2450 MHz),-92 dBm(868/915 MHz),1 %分组差错率(PSDU=20B);
D.接收信号强度指示的测量(RSSI)。
? 调制及扩频
           图1.2.2 描述了2.4 GHz 物理层调制及扩频功能模块。

                                     图1.2.2 2.4 G 物理层调制及扩频功能模块
           2.4 GHz 物理层将数据(PPDU)每字节的低四位与高四位分别映射组成数据符号(symbol),每种数据符号又被映射成32 位伪随机噪声数据码片(chip),见表1.2。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。对偶数序列码片进行同相调制,而对奇数序列码片进行正交调制。  
                                            表1.2 数据符号一数据码片映射表
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           图1.2.3 描述了868/915 MHz 物理层调制与扩频功能模块。868/915 MHz 物理层先将PPDU二进制数据进行差分编码,差分编码是将当前数据位与前一编码位以模为2 异或而成,具体见式(2.1)、(2.2)。经编码的数据位又被映射成15 位伪随机噪声数据码片(chip),如表1.3 所列。数据码片序列采用二相的相移键控技术(BPSK)调制。
            
图1.2.3 868/915 MHz 物理层调制与扩频功能模块
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? PPDU 格式
         PPDU 报文数据由用于数据流同步的同步头(SHR)、含有帧长度信息的物理层报头(PHR)以及承载有MAC 帧数据的净荷组成。具体结构如表1.4 所列。
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            表1.4 中前同步码域用来为后续数据的收发提供码片或数据符号的同步;帧定界符用来标识同步域的结束及报文数据的开始;帧长度域用7 bit 定义物理层净荷的字节数;物理层数据域长度根据情况可变(长度为5 字节或大于7 字节),承载了物理层报文数据,包含有MAC 层数据帧。

媒体介质访问层(MAC)规范
          MAC 层提供两种服务:MAC 层数据服务和MAC 层管理服务。前者保证MAC 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发,而后者从事MAC 层的管理活动,并维护一个信息数据库。
         IEEE 802.15.4 定义的MAC 层协议,提供数据传输服务(MCPS)和管理服务(MLME),其逻辑模型如图1.2.4 所示。其中,PD-SAP 是PHY 层提供给MAC 的数据服务接口;PLME-SAP 是PHY层给MAC 层提供的管理服务接口;MLME-SAP 是由MAC 层提供给网络层的管理服务接口,MCPS-SAP是MAC 层提供给网络层的数据服务接口;MAC 层的数据传输服务主要是实现MAC 数据帧的传输;MAC 层的管理服务主要有信道的访问,PAN 的开始和维护,节点加入和退出PAN、设备间的同步实现、传输事务管理等。
MAC 层的主要功能包括如下7 个方面:
①网络协调者产生并发送信标帧(beacon);
②设备与信标同步;
③支持RAN 网络的关联(association)和取消关联(disassociation)操作;
④为设备的安全性提供支持;
⑤信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问(CSMA-CA)机制;
⑥处理和维护保护时隙(GTS)机制;
⑦在两个对等的MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。
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图1.2.4 MAC 层参考模型
          关联操作是指一个设备在加入一个特定网络对,向协调器注册以及身份认证的过程。LR-WPAN 网络中的设备有可能从一个网络切换到另外一个网络,这时就需要进行关联和取消关联操作。
         时槽保障机制和时分复用(time division multiple access,TDMA)机制相似,但它可以动态地为有收发请求的设备分配时槽。使用时槽保障机制需要设备间的时间同步,IEEE 802.15.4 中的时间同步通过“超帧”机制实现。

         IEEE 802.15.4 基本上是应用类似IEEE 802.11 的CSMA/CA 方式竞争沟通,其中可以分为有信标网络(beacon-enabled network)与无信标网络(nonbeacon-enabled network)。无信标网络的协调器(coordinator)一直处在听的状态,在装置要回传信息时会先彼此竞争,等通知协调器后,再传送资料给协调器。而有信标网络中,含有超帧(superframe)的结构,其固定将包含信标及超帧分为16 个时隙slots),超帧持续时间(superframe duration)与信标间距(beaconinterval)依照协调器使用信标级数(beacon order,BO)及超帧级数(superframe order,SO)来控制,彼此关系是O≤SO≤BO≤14,如此可限制超帧持续时间会小于等于信标间距;协调器发送信标,除了用作同步化外,也包含网络相关信息等;超帧以有无使用保证时隙(guaranteed time slots)来区别,有保证时隙的超帧可分成两部分,一是竞争存取周期(contention accessperiod,CAP),二是无竞争周期(contention free period,CFP),而无保证时隙的超帧则全都是CAP。如此可限制超帧持续时间会小于等于信标间距;协调器发送信标,除了用作同步化外,也包含网络相关信息等;超帧以有无使用保证时隙(guaranteed timeslots)来区别,有保证时隙的超帧可分成两部分,一是竞争存取周期(contention access period,CAP)。二是无竞争周期(contention free period,CFP),而无保证时隙的超帧则全都是CAP。

? 超帧结构
         超帧结构(super frame structure)在IEEE 802.15.4 LR-WPAN 是属于选择使用的部分。其格式是由网络中的协调器(coordinator)来定义,而超帧结构的大小边界是由网路中的信标所设定,一个超帧结构包括了16 个相同大小的时隙。在网络中的任何设备要做通信时,会在竞争存取周期(contention access period,CAP)采用slotted CSMA/CA mechanism 去对频道做竞争。
        超帧结构(superframe structure)还包含了另一部分叫做无竞争周期(contention free period,CFP),在这部分我们叫做保证时隙(guaranteed timeslots,GTSs),采用预先请求的方式,让在CFP 中配置到GTS 的设备可以不用竞争就可以直接传送。图1.2.5 为无保证时隙超帧结构。
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? 数据传送模式
        在IEEE 802.15.4 的数据传送模式里,存在有三种方式。一是终端器件传送数据到协调器,二是协调器传出数据到终端器件,三是在两对等器件间传送数据。在星形网络中,仅有前两种方式,既数据交换只在协调器与终端器件间进行。而在对等网结构中,所有三种方式均有可能,既数据交换可在任两器件间进行。

(1) 数据传送到协调器
         在信标使能方式(beacon-enable network)中,器件必须先去取得信标(beacon)来与协调器同步,之后使用开槽载波检测多址与碰撞避免slotted CSMA/CA)方式传送资料。在非信标使能方式(non beacon-enable network)中,器件简单的利用无槽载波检测多址与碰撞避免(unlotted CSMA/CA)来传送资料。数据传送到协调器的流程如图1.2.6 所示。

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(2) 数据从协调器传出
         在信标使能方式中,协调器会利用信标中的字段来告知有资料要传送。而终端器件则是周期性的监昕信标,如果自己是协调器传送对象,则该器件利用开槽载波检测多址与碰撞避免(slotted CSMA/CA)将MAC 命令请求控制信息传给协调器。
         在非信标使能方式中,终端器件利用无槽载波检测多址与碰撞避免(unslotted CSMA/CA)传送MAC 命令请求控制信息给协调器,若协调器有数据要传送,则利用Unslotted CSMA/CA 方式将资料给送出。数据从协调器传出的流程如图1.2.7 所示。








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