基于ZigBee技术的无线传感网系统在环境监测中的应用技术--组网技术研究(4)
IEEE802.15.4/ZigBee协议采用分层结构。每一层都包括数据实体和管理实体两种服务实体，并且为其上一层提供一套明确的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供其他所有的服务。每个服务实体都通过服务接入点(Service Access Point，SAP)为上层提供一个接口，每个服务接入点都提供一定数量的服务原语命令来实现所需功能。服务原语是一个抽象的概念，仅仅表示提供的服务内容，没有指明服务的提供者。由代表其特点的服务原语和参数的描述来指定一
种服务，一种服务可能有一个或多个相关的原语，这些原语构成了与具体服务相关的执行命令。原语通常有4类：请求原语、响应原语、指示原语、确认原语。
图2-1 IEEE802.15.4／ZigBee协议结构示意图
2．2 ZigBee网络各层功能概述
2.2.1 物理层
ZigBee物理层定义了2．4GHz与868MHz，915MHz三种使用频段，其中2.4GHz为全球通用无需申请的ISM(工业，科学和医学)频段，被划分为16个信道，数据传输率为250kbps；915MHz为美国免申请ISM频段，分10个信道，数据传输率为40kbps；868MHZ为欧洲标准免申请ISM频段，分1个信道，数据传输率为20kbps。以上频段的数据传输都采用直序扩频技术(Direct Sequence Spread Spectrum)，不同的是：前一种使用的是16进制的正交调制(O-QPSK)方式，扩频使用码片长度为8的伪随机码：后两种则使用差分编码的二进制移相键控(BPSK)调制方式，扩频使用码片长度为15的序列。各个具体频段的频率范围和使用地区如表2-1所示。
表2-1国家和地区ZigBee频率工作范围
ZigBee物理层还定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，并提供两种服务：物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务实现了物理层协议数据单元(PHY Protocol Data Unit，PPDU)在物理信道上的发送和接收。物理层管理实体(PHY LayerManagement Entity，PLME)提供物理层管理服务，定义了物理层管理功能得以执行的一些接口，同时，还负责文护物理层的个域网信息库(PAN Information Base，PIB)。物理层的结构模型如图2-2所示。
图2-2物理层结构模型
ZigBee物理层数据服务有以下几个方面的功能：
(1)激活和休眠射频收发器；
(2)信道能量检测(Energy Detect，ED)；
(3)空闲信道评估(Clear Channel Assessment，CCA)；
(4)检测接收数据帧的链路质量情况(Link Quality Indication，LQI)；
(5)过滤噪声；
(6)收发数据；
(7)多信道的选择。
2.2.2 MAC层
ZigBee媒体接入控制子层的作用是实现协议高层与物理层之间的相互通信，提供点对点通信的服务接入点。MAC子层包括MAC子层数据实体(MAC Sublayer Data Entity，MLDE)和MAC子层管理实体(MAC Sublayer Management Entity，MLME)。前者保证MAC子层协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者文护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。MAC层的结构模型如图2-3所示。
图2-3 MAC层的参考模型
2.2.3 网络层
在物理层和媒体接入控制子层的基础上，ZigBee规范定义了网络层、应用层以及相关的安全规范。
ZigBee网络层的功能包括：
(1)加入和离开网络；
(2)帧的安全机制管理；
(3)根据路由发送帧到目的地址；
(4)发现和文护路由；
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