无线传感网学习笔记(4)—— IEEE 802.11 和 Zigbee


一、IEEE 802.11标准

1、 IEEE 802.11为1999年IEEE公布的第一版802.11无线局域网标准,详细说明了OSI模型的物理层和数据链路层在无线接口的应用。该标准也称为Wi-Fi(Wireless Fidelity,即无线高保真技术),并且由Wi-Fi联盟认证,确保了遵循IEEE 802.11标准的硬件设备之间的兼容性。
IEEE:Institute of Electrical and Electronics Engineers,即电气和电子工程师协会,世界上最大的非营利性专业技术学会,制定了许多相关行业的行业标准)

2、 IEEE 802.11具有两种操作模式:
 ① 分布式协调功能模式(DCF:Distributed Coordination Function mode)
 ② 点协调功能模式(PCF:Point Coordination Function mode)

二、IEEE 802.11 DCF模式(必须支持的模式)

1、 设备间的通信是直接的点对点模式(Ad hoc mode),实现网状拓扑组网。

2、 该模式基于1-持续型CSMA/CA协议,利用网络分配矢量(NAV:Network Allocation Vector),实现虚拟载波侦听,同时也利用RTS-CTS协商机制,缓解隐藏终端和暴露终端的问题。
在这里插入图片描述
 由图可知,A和D互为隐藏终端,当利用RTS-CTS协商机制,节点A会先发送RTS数据包给节点B,节点B再反馈CTS数据包给节点A,由于无线通信具备的广播特性,RTS、CTS将分别告知节点C和节点D,A和B之间的通信预计占用信道的时间为多长,这也就避免了节点D也向节点B发送数据的情况,即缓解了隐藏终端的问题。
在这里插入图片描述

三、IEEE 802.11 PCF模式(可选模式)

1、 设备间的通信要通过接入点或基站的中央设备,实现星形拓扑组网。(要求节点间的时间同步)

2、 由接入点AP协调信道的访问,以确保进行无碰撞的通信。(AP:Access Point)

3、 AP定期向客户端广播信标帧Beacon(标记作用)
 ① AP可以告诉客户端进入睡眠状态以节省能量
 ② AP可以轮询客户端,查询节点是否有数据要发送

4、 无竞争时期内,AP发送数据包给客户端,期间AP等待一个PIFS帧间距时间。

5、 PCF模式优先级高于DCF模式,因为PIFS时长比DIFS小,使得AP等待的时长会比DCF中的节点短,具有更高的概率占用信道。


四、Zigbee标准

  Zigbee是一种由Zigbee联盟与IEEE联合制定的无线通信标准(通信模式),主要用于低速、低功耗、近距离无线通信应用场景,即LR-WPANs(Low-Rate Wireless Personal Area Networks)
  该标准下的MAC层和物理层基于IEEE 802.15.4协议,网络层支持点对点模式(Ad hoc拓扑)和星形拓扑模式,而应用层则根据不同的应用场景而定,如WSN、IOT等。

五、IEEE 802.15.4协议

 IEEE 802.15.4协议定义了用于LR-WPANs场景的一系列物理层和MAC层的特征,它是基于CSMA/CA(基于冲突避免的CSMA)开发而成的,通信频段一般为ISM下的868MHZ、915MHZ、2.45GHZ。

1、物理层的主要功能:控制射频的手法、信道能量的检测、链路质量指标(RSSI)、信道选择(执行MAC层信道分配)等,并且支持多种调制方式。

2、MAC层的主要功能:控制物理层射频接入、产生MAC层协议所需要的协议报文及MAC帧、控制时隙、控制MAC层协议的逻辑流程等。(MAC协议的总体逻辑流程与CSMA/CA基本一致,但是协议报文及部分细节更加详细,还增加了与组网服务相关的协调帧,如信标帧)

3、 MAC层的帧类型
 ① 数据帧 Data Frame
 ② 信标帧 Beacon Frame
 ③ 回复帧 Acknowledgement Frame
 ④ MAC命令帧 MAC Command Frame

帧结构示意图如下:

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六、Zigbee组网机制

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1、星形拓扑:可用於单跳的小型网络结构,具有低延时和易于同步的优势,但网络规模通常较小,通常应用于家庭自动化控制、电脑周边设备互连等场景。

2、点对点拓扑:可用于复杂的多跳网络,也可以进一步形成更复杂的组网结构,优势在于网络覆盖范围广,网络结构灵活,但路由部署代价高,通常应用于工业控制监测、WSN、智慧农业等场景。

3、全功能设备(FFD):可以出现在以上两种拓扑网络结构中,也可以成为PAN协调器,还可以与其他的FFD设备或RFD设备进行通信。

4、精简功能设备(RFD):仅能出现在星形拓扑网络结构中,不能成为PAN协调器,仅能与FFD设备进行通信。

5、PAN协调器:主要用于本地网络的初始化、网络解散、网内路由等网络层功能。(PAN:个人局域网络)


注意:无论何种拓扑网络结构,所有设备都必须拥有唯一的64bit的地址。



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