基于ZigBee协议栈的PHY服务研究

吴清秀

摘 要：ZigBee是一种标准，ZigBee联盟在IEEE 802.15.4定义的物理（PHY）层和媒体访问控制（MAC）层基础之上制定的一种低速无线个域网技术规范，规定了PHY协议的功能及如何与MAC层交互。讨论PHY服务机制及PHY服务的实现原理。

关键词：ZigBee；PHY服务；原语；MAC层

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）06-00-02

0 引 言

ZigBee无线网络协议层基于国际标准化组织（ISO）和开放式系统互联（OSI）基本参考模型。ISO/OSI模型有7层，但ZigBee仅保留了对于组建低功耗、低数据率的无线网络所需的功能层。物理层和媒体接入控制协议是在IEEE 802.15.4中描述的低速率无线个人局域网，在其定义的物理（PHY）层和媒体访问控制（MAC）层基础上制定的一种低速无线个域网（LR-WPAN）技术规范，所以ZigBee协议栈的物理（PHY）层和媒体访问控制（MAC）层是按照IEEE 802.15.4标准规定来工作的，网络（NWK）层和应用（APL）层由ZigBee标准定义[1]。

1 PHY概述

IEEE802.15.4协议描述中分别有2.4 GHz物理层和868/9l5 MHz物理层两个物理层标准，数据传输速率高达250 kb/s。两个物理层使用的传输方式都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），简称直扩方式（DS方式），在物理层使用相同的数据包格式，其低功耗、低成本的优点使它在很多领域获得了广泛的应用[2]。在于调制方式、工作频率、扩频码片长度和传输速率方面有所区别。2.4GHz频段申请的ISM频段在全球范围内无需统一申请，有利于ZigBee设备降低生产成本和市场推广；另外通过采用高阶调制可以达到250 kb/s的传输速率，从而获得极小的通信延时、极短的周期以及更大的吐吞量，从而ZigBee网络中的终端节点更加节电。欧洲的ISM频段是868 MHz，美国的ISM频段是915 MHz，引入868 MHz及915 MHz这两个频段可以使2.4 GHz附近的无线通信设备在不互相影响的条件下发出各自的频率。这两个频段在无线信号传输过程由于表现出小损耗特点，因而拥有极广的通信范围，可以适当降低接收机的灵敏度而不改变传输质量，从而在给定区域用较少设备进行有效覆盖。

2 PHY服务机制

PHY层提供两种类型的服务：PHY数据服务和PHY管理服务。PHY数据服务负责在射频信道中收发PHY协议数据单元（PPDU）。PHY还有一个称为物理层管理实体（PLME）的管理实体，通过PLME可以唤醒PHY管理功能。

（1）PHY数据服务

数据总是以MAC协议数据单元（MPDU）的形式进行传输。本地MAC需要传输数据时，就向PHY提供一个MPDU. PHY尝试进行传输，然后向MAC报告传输结果（成功或失败）。当射频收发器收到数据后，PHY层通知MAC层收到了一个MPDU。PHY层不仅向MAC层提供MPDU，还向MAC层提供链路质量指标（LQI）信息。如图1所示。

图1 两台设备间的数据传输服务

数据可以由MAC层产生，更高层完全不知道这个数据的存在。数据由ZigBee设备对象（ZDO）或应用支持子层应用对象产生。在传输过程中，每一层都对数据单元（DU）加入自己的头部和尾部（如果允许），然后将该结果传递给下一个更低层。每一层的数据单元都以该层的名称命名。在APS层和NWK层，数据单元分别被称为APS协议数据单元（APDU）和NWK协议数据单元（NPDU）。PHY数据服务接收一个MAC协议数据单元（MPDU）并创建将通过射频传输的PHY协议数据单元（PPDU）。在接收端，数据从某一层向上传输到下一个更高层，直到数据单元到达目的层头部和尾部被删除。

（2）PHY管理服务

管理实体提供的管理服务有：信道能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）、空闲信道评估（CCA）等。信道中接收信号的功率强度是由信道能量检测来完成的，是为上层提供信道选择的依据[3]。噪声信号功率和有效信号功率之和作为信道检测结果的依据，其检测过程没有进行解码操作。而链路质量指示对检测信号需要进行解码操作，生成一个信噪比的指标值，为上层提供接收的无线信号的质量和强度服务信息。空闲信道评估主要评估信道指标值是否空闲。

3 PHY服务实现

IEEE 802.15.4和ZigBee标准使用原语的概念来描述服务，这些服务由上一层使用。相邻协议层之间的通信是通过在层与层之间调用函数或传递原语来管理的。服务原语的概念是比较抽象的，要实现特定层提供的服务需要由它来指定需要传递的信息来完成。服务原语与具体的服务实现无关，服务原语有请求、通知、响应、确认4种情况[4]，具体如下：

（1）请求（request）原语。请求原语由网络服务请求方的用户发送特定信息到它的服务提供层进行响应，请求启动某一项服务。

（2）通知（indication）原语。指示原语由网络用户的服务提供层发送到对应服务响应方用户的相应层，跟远端服务请求逻辑相关。

（3）响应（response）原语。响应原语由服务响应端的用户发出信息到服务提供层，从而完成提示原语启动的程序。

（4）确认（confirm）原语。验证服务原语是由服务提供层发出并传输到服务请求端的用户方，该原语是确认服务请求原语的传递结果。

在多用户存在的网络中，服务原语交换过程是两个对等的用户通过服务提供层交换信息，它们通过原语的传递，建立相关服务[5]。在其下一层提供服务的基础上建立服务用户的功能。层间信息传输流事件是离散的，是通过发送服务原语来实现事件的。协议使用服务原语来描述每一层的功能。每个原语指定要执行的操作或者提供之前请求的操作结果。一个原语也可能携带执行其任务所需的参数。如图2所示。

图2 服务原语交换过程

如上图，N+1层为服务用户、N层为服务提供者，在PHY层数据服务中，PHY数据请求（PD-Data. Request）原语由MAC层产生，并传递给PHY层，以请求传输一个MPDU。通知原语由第N层产生给其上一层，表明产生了一个对第N+1层很重要的事件。当PHY接收来自网络上另一个设备的数据，这些数据需要传送到MAC层，PHY用户使用PD-Data的通知原语来传送数据信息给MAC层。

如果通知原语需要一个响应，则响应原语从N+l层传送到第N层。PHY层和NWK层没有任何响应原语。MAC层和APL层包含响应原语。第N层使用确认原语向第N+1层确认其传递的请求原语已经完成。PD-Data的确认原语由PHY层实体产生并发给它的MAC子层实体，以响应一个PD-Data的请求原语。在确认时，PHY层通知MAC层传输是否成功。

4 结 语

PHY层是最接近硬件的层，直接控制射频收发器并与其通信。研究PHY服务机制及PHY服务的实现原理对ZigBee在物联网中的应用具有重要的基础意义。

参考文献

[l]郭园.基于ZigBee和GPRS的LED路灯智能照明控制系统的研究[D].青岛：青岛科技大学，2012.

[2]朱洲.基于ZigBee技术的无线自动抄表系统[D].重庆：重庆大学，2005.

[3]薛秦刚. IEEE 802.15.4的ZigBee协议栈研究与仿真[D].西安：西安理工大学，2010.

[4] Shahin Farahani.ZigBee无线网络与收发器[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013.

[5]金纯，罗祖秋，罗风，等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京：国防工业出版社，2008.