在个人操作空间(personal operating space,POS)内,两个或更多的设备可以构成一个WPAN。然而在一个网络中应当至少包含一个FFD作为PAN协调器。
2.1.2 超帧结构
IEEE 802.15.4 LR WPAN标准允许使用超帧结构。在一个超帧结构中,网络协调器在预定的时间间隔内发送的超帧信标,此时间间隔可以短至15毫秒长245秒。超帧被分成16个相等的时隙,并具有与超帧的持续时间无关。
超帧结构(super frame structure)在IEEE 802.15.4 LR-WPAN是属于选择使用的部分。由网络协调器(coordinator)字段定义格式,而超帧边界的结构的大小是由一个超帧结构中信标设定,超帧结构包括在网络信标16的大小相同的时隙[17]。做通信网络中的任何设备在竞争激烈的访问周期(contention access period,CAP)的使用slotted CSMA/ CA机制做渠道竞争。
超帧结构如图2.1所示。可以看到图中,信标帧为第一个时隙。如果协调不希望使用的超帧结构,它可以关闭的信标帧的发送。信标帧的传输主要是用于使从设备中各种同步和协调器,以确定PAN和一个超帧结构的描述。如果任何一组都希望两个信标之间的沟通访问(争访问期间,CAP)的竞争中,就需要使用时隙CSMA.CA机制竞争与其他设备通信。
图2.1 无GTS的超帧结构
说明:在第1个时隙是用于传输的信标帧,后面的15个时隙是一个争用接入期(CAP),16个时隙组成的一个超帧结构。最后一个插槽也发送信标帧,但属于下一个超帧结构。
在一些应用中需要求低延迟或者应满足一定的数据带宽,在这些情况下,可以通过使用超帧中的部分时隙。这部分被称为安全插槽(Guaranteed Time Slot,GTS)。超帧结构中,有竞争力的访问期间(CAP)的自由竞争期间(Contention.FreePeriod,CFP),它由保障时隙(GTS)构成,在正常情况下,最多达七个安全插槽。在超帧结构,必须保证有足够的CAP空间,以提供有竞争力的接入到网络中的设备。
任何设各的信息传输必须在下一个GTS开始前或者CFP结束前完成。带有GTS的超帧结构如图2.2所示。
图2.2 带有GTS的超帧结构
2.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术[3],ZigBee技术的命名主要来自于人们对蜜蜂采蜜过程的观察,蜜蜂在采蜜过程中,跳着优美的舞蹈,其舞蹈轨迹像“Z”的形状,其蜜蜂自身体积小,所需要的能量小,又能传送所采集的花粉,因此,人们用ZigBee技术来代表具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术,中文译名通常称为“紫蜂”或“智蜂”技术[4]。其PHY层和MAC层协议为IEEE 802.15. 4协议标准,网络层由ZigBee技术联盟制定,应用层的开发应用根据用户自己的应用需要,对其进行开发利用,因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。
根据IEEE 802.15 . 4标准协议,ZigBee的工作频段分为3个频段,这3个工作频段相距较大,而目在各频段上的信道数目不同,因而,在该项技术标准中,各频段上的调制方式和传输速率不同它们分别为868 MHz、915 MHz和2. 4 GHz,其中2.4GHz频段上,分为16个信道,该频段为全球通用的工业、科学、医学(ISM: Industrial Scientific and Medical)频段,该频段为免付费、免申请的无线电频段,在该频段上,数据传输速率为250kbps;另外两个频段为915 /868 MHz,其相应的信道个数分别为10个信道和1个信道,传输速率分别为40khps和20khps。
2.3 ZigBee协议栈
2.3.1 ZigBee协议体系结构
ZigBee协议栈在IEEE 802.15.4协议的PHY层和MAC子层规范之上建立的。它实现了应用层(Application layer,APL)和网络层(Network layer,NWK)。在应用层内提供应用支持子层(Application support sub—layer,APS)和ZigBee设备对象(ZigBee Device Object,ZDO)。用户自定义的应用对象加入在应用框架中。其体系结构如图2.3所示。
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