ZIGBEE无线智能信息处理的LED路灯控制系统设计与开发(13)
5.3.1 物理层概述
不同的国家地区提供不同的 ZigBee 工作频率，通信频率由物理层来规范。IEEE802.15.4 工作组在 ISM(工业科学医疗)频段，定义了 2.4 GHz 和 868/915 MHz 两个工作频段，对应各自的物理层标准，它们的物理层数据包格式相同，都是基于直接序列扩频(DSSS)技术，不同之处在于工作频率、传输速率和扩频码片的长度。并且数据发送时使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面都存在着不同。在 IEEE 802.15.4中，分配了 27 个具有 3 种速率的信道：2.4 GHz 频段上有 16 个速率为 250kb/s 的信道(信道 11-26)，915 MHz 频段上有 10 个 40 kb/s 的信道(信道 1-10)，868 MHz 频段上有1 个 20 kb/s 的信道(信道 0)[7,20,24]。这些信道的中心频率按如下定义(k 为信道数)：
Fc=868.3MHz，(k=0)
Fc=906MHz+2(k-1)MHz，(k=1，2……10)
Fc=2405MHz+5(k-11)MHz，(k=11，12……26)
一个 IEEE802.15.4 可以根据 ISM 频段可用性和数据速率在 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。三个频段的异同点如表 3-1 所示：
表5- 1 物理层三个频段的比较
Table5- 1 PHY layer comparison of three band
5.3.2 物理层规范
通过射频硬件，物理层提供了一个从 MAC 层到物理层无线信道的接口。物理层模型图如图 3-4 所示：
图5- 4 物理层（PHY）参考模型
Fig.5- 4 PHY layer reference model
如上图所示，物理层中有数据服务接入点(PD-SAP)和管理实体服务接入点(PLME-SAP)两个 SAP。通过 PD-SAP 和 PLME-SAP 接入点分别为物理层数据提供服务和提供管理服务，管理服务主要是指为层管理函数的调用提供管理服务接口。PLME还负责文护物理层的 PAN 信息数据库(PAN Information Bas，PIB) 。
物理层的主要功能是硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理。其主要完成：激活/休眠无线收发器，信道能量检测(Energy Detect)，为载波检测多址与碰撞避免（CSMA-CA）、进行空闲频道评估（Clear ChannelAssessment，CCA）、频道的选择、数据的发送及接收，检测接收数据包的链路质量指示（Link QualityIndication，LQI）[7]。
信道能量检测：为上层提供信道的选择，主要是测量检测目标信道中接收信号的功率强度。该检测本身并不进行解码操作，检测结果为噪声信号的功率和有效信号的功率之和。
链路质量指示：为上层服务提供数据接收时无线信号的强度和质量信息，它对检测信号进行解码操作，并生成一个信噪比指标。
空闲信道评估：判断信道是否处于空闲状态。IEEE 802.15.4 定义了三种空闲信道评估模式：一是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；二是通过判断无线信号的特征，该特征包括两方面，即扩频信号特征和载波频率；三是前两者的综合，同时检测信号强度和无线信号特征[7]。
5.3.3 物理层数据帧格式
物理层的协议数据单元（PPDU）有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 帧数据的载荷组成。具体格式图表 3-2所示。
表5- 2 物理层协议数据单元格式
Table5- 2 PHY layer protocol data unit format
表中前同步码域作用是为后续数据的收发提供数据符号或码片的同步；帧定界符作用为表示同步头域的结束及报文数据的开始；7bit 的帧长度域用来指定物理层净荷的字节数，1bit的保留数据为了使得物理层报头形成完整的一个字节。物理层数据域长度根据情况可变（5 或 7 字节），承载了物理层报文数据，包含有 MAC 层的数据帧。