基于ZigBee协议栈的PHY服务研究

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IEEE802.15.4 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 IEEE802.15.4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 2.4GHz物理 层和868/9l5MHz物理层两个物理层标准， 数据传输速率高达250kb/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 250kb/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 868MHz，美国的ISM频段是 915MHz，引入868MHz及 915MHz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。

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。

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。