硕十学位论文第二章Ｚｉｇｂｅｅ组网方案的设计第二章Ｚｉｇｂｅｅ组网方案的设计Ｚｉｇｂｅｅ网络的组网过程是实际应用中非常重要的步骤，本章本文首先对Ｚｉｇｂｅｅ协议标准下对网状网络的组网方案（原组网方案）进行探讨，之后提出了改进了组网方案，利用ＮＳ２仿真软件对两组网方案进行仿真比较。２．１Ｚｉｇｂｅｅ协议栈架构Ｚｉｇｂｅｅ协议栈标准采用的是ＯＳＩ的分层结构，其中物理层（ＰＨＹ）、媒体接入层（ＭＡＣ）和链路层（ＬＬＣ）由ＩＥＥＥ８０２．１５．４工作小组制定，而网络层和应用层则由Ｚｉｇｂｅｅ联盟制定【删。Ｚｉｇｂｅｅ协议栈的体系结构各层的分布如图２．１【４¨。用户应用程序（ＵｓｅｒＡＰＰ）应用层（ＡＰＬ）心用层框架（ＡＰＦ）ＺＤＯ设备对象应用子层（ＡＰＳ）网络层（ＮＷＫ）链路层（ＬＬＣ）８０２．１５．４ＬＬＣ８０２．２ＬＬＣＳＳＣＳ媒体接入层（ＭＡＣ）物理层（ＰＨＹＸ２．４ＧＨｚ、８６８／９１５ＭＨｚ）图２－１Ｚｉｇｂｅｅ协议栈体系结构在Ｚｉｇｂｅｅ协议栈中，其结构包含一系列的层，每一层通过使用下层提供的服务完成自己的功能，同时向上层提供服务。层与层之间通过服务访问点ＳＡＰ（ＳｅｒｖｉｃｅＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ）连接，每一层都可以通过本层与其下层相连的ＳＡＰ调用下层为本层提供服务，同时通过本层与上层相连的ＳＡＰ为上层提供服务。这些服务是设备中的实体通过发送服务原语来实现的，其中实体包括数据实体（Ｄａｔａ－Ｅｎｔｉｔｙ，ＤＥ）和管理实体（ＭｅｎａｇｅｍｅｎｔＥｎｔｉｔｙ，ＭＥ）两种：数据实体向上层提供常规的数据服务而管理实体提供向上层提供访问数据内部层的参数、配置和管理数据等机制。所谓服务原语是代表响应服务的符号和参数的一种格式化、规范化的表示，它与服务的具体实现方式无关。原语的书写形式包含了服务的实体、原语的功能及原语的类型等，如：扫描原语ＭＬＭＥ．ＳＣＡＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ；关联确认原语：ＭＬＭＥ．ＡＳＳＯＣＩＡＴＥ．ｃｏｒｆｆｈ＇ｍ等。另外，原语都是发送给服务实体相邻层的，层与层之间的通信原语可以分为以下四种，它们之间的关系如图２．２１４２１。７硕十学位论文第二章Ｚｉｇｂｅｅ组网方案的设计上层本层ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ上层上层４ｘ／－云－Ｒｅｑｕｅｓｔ。ＲｅｓｐｏｎｓｅＣｏｎｆｉｒｍ（ａ）数据服务原语图２．２层与层的通信原语示意图（ｂ）管理服务原语其中：Ｒｅｑｕｅｓｔ：请求原语，用于上层向本层请求指定的服务；Ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ：指示原语，本层发给上层用来指示本层的某一内部事件；Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：响应原语，上层用于响应本层发出的指示原语；Ｃｏｎｆｉｒｍ：确认原语，本层用于响应上层发出的请求原语。下面对Ｚｉｇｂｅｅ协议栈各层协议的功能作一个简单的介绍【４３１［４４１。２．１．１物理层物理层提供的服务是由硬件和软件共同实现的，定义了物理无线信道（对于２．４ＧＨｚ频段，有１６个信道，编号为１１－２６）和ＭＡＣ子层之间的接ＩＺｌ，提供物理层数据服务（ＰＬＤＥ）和物理层管理服务（ＰＬＭＥ）。通过该接１：３可以唤醒层管理服务功能，同时也负责维护与物理层相关的一些管理对象的数据库（ＰＩＢ）。物理层通过物理层数据服务接入点（ＰＤ．ＳＡＰ）和物理层管理实服务接入点ｆＰＬＭＥ．ＳＡＰ）与ＭＡＣ层通信，ＰＤ．ＳＡＰ支持在对等的ＭＡＣ层实体间进行ＭＡＣ协议数据单元传送，ＰＬＭＥ．ＳＡＰ则在ＭＡＣ层管理实体之间提供管理命令的传送。物理层主要完成如下任务：１．无线收发机的激活与关闭：２．当前信道的能量检澳１］（ＥｎｅｒｇｙＤｅｔｅｃｔ，ＥＤ）；３．接受数据包的链路质量标识（ＬＱＩ）；４．为载波侦听多路访问／冲突防＿ｆｌｚ（ＣＳＭＳ．ＣＡ）提供空闲信道评估（ＣＣＡ）：５．工作信道选择；６．数据发送和接收。信道能量检测为网络层提供信道选择依据，其值取值范围是０ｘ００．０ｘＦＦ。它主要测量目标信道中接受信号的功率强度，链路质量标识为网络层或应用层提供接受数据帧无线信号的强度和质量信息。８硕十学位论文第二章Ｚｉｇｂｅｅ组网方案的设计２．１．２ＭＡＣ层与物理层类似，ＭＡＣ层也包括管理实体（ＭＬＭＥ）和数据实体（ＭＬＤＥ）。ＭＡＣ层管理实体提供可以唤醒ＭＡＣ层管理服务的服务接口，同时也维护一个与ＭＡＣ层相关的管理对象数据库（ＭＩＢ）。ＭＡＣ层与物理层之间通过ＰＬＭＥ．ＳＡＰ和ＰＤ．ＳＡＰ进行通信，通过ＭＡＣ数据实体服务点（ＭＬＤＥ．ＳＡＰ）和ＭＡＣ层管理实体服务接入点（ＭＬＭＥ．ＳＡＰ）向ｑｌｔ务相关子层提供ＭＡＣ层数据和管理服务。另外，ＭＡＣ层能支持多种ＬＬＣ标准，通过业务相关会聚子层（ＳＳＣＳ）协议承载８０２．２类型的ＬＬＣ标准。ＭＡＣ层功能如下：１．当节点为网络协调器时，产生信标（ｂｅａｃｏｎ）帧；２．在信标帧之间进行同步；３．支持个人区域网（ＰＡＮ）的关联与解关联；４．支持节点安全机制；５．对信道接入使用ＣＳＭＡ．ＣＡ机制；６．处理和维护有保证的时隙（ＧＴＳ）机制；７．在两个对等的ＭＡＣ实体问提供可靠的链接。Ｚｉｇｂｅｅ中的ＭＡＣ和物理层协议是网状网络的应用基础，高容错和低功耗的特点能保证网状网络所必须考虑基于拓扑控制和功率控制的网络白组特性。而且对于经典的隐藏终端和暴露终端问题、协议的接入公平性问题、服务质量问题等都有良好的解决。在网状网络中，ＭＡＣ层的传输调度策略会影响数据包延迟、带宽等性能，影响网络层路由性能，所以网络层必须感知ＭＡＣ层性能的变化，才可以自适应的方式改变路由，改善网络性能。２．１．３网络层网络层对于Ｚｉｇｂｅｅ协议栈非常重要，每一个Ｚｉｇｂｅｅ节点都包含网络层，Ｚｉｇｂｅｅ网络层主要实现组建网络，为新加入网络访分配地址、路由发现、路由维护等。另外网络层还提供一些必要的函数，确保ＺｉｇＢｅｅ的ＭＡＣ层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口，这种结构使得网状网络的应用基本能够实现。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为网络数据服务实体（ＮＬＤＥ）和管理服务实体（ＮＬＭＥ）。ＮＬＤＥ通过网络层数据服务实体服务接入点（ＮＬＭＥ．ＳＡＰ）提供数据传输服务，网络层管理实体（ＮＬＭＥ）通过网络层管理实体服务接入点（ＮＬＭＥ．ＳＡＰ）提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对９堡主堂堡堕塞网络信息庠（ＮＩＢｌ的维护和管理。２ｌ苎二至！！业竺塑堕互兰盟壁！４应用层ＺｉｇＢｅｅ』衄用层由三个部分组成：应用子层（ＡＰＳ）、ＺＤＯ（包含ＺＤＯ管理寸骨）和制造商定义的应用对象（ＡｐｐＯｂｊ）。ＡＰＳ通过蚓络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全午口绑定提供服务，可以适配不同但兼容的霄点，并且提供了这样的接口：在ＮＷＫ层和ＡＰＬ层之间，从ＺＤＯ到供应商的应用对象的通用服务集。ＺｉｇＢｅｅ中的应＿｜｛｝ｊ框架（ＡＰＬＦｒａｍｅｗｏｒｋ）是为驻扎在ｚｉｇＢｅｅ节点巾的应用对象提供活动的环境。最多可以定义２４０个相对独立的应用程序对象（ＺＤＯ），任何个对象的端点编号从ｌ到２４０，端点号０固定用于ＺＤＯ数据接口，应用程序可以通过这个端点与ＺｉｇＢｅｅ怫议栈的其它层通信：另外一个端点２５５固定用于所有应用对象广播数据的数据接口功能。端点２４１．２５４保留（给为了扩展使片ｊ】，用户不能使用１４５１２．２ｏｚｉｇｂｅｅ网络拓扑结构Ｚｉｇｂｅｅ网络只支持２种物理设备；全功能设备（ＦＦＤ．ＦｕｌｌＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ）和精简功能设备（ＲＦＤ，ＲｅｄｕｃｅｄＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ），其中ＦＦＤ设备可提供全部的ＭＡＣ服务，可充当任何Ｚｉｇｂｅｅ廿点，不仅可阻发送和接收数据，还具各路由功能，因此可以接收子节点；而ＲＦＤ设备只提供部分的ＭＡＣ服务，只能充当终端节点，不能充当协调器和路由节点，它只负责将采集的数据信息发送给协调器和路由节点，并不具备路由功能，因此不能接收子节点，并且ＲＦＤ之间的通信必须通过ＦＦＤ爿能完成。另外，ＲＦＤ仅需要使用较小的存储空间，这样就可以非常容易的组建一个低成本和低功耗的无线通信网络。Ｚｉｇｂｅｅ标准在此基础上定义了三种节点：Ｚｉｇｂｅｅ协调点（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路由节点（Ｒｏｕｔｅｒ）和终端节点（ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）。Ｚｉｇｂｅｅ协议标准中定义了三种网络拓扑形式１４“，分别为星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑，如图２—３。ｄ人，一≯ｕｈ＾１ｕｕｕＨ＊＃ｃ¨●ｍ目８●ＦＦＤＵＲＦＤ坩』目拍扑围２－３ＺｉｇＢｅ．ｅ网络的三种拓扑形式硕十学位论文第二章Ｚｉｇｂｅｅ组网方案的设计星形网络是三种拓扑结构中最简单的，因为星形网络没用到Ｚｉｇｂｅｅ协议栈，只要用８０２．１５．４的层就可以实现。网络由～个协调器和一系列的ＦＦＤ／ＲＦＤ构成，节点之间的数据传输都要通过协调器转发。节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，没有可选择的路径，假如发生链路中断时，那么发生链路中断的节点之间的数据通信也将中断，此外协调器很可能成为整个网络的瓶颈。在树形网络中，ＦＦＤ节点都可以包含自己的子节点，而ＲＦＤ则不行，只能作为ＦＦＤ的子节点，在树形拓扑结构中，每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通信，也就是说，当从一个节点向另一个节点发送数据时，信息将沿着树的路径向上传递到最近的协调器节点然后再向下传递到目标节点。这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道，信息的路由过程完成是由网络层处理，对于应用层是完全透明的。网状网络除了允许父节点和子节点之间的通信，也允许通信范围之内具有路由能力的非父子关系的邻居节点之问进行通信，它是树形网络基础上实现的，与树形网络不同的是，网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护，并且具有强大的自组织、自愈功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模。该拓扑结构的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间的开销。２．３组网方案的设计上面讨论了基本网络拓扑结构，不论是从网络拓扑结构还是从路由方式来看，都可以认为星形网络和树形网络是网状网络的一个特殊子集，对网状网络的研究就包括对星形网络和树形网络的内容，所以本文对Ｚｉｇｂｅｅ网状网络进行探讨。组建一个完整的Ｚｉｇｂｅｅ网状网络包括两个步骤：网络初始化、节点加入网络，其中节点加入网络又包括两个步骤：通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网。２．３．１网络初始化Ｚｉｇｂｅｅ网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个Ｚｉｇｂｅｅ节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求：１．节点是ＦＦＤ节点，具备Ｚｉｇｂｅｅ协调器的能力；２．节点还没有与其它网络连接，当节点已经与其它网络连接时，此节点只能作为该网络的子节点，因为一个Ｚｉｇｂｅｅ网络中有且只有一个网络协调器。在ＪｅｎｎｉｅＺｉｇｂｅｅ协议栈中，网络的初始化是由Ｊｅｎｎｉｃ提供的ＢＯＳ（Ｂａｓｉｃ
Zigbee无线组网技术的研究
