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(tǒng)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IEEE802.15.4 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(guī)范，所以 ZigBee協議棧的物理（PHY） 層和媒體訪問控制（MAC）層是按照 IEEE802.15.4標準規(guī)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 2.4GHz物理 層和868/9l5MHz物理層兩個物理層標準， 數據傳輸速率高達250kb/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(yōu)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(qū)別。2.4GHz 頻段申請的ISM頻段在全球范圍內無需統(tǒng)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 250kb/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(jié)點更加節(jié)電。歐洲的ISM頻段是 868MHz，美國的ISM頻段是 915MHz，引入868MHz及 915MHz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(fā)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(qū)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(fā)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?zhèn)鬏斀Y果（成功或失敗）。當射頻收發(fā)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。

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(chuàng)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?？臻e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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(zhí)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(zhí)行其任務所需的參數。如圖 2 所示。

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(fā)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(fā)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。