802.15.4协议规范（物理层）
802.15.4协议规范（物理层）
IEEE802.15.4-2003协议规范规定了⼀个MAC层和两个PHY层。802.15.4的主要协议框架如图所⽰。这边只介绍物理层。
802.15.4协议架构
1．协议概述
在LR WPAN（⽆线个⼈区域⽹）中，存在两种不同类型的设备，⼀种是完整功能设备（FFD），⼀种是简化功能设备（RFD）。FFD可以同时和多个RFD或FFD进⾏通信，所以常作为协调器，⽽RFD只能和⼀个FFD进⾏通信。⼀个⽹络中⾄少有⼀个FFD作为PAN 主协调器。
LR WPAN⽹络中根据不同需要有两种⽹络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。星型拓扑结构由⼀个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是⼀个具有完整功能的设备，从设备可以是FFD也可以是RFD。在对等拓扑结构中，每⼀个设备都可以与在⽆线通信范围内的其他任何设备进⾏通信，任何⼀个设备都可以定义为PAN 主协调器。⽆论是星型拓扑还是对等拓扑⽹络结构。每⼀个独⽴的PAN都以⼀个标识符以确保唯⼀性。在设备发起连接时，可采⽤64位的长地址，只有在连接成功时，系统分配了PAN的标识符后，才能采⽤16位的短地址码进⾏连接。
在LR WPAN中，允许有选择性的使⽤超帧结构，超帧的格式由主协调器来定义，它分为16个⼤⼩相等的时隙，其中第⼀个时隙为PAN的信标帧。任何从设备如果想在两个信标之间的竞争接⼊期间（CAP）进⾏通信，则需要使⽤具有时隙和免冲突载波检测多路接⼊（CSMA CA）机制同其他设备进⾏竞争通信。
在⼀些特殊情况下，可采⽤PAN主协调器的超帧中的⼀部分来完成这些特殊要求。这部分称为保护时隙（GTS）。多个保护时隙构成⼀个免竞争时期（CFP），但最多可分配7个GTS。因为有⾜够的CAP空
间保证为其他⽹络设备和其他希望加⼊⽹络的新设备提供竞争接⼊的机会。有⽆GTS的超帧结构分别如下所⽰。
time
time
⽆GTS 的超帧有GTS 的超帧1.1数据传输
LR WPAN 中，主要有3种数据传输模式：从设备向主协调器发送数据；主协调器向从设备发送数据；从设备之间传送数据。在星型拓扑中，因为从设备之间不能传输数据，所以只有两种传输⽅式，⽽在对等拓扑结构中则可能包含3种：
从设备向主协调器发送数据
在信标⽹络中，从设备⾸先监听⽹络的信标，当监听到后，在适当的时候，从设备将使⽤有时隙的CSMA CA 向主协调器发送数据帧，当主协调器接收到后，返回⼀个表明已成功接收的确认帧，如图所⽰：
信标⽹络数据传输到主协调器
在⾮信标⽹络中，从设备使⽤⾮时隙的CSMA CA 向主协调器发送数据帧，主协调器接收到后也同样返回⼀个确认帧，如图所⽰。
⾮信标⽹络数据传输到主协调器
主协调器向从设备发送数据
在信标⽹络中，当主协调器需要发送数据给从设备时，它会在⽹络信标中表明存在有要传输的数据信息，此时，从设备处于周期性监听⽹络信标的状态，当发现主协调器有数据要传送给它时，它将采⽤有时隙的CSMA CA机制，先通过MAC层发送⼀个数据请求指令。当主协调器接收到后，采⽤有时隙的CAMA CA发送数据信息帧给从设备，从设备接收完毕后，返回⼀个确认帧给主协调器。
在⾮信标⽹络中，主协调器存储要传输的数据，将通过与从设备建⽴数据连接，由从设备先发送请求数据传输命令后，再进⾏数据传输，如下所⽰。
从设备之间传送数据
这种传输⽅式出现在对等⽹络中。因为在对等⽹络中，设备与设备之间的通信随时都可能发⽣，所以通信设备之间必须处于随时可通信的状态，如下任意⼀种：设备始终处于接收状态或设备间保持相互同步。前者设备要采⽤⾮时隙的CSMA CA 机制来传输数据，后者需采取⼀些其他措施以确保通信设备之间相互同步。
1.2帧的结构
这⾥⼀共定义了四种帧结构：
1）信标帧
信标帧由主协调器的MAC 层⽣成，并向⽹络中的所有从设备发送，以保证各从设备与主协调器同步。信标帧的结构如下所⽰，MAC 层服务单元（MSDU ）加上
MAC 帧头MHR 和MAC 帧尾MFR 构成MAC 层信标帧MPDU ，作为物理层信标包载荷发送到物理层，在加上物理层的同步帧头SHR 和物理层帧头PHR ，共同构成了物理层的信标包PPDU 。
信标帧格式
2）数据帧
数据帧则是⽤来设备之间数据传输时⽣成的。要传输的数据是由应⽤层⽣成，然后到
MAC层，类似上⾯组成MPDU后进⼊物理层，再构成PPDU。具体如下图。
数据帧格式
3）确认帧
确认帧是为了确保通信的可靠性，通常是接收设备接收到正确的帧信息后，向发送设备返回⼀个确认信息，表明已正确接收相应的信息。接收设备将接收到的信息经物理层和MAC 层并纠错解码后，回复发送端的数据，如果没有检查出数据的错误，则由MAC层⽣成的⼀个确认帧，发送回发送端，具体结构如下所⽰。
确认帧格式
4）MAC层命令帧
为了控制设备的⼯作状态，同⽹络中的其他设备进⾏通信，根据应⽤的实际需要，对设备进⾏控制，控制命令由应⽤层产⽣，在MAC层根据控制命令
的类型，⽣成的MAC 层命令帧如下所⽰。
MAC命令帧
1.3原语概念
原语则是⼀个⾮常重要的概念，⽤于描述不同的层之间的提供的服务和所要执⾏的任务。每⼀层的服务只要完成两证功能：根据它的下层服务要求，为上层提供相应的服务；另⼀种是根据上层的服务要求，对它的下层提供相应的服务。由服务原语组成的事件将在⼀个⽤户的服务接⼊点（SAP）与建⽴对等连接的⽤户的相同层之间传送。
服务提供者N-layer
服务原语
原语通常分为四种类型：Request，Indication，Response，还有Confirm。分别表⽰请求原语、指⽰原语、响应原语和确认原语。下⾯会介绍物理层的原语。
2.物理层协议规范
在IEEE 802.15.4-2003中，规定了两个物理层⼯作频率范围2.4GHz 和868/915MHz 。频段类型都是ISM 。对于不同的频段范围，规定了不同的调制⽅式，因⽽数据传输速率也是不同的。如下所⽰。
频段/MHz 扩展参数
数据参数码⽚速率
/kchip ·s﹣1
调制⽐特速率/kbps 符号速率/kBau d·s﹣1符号868~868.6
300BPSK 2020⼆进制902~928
600BPSK 4040⼆进制2400~2483.52000O-QPSK 25062.516相正交IEEE 802.15.4⼀共定义了27个物理信道，信道编号从0
到26。其中2.4GHz 定义了16个信道，915MHz 定义了10个信道，868MHz 定义了1个信道。
物理层通过射频固件和射频硬件提供了⼀个从MAC 层到物理层⽆线信道的接⼝。在物理层中，包含⼀个物理层管理实体（PLME ），该实体通过调⽤物理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接⼝，同时，还负责维护由物理层所管理的⽬标数据库，该数据库包含有物理层个域⽹络的基本信息。物理层的结构和接⼝如下所⽰。
物理层结构模型
2.1物理层原语
在物理层中，存在有数据服务接⼊点和物理层实体服务接⼊点，通过这两个服务接⼊点提供如下两种服务，它们是：a 通过物理层数据服务接⼊点（PD SAP ）为物理层数据提供服务；b 通过物理层管理实体（PLME ）服务的接⼊点（PLME SAP ）为物理层管理提供服务。
物理层数据服务
物理层数据服务接⼊点所⽀持的原语有请求原语、确认原语和指⽰原语。
物理层数据请求原语quest
原语如下：quest （psduLength,psdu ）此原语由MAC 层⽣成，发送给物理层实体，请求发送⼀个MAC 层协议数据单元（MPDU ）。psduLength 表⽰物理层实体发送PSDU
中字节个数，psdu表⽰物理层实体发送由字节构成的PSDU。
物理层实体收到后，如果发射机正处于激活状态（TX_ON）状态，物理层就构造⼀个PPDU，并发送，发送完毕后向MAC层返回⼀个SUCCESS状态的firm原语；⽽如果收发机正处于接收（RX_ON）或关闭状态（TRX_OFF），则物理层实体将返回⼀个带有RX_ON或TRX_OFF状态的firm原语，表⽰发射机尚未激活。
诸如此类物理层数据服务还有物理层数据确认原语firm，物理层⽤此向MAC层报告向对等的MAC层发送MAC层协议数据单元的结果状态，为物理层对quest原语的响应。
还有物理层数据指⽰原语PD DATA.indication物理层借此向本地MAC层实体传送⼀个MPDU，即当物理层接收到来⾃远⽅发送来的数据后，通过该原语，将接收到的数据包发送到MAC层。
物理层管理服务
在⽹络中，⽤物理层管理实体服务接⼊点（PLME SAP）在MAC层管理实体（MLME）和物理层管理实体（PLME）之间传送管理命令原语。
请求清楚信道评估原语quest
MAC层⽤此原语请求物理层管理实体执⾏清除信道评估（CCA），此原语由MAC层管理实体⽣成，当CSMA CA算法需要进⾏信道评估时，MAC层管理实体就会向物理层管理实体发送该原语。如果此时接收机正处于激活状态，则物理层⽴即执⾏CCA，完毕后PLME 返回⼀个带有BUSY或IDLE状态的firm原语；如果接收机处于未激活状态，则PLME返回⼀个TRX_OFF或TX_ON状态的firm原语。
物理层管理服务还有还有其他9个原语，这⾥就不⼀⼀介绍了，具体参见协议内容。
物理层枚举型数据
由上⾯介绍可知，其协议原语中的状态通常为枚举型，下⾯做了统计和归纳，列出了在物理层协议规范中所定义的枚举型数据值以及相应的功能。
物理层枚举型数据的描述
枚举型数据值功能描述
其中两个主要的协议
BUSY0x00CCA检测到⼀个忙的信道
BUSY_RX0x01收发机正处于接收状态时，要求改变其状态BUSY_TX0x02收发机正处于发送状态时，要求改变其状态FORCE_TRX_OFF0x03强制将收发机关闭
IDLE0x04CCA检测到⼀个空闲信道
INVALID_PARAMETER0x05SET/GET原语的参数超出了有效范围
RX_ON0x06收发机正处于或将设置为接收状态SUCCESS0x07原语成功执⾏
TRX_OFF0x08收发机正处于或将设置为关闭状态

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