一、IEEE 802.11標準
1、 IEEE 802.11爲1999年IEEE公佈的第一版802.11無線局域網標準,詳細說明了OSI模型的物理層和數據鏈路層在無線接口的應用。該標準也稱爲Wi-Fi(Wireless Fidelity,即無線高保真技術),並且由Wi-Fi聯盟認證,確保了遵循IEEE 802.11標準的硬件設備之間的兼容性。
(IEEE:Institute of Electrical and Electronics Engineers,即電氣和電子工程師協會,世界上最大的非營利性專業技術學會,制定了許多相關行業的行業標準)
2、 IEEE 802.11具有兩種操作模式:
① 分佈式協調功能模式(DCF:Distributed Coordination Function mode)
② 點協調功能模式(PCF:Point Coordination Function mode)
二、IEEE 802.11 DCF模式(必須支持的模式)
1、 設備間的通信是直接的點對點模式(Ad hoc mode),實現網狀拓撲組網。
2、 該模式基於1-持續型CSMA/CA協議,利用網絡分配矢量(NAV:Network Allocation Vector),實現虛擬載波偵聽,同時也利用RTS-CTS協商機制,緩解隱藏終端和暴露終端的問題。
由圖可知,A和D互爲隱藏終端,當利用RTS-CTS協商機制,節點A會先發送RTS數據包給節點B,節點B再反饋CTS數據包給節點A,由於無線通信具備的廣播特性,RTS、CTS將分別告知節點C和節點D,A和B之間的通信預計佔用信道的時間爲多長,這也就避免了節點D也向節點B發送數據的情況,即緩解了隱藏終端的問題。
三、IEEE 802.11 PCF模式(可選模式)
1、 設備間的通信要通過接入點或基站的中央設備,實現星形拓撲組網。(要求節點間的時間同步)
2、 由接入點AP協調信道的訪問,以確保進行無碰撞的通信。(AP:Access Point)
3、 AP定期向客戶端廣播信標幀Beacon(標記作用)
① AP可以告訴客戶端進入睡眠狀態以節省能量
② AP可以輪詢客戶端,查詢節點是否有數據要發送
4、 無競爭時期內,AP發送數據包給客戶端,期間AP等待一個PIFS幀間距時間。
5、 PCF模式優先級高於DCF模式,因爲PIFS時長比DIFS小,使得AP等待的時長會比DCF中的節點短,具有更高的概率佔用信道。
四、Zigbee標準
Zigbee是一種由Zigbee聯盟與IEEE聯合制定的無線通信標準(通信模式),主要用於低速、低功耗、近距離無線通信應用場景,即LR-WPANs(Low-Rate Wireless Personal Area Networks)。
該標準下的MAC層和物理層基於IEEE 802.15.4協議,網絡層支持點對點模式(Ad hoc拓撲)和星形拓撲模式,而應用層則根據不同的應用場景而定,如WSN、IOT等。
五、IEEE 802.15.4協議
IEEE 802.15.4協議定義了用於LR-WPANs場景的一系列物理層和MAC層的特徵,它是基於CSMA/CA(基於衝突避免的CSMA)開發而成的,通信頻段一般爲ISM下的868MHZ、915MHZ、2.45GHZ。
1、物理層的主要功能:控制射頻的手法、信道能量的檢測、鏈路質量指標(RSSI)、信道選擇(執行MAC層信道分配)等,並且支持多種調製方式。
2、MAC層的主要功能:控制物理層射頻接入、產生MAC層協議所需要的協議報文及MAC幀、控制時隙、控制MAC層協議的邏輯流程等。(MAC協議的總體邏輯流程與CSMA/CA基本一致,但是協議報文及部分細節更加詳細,還增加了與組網服務相關的協調幀,如信標幀)
3、 MAC層的幀類型:
① 數據幀 Data Frame
② 信標幀 Beacon Frame
③ 回覆幀 Acknowledgement Frame
④ MAC命令幀 MAC Command Frame
幀結構示意圖如下:
六、Zigbee組網機制
1、星形拓撲:可用於單跳的小型網絡結構,具有低延時和易於同步的優勢,但網絡規模通常較小,通常應用於家庭自動化控制、電腦周邊設備互連等場景。
2、點對點拓撲:可用於複雜的多跳網絡,也可以進一步形成更復雜的組網結構,優勢在於網絡覆蓋範圍廣,網絡結構靈活,但路由部署代價高,通常應用於工業控制監測、WSN、智慧農業等場景。
3、全功能設備(FFD):可以出現在以上兩種拓撲網絡結構中,也可以成爲PAN協調器,還可以與其他的FFD設備或RFD設備進行通信。
4、精簡功能設備(RFD):僅能出現在星形拓撲網絡結構中,不能成爲PAN協調器,僅能與FFD設備進行通信。
5、PAN協調器:主要用於本地網絡的初始化、網絡解散、網內路由等網絡層功能。(PAN:個人局域網絡)
注意:無論何種拓撲網絡結構,所有設備都必須擁有唯一的64bit的地址。