基于ZigBee協議棧的PHY服務研究

吳清秀

摘 要：ZigBee是一種標準，ZigBee聯盟在IEEE 802.15.4定義的物理（PHY）層和媒體訪問控制（MAC）層基礎之上制定的一種低速無線個域網技術規范，規定了PHY協議的功能及如何與MAC層交互。討論PHY服務機制及PHY服務的實現原理。

關鍵詞：ZigBee；PHY服務；原語；MAC層

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）06-00-02

0 引 言

ZigBee無線網絡協議層基于國際標準化組織（ISO）和開放式系統互聯（OSI）基本參考模型。ISO/OSI模型有7層，但ZigBee僅保留了對于組建低功耗、低數據率的無線網絡所需的功能層。物理層和媒體接入控制協議是在IEEE 802.15.4中描述的低速率無線個人局域網，在其定義的物理（PHY）層和媒體訪問控制（MAC）層基礎上制定的一種低速無線個域網（LR-WPAN）技術規范，所以ZigBee協議棧的物理（PHY）層和媒體訪問控制（MAC）層是按照IEEE 802.15.4標準規定來工作的，網絡（NWK）層和應用（APL）層由ZigBee標準定義[1]。

1 PHY概述

IEEE802.15.4協議描述中分別有2.4 GHz物理層和868/9l5 MHz物理層兩個物理層標準，數據傳輸速率高達250 kb/s。兩個物理層使用的傳輸方式都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻），簡稱直擴方式（DS方式），在物理層使用相同的數據包格式，其低功耗、低成本的優點使它在很多領域獲得了廣泛的應用[2]。在于調制方式、工作頻率、擴頻碼片長度和傳輸速率方面有所區別。2.4GHz頻段申請的ISM頻段在全球范圍內無需統一申請，有利于ZigBee設備降低生產成本和市場推廣；另外通過采用高階調制可以達到250 kb/s的傳輸速率，從而獲得極小的通信延時、極短的周期以及更大的吐吞量，從而ZigBee網絡中的終端節點更加節電。歐洲的ISM頻段是868 MHz，美國的ISM頻段是915 MHz，引入868 MHz及915 MHz這兩個頻段可以使2.4 GHz附近的無線通信設備在不互相影響的條件下發出各自的頻率。這兩個頻段在無線信號傳輸過程由于表現出小損耗特點，因而擁有極廣的通信范圍，可以適當降低接收機的靈敏度而不改變傳輸質量，從而在給定區域用較少設備進行有效覆蓋。

2 PHY服務機制

PHY層提供兩種類型的服務：PHY數據服務和PHY管理服務。PHY數據服務負責在射頻信道中收發PHY協議數據單元（PPDU）。PHY還有一個稱為物理層管理實體（PLME）的管理實體，通過PLME可以喚醒PHY管理功能。

（1）PHY數據服務

數據總是以MAC協議數據單元（MPDU）的形式進行傳輸。本地MAC需要傳輸數據時，就向PHY提供一個MPDU. PHY嘗試進行傳輸，然后向MAC報告傳輸結果（成功或失敗）。當射頻收發器收到數據后，PHY層通知MAC層收到了一個MPDU。PHY層不僅向MAC層提供MPDU，還向MAC層提供鏈路質量指標（LQI）信息。如圖1所示。

圖1 兩臺設備間的數據傳輸服務

數據可以由MAC層產生，更高層完全不知道這個數據的存在。數據由ZigBee設備對象（ZDO）或應用支持子層應用對象產生。在傳輸過程中，每一層都對數據單元（DU）加入自己的頭部和尾部（如果允許），然后將該結果傳遞給下一個更低層。每一層的數據單元都以該層的名稱命名。在APS層和NWK層，數據單元分別被稱為APS協議數據單元（APDU）和NWK協議數據單元（NPDU）。PHY數據服務接收一個MAC協議數據單元（MPDU）并創建將通過射頻傳輸的PHY協議數據單元（PPDU）。在接收端，數據從某一層向上傳輸到下一個更高層，直到數據單元到達目的層頭部和尾部被刪除。

（2）PHY管理服務

管理實體提供的管理服務有：信道能量檢測（ED）、鏈路質量指示（LQI）、空閑信道評估（CCA）等。信道中接收信號的功率強度是由信道能量檢測來完成的，是為上層提供信道選擇的依據[3]。噪聲信號功率和有效信號功率之和作為信道檢測結果的依據，其檢測過程沒有進行解碼操作。而鏈路質量指示對檢測信號需要進行解碼操作，生成一個信噪比的指標值，為上層提供接收的無線信號的質量和強度服務信息。空閑信道評估主要評估信道指標值是否空閑。

3 PHY服務實現

IEEE 802.15.4和ZigBee標準使用原語的概念來描述服務，這些服務由上一層使用。相鄰協議層之間的通信是通過在層與層之間調用函數或傳遞原語來管理的。服務原語的概念是比較抽象的，要實現特定層提供的服務需要由它來指定需要傳遞的信息來完成。服務原語與具體的服務實現無關，服務原語有請求、通知、響應、確認4種情況[4]，具體如下：

（1）請求（request）原語。請求原語由網絡服務請求方的用戶發送特定信息到它的服務提供層進行響應，請求啟動某一項服務。

（2）通知（indication）原語。指示原語由網絡用戶的服務提供層發送到對應服務響應方用戶的相應層，跟遠端服務請求邏輯相關。

（3）響應（response）原語。響應原語由服務響應端的用戶發出信息到服務提供層，從而完成提示原語啟動的程序。

（4）確認（confirm）原語。驗證服務原語是由服務提供層發出并傳輸到服務請求端的用戶方，該原語是確認服務請求原語的傳遞結果。

在多用戶存在的網絡中，服務原語交換過程是兩個對等的用戶通過服務提供層交換信息，它們通過原語的傳遞，建立相關服務[5]。在其下一層提供服務的基礎上建立服務用戶的功能。層間信息傳輸流事件是離散的，是通過發送服務原語來實現事件的。協議使用服務原語來描述每一層的功能。每個原語指定要執行的操作或者提供之前請求的操作結果。一個原語也可能攜帶執行其任務所需的參數。如圖2所示。

圖2 服務原語交換過程

如上圖，N+1層為服務用戶、N層為服務提供者，在PHY層數據服務中，PHY數據請求（PD-Data. Request）原語由MAC層產生，并傳遞給PHY層，以請求傳輸一個MPDU。通知原語由第N層產生給其上一層，表明產生了一個對第N+1層很重要的事件。當PHY接收來自網絡上另一個設備的數據，這些數據需要傳送到MAC層，PHY用戶使用PD-Data的通知原語來傳送數據信息給MAC層。

如果通知原語需要一個響應，則響應原語從N+l層傳送到第N層。PHY層和NWK層沒有任何響應原語。MAC層和APL層包含響應原語。第N層使用確認原語向第N+1層確認其傳遞的請求原語已經完成。PD-Data的確認原語由PHY層實體產生并發給它的MAC子層實體，以響應一個PD-Data的請求原語。在確認時，PHY層通知MAC層傳輸是否成功。

4 結 語

PHY層是最接近硬件的層，直接控制射頻收發器并與其通信。研究PHY服務機制及PHY服務的實現原理對ZigBee在物聯網中的應用具有重要的基礎意義。

參考文獻

[l]郭園.基于ZigBee和GPRS的LED路燈智能照明控制系統的研究[D].青島：青島科技大學，2012.

[2]朱洲.基于ZigBee技術的無線自動抄表系統[D].重慶：重慶大學，2005.

[3]薛秦剛. IEEE 802.15.4的ZigBee協議棧研究與仿真[D].西安：西安理工大學，2010.

[4] Shahin Farahani.ZigBee無線網絡與收發器[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013.

[5]金純，羅祖秋，羅風，等.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業出版社，2008.