1 第三章  ZigBee和IEEE 802.15.4协议层
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1.1 ZigBee和IEEE 802.15.4网络层
 
 
1.2 ZigBee和IEEE 802.15.4物理层
这个图含的信息量可能需要贯穿在我们的整个学习过程中了，此处先不详解，只是先作为“上方宝剑”挂出来，这个是整个这一章的脉络。不过，还是要来认识下这里面的几位关键“人物”的：第一位叫“PHY”――物理层，他是最底层的员工，最终把这些“0”和“1”送到空气中的活就是他干的；第二位叫“MAC”――介质读取控制层（这个家伙肯定是老外，连个像样的中文名都没有）；第三位叫“NWK”――网络层，这是个中层干部，属于实干家型（就是公司里电话最多的那种领导）；第四位叫“APL”――应用层，有同学问了，这层里面怎么这么复杂？说实话，我也还没弄明白呢，不过按常理来说，高层复杂是应该的，到我们的政府机关看看就知道啦~~~

  另外，下面两层是由IEEE 802.15.4来定义的，而中层领导上的就是由Zigbee组织来定义的，那什么是我们定义的呢？就是这个“协议栈”上面的，那就是最高最高的领导啦~~~

第三章，第一层――“PHY”――物理层
1.2.1 频率安排
  首先，我们从干活的这个小兄弟开始认识。他要把一个比特送到空中，是有几条航线可以选的，就这是所谓的“频道”，每一个频道对应一个频率，而每一个频道又有几种调制方式，我们可以理解为坐不同的“飞机”。下图是IEEE 802.15.4中对频道的安排：
 
  对于这里面的“频道页”的定义，不是太清楚为什么要这样定义，不过我觉得用前面说的“飞机”的概念，更容易理解些。有三种不同的飞机，每种飞机都可以走0-26，共27条航线，这就是“物理层”在送数据的时候要做出的选择。其中，0号航线的频率是868MHZ，915M上有10条航线，其频率可以通过下面公式计算：
中心频率(MHz) ＝ 906 + 2 × ( 频道号 – 1)

  同样，2.4G波段上的频率值为：
中心频率(MHz) ＝ 2405 + 5 × ( 频道号 – 1)

1.2.2 能量检测——ED
就像航空公司一样，“比特”想要“飞”起来，也是有“航空管制”的，在起飞前要确认下航道有没有被占用，这可不能像开车，塞车了就等会，飞机要在空中停了，那不得掉下来（我小时候总这么想~）。能量检测就是用来实现这个目的的，当然，这只是个“能量”检测，它不会去区分到底是谁在占用“航道”，它只检测有或者没有。

  当然，这也是物理层的上级――MAC层给他的任务之一，不过允许他不用百分百准确，允许10db的误差，结果会以一个8里面包含具体那些协议?比特的字节向上报告。
1.2.3 载波检测――CS
载波检测也是检测当前频道能不能用的，但与ED不同，上面说了ED不会去区分到底是谁在占用“航道”，但是CS会的，它会根据载波的特征去判断当前占用“航道”的是不是与自己一样的IEEE 802.15.4物理层信号，如果是，那不管ED值是多少，都会返回一个“频道忙”的信息。
1.2.4 连接质量指示――LQI
还记得电脑的WIFI指示吧，我也不了解WIFI协议，但我想这应该是相同的东西吧。在802.15.4中，有两种检测连接质量的方法，一个是检测“接收信号强度”――RSS，另外一个是检测“信噪比”――SNR。RSS值是通过检测接收到的信号的全部能量情况来判断的。

  又有人举手了？这位同学有什么问题？――什么，这是怎么做到的？

  呃、、、这个我真不懂，不过我知道肯定有个寄存器来读的。至于这个值是怎么来的，你还是问下做IC的人，或者你个不是那么忙的教授，说不定他知道~~~不过这位小同学啊，看你问这个问题，我得多说你几句了。你这么“叫真”不好，倒不是打击你，我知道你说不定能成个人物，不过，学习是要讲“深度”和“广度”并举的，如果什么事情都一头钻进去，你会迷路的。。。

  我们继续，那“信噪比”SNR，顾名思义，就是信号除以噪声的比率了。当然，值越大表示信号质量越好。

  每一个接收到的数据包都会做一个LQI的测量，它至少有八个等级。这个测量是物理层很重要的一个任务，因为这个值不但他的直属领导－MAC层要用到，他的上几层领导－网络层和应用层都用得到。比如说网络层（NWK）在选择路由的时候，LQI就是一个很重要的指标，LQI值高的路径当然要优先考虑，当然，这也只是一个因素，比如说这个LQI高的路径里的设备都是电池供电的，那么在频繁选择这个路径的同时，必然会导致这些设备电池寿命缩短。所以，一定要多方面权衡――这就体现了“领导”的作用。。。
1.2.5 空闲频道评估――CCA
（注：本教程里的中文名称可能不符合标准，只是方便笔者说明问题，如对名称有异议，欢迎在本教程论坛－www.feibit中讨论）

  这里有一个很重要的名词叫“CSMA-CA”，听起来就像高科技，不知道和CDMA有没什么关系（做通讯的朋友开始扔砖头了~~~）

  它有一个不太帅的中文名字叫“载波侦听多点接入/冲突避免”，笔者现在还无法对这个概念
做个定义，不过倒是可以用“白话”翻译一下。在上文中我们看到，当我们的“PHY层”小弟要发送一个比特的时候，要面临那么多选择，走哪个航线，选什么样的飞机等等，那这么复杂的决策，“小弟”能搞得定吗？要两个“小弟”都在争一个位置，打架了怎么办？按社会常理来看，这应该不是哪个人决定的，而是有个“制度”，这样说，能理解不？

  当然，制度也是要人来执行的，一个最底层的工作叫“空闲频道评估”――CCA，这个也是由我们的小弟“物理层”来做的。他要告诉MAC层，当前频率有没有被其它设备占用。而且这个工作不能只做一次就汇报，要检测8个符号周期。

  在IEEE 802.15.4物理层协议中，有三种CCA模式：
1.　只检测ED值。只要ED值高于一个门限就认为当前频道被占用。这个门限值可以由设计者来定义。
2.　只由CS结果来决定。只要CS的检测结果为: "当前频道被IEEE 802.15.4定义的设备占用"，则返回频道忙。
3.　由上述两个值的“与”或者“或”逻辑来决定。也说是说
●ED值高于门限“并且”有802.15.4设备占用，则认为频道忙
●ED值高于门限“或者”有802.15.4设备占用，则认为频道忙

  那究竟采用哪种CCA模式呢？这个可以通过PHY属性值phyCCAMode来设置。这个值也是PHY-PIB值的一部分，下面的章节会对这个概念进行介绍。

1.2.6 物理层常量和属性

  首先说明一下“常量”和“属性”这两个词，所谓的常量就是说在“编译”好之后不能变的量；而属性则是可以改变的。在Zigbee协议栈中，每一层都有自己的常量和属性。
 
  如表3.2所示，物理层中只有两个常量，aMaxPHYPacketSize指示“物理层服务数据单元”――PSDU不能超过127字节；而aTurnaroundTime说明一个设备由接收状态转为发送状态的最大时间，也就是说一个接收器必须在12个符号周期内完成接收任务。

  同时要说明的一点是，PHY和MAC层的所有常量都有一个前缀“a”，这是Zigbee协议的规定，NWK和APL层分别以前缀“nwkc”和“apsc”开始。


  物理层的“属性”包含在“物理层PAN信息基准表”――PHY-PIB中，这个表是专门用来管理物理层服务的，详细信息在表3.3中，其中有（+）标志的为只读属性，上层只可以对此类属性进行“读”操作，只有物理层自己才能“写”；而有（*）标志的属性，其个别指定位为“只读”；其余的属性则可读可写。后面章节会对每个属性详细阐述。
 

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