ZigBee

2. 05 ZigBee  概述  IEEE 802.15.4 實體層通訊協定  IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定  ZigBee網路層通訊協定  ZigBee相關之研究課題  ZigBee之群播協定 PART II

3. 5.1 概述 • ZigBee/IEEE 802.15.4 標準是一個簡單但具彈性的封包資料通訊協定，能滿足簡單的服務品質需求，並為低資料傳輸速率的應用做到最佳化的設計。其主要優勢特徵包含：(1) 更持久的電池使用壽命、(2) 具彈性的網路架構、 (3) 低複雜度的軟硬體設計方案。

4. 5.2 IEEE 802.15.4 實體層通訊協定 • IEEE 802.15.4 的實體層訊框（PHY frame）是由同步標頭（Synchronization header）、實體層標頭（PHY header）與實體層資料承載（PHY payload）組成。同步標頭中包含用來同步化時間的前置位元（Preamble）與用來表示封包起始的封包定義起始（Start of packet delimiter），其中封包定義起始直接使用「11100101」表示。實體層資料的內容為實體層資料單元的長度及 1 bit 的保留位元。實體層資料承載中的內容為實體層資料單元（PHY service data unit, PSUD），資料長度為 0~127 位元組。

5. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 在 IEEE 802 的規範中將資料鏈結層分為兩個子層：邏輯鏈結（Logical Link Control, LLC）子層與媒介存取控制（Medium Access Control, MAC）子層。

6. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.1 Superframe架構 • Superframe的時間長短就是為協調者所發出的 Beacon 間隔（Beacon Interval, BI），一個 Superframe可以細分為活動區間（Active portion）跟閒置區間（Inactive portion）

7. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.1 Superframe架構 • 依據 IEEE 802.15.4 媒介存取控制子層規範，Beacon 訊框在時槽 0 傳送，Beacon 的目的有裝置同步、宣告 PAN 的存在、通知網路中的其他節點說有暫存的封包存於網路協調者以及告知 Superframe的結構。

8. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.2 資料傳輸模型 • 在 IEEE 802.15.4 中共定義了三種資料傳輸的模型：1) 資料由裝置送給網路協調者、2) 資料由網路協調者送給裝置、3) 資料於裝置間對等傳輸（Peer-to-peer）。在星狀拓撲網路的資料傳送方式只有前兩者；對等拓撲網路的資料傳送方式則三種模式都有可能發生。

9. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.2 資料傳輸模型 • 5.3.2.1 資料由裝置送給網路協調者

10. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.2 資料傳輸模型 • 5.3.2.2 資料由網路協調者送給裝置

11. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.2 資料傳輸模型 • 5.3.2.3 資料於裝置間對等傳輸 • 在對等拓樸中，每個裝置可能直接和傳輸範圍內的其他裝置直接通訊。為了要能更有效率的通訊傳輸資料，想要傳輸資料的裝置將無法進入睡眠模式。而裝置將使用 Unslotted CSMA/CA 機制來傳送資料。

12. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.3 CSMA/CA 機制 • Unslotted CSMA/CA的類似於 IEEE 802.11 的 CSMA/CA 機制。每當一個裝置有資料訊框或是命令訊框要傳送時，它必須等待一個隨機產生的亂數期間，當等待的時間結束後，如果這時頻道沒有被使用，則該裝置可以開始傳送資料；如果這時候頻道是忙碌的，則該裝置在嘗試去使用頻道前必須再次等待另一個隨機產生的亂數期間。

13. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.3 CSMA/CA 機制

14. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.3 CSMA/CA 機制 • 使用於 Beacon-enabled 網路裡之 Slotted CSMA/CA 機制則較為不同，當裝置們收到網路協調者所發出的 Beacon 後，他們會將後退時槽對準 Beacon發出的時間。在競爭區間中每當一個裝置有資料訊框要傳送時，它必須先找出下一個後退時槽的起始邊界，然後等待隨機產生的若干個後退時槽時間，當等待的時間結束後，如果這時候頻道是忙碌的，根據隨機延遲機制，該裝置在嘗試去競爭媒介前必須再次等待另一隨機產生的若干個後退時槽時間；如果這時媒介沒有被使用，則裝置必須要再次地檢查是否媒介是否為忙碌，如果這時媒介還是沒有被使用，則該裝置可在下一個後退時槽的起始邊界開始傳送資料訊框。

15. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.3 CSMA/CA 機制

16. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.3 CSMA/CA 機制

17. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.4 省電模式 • 在 IEEE 802.15.4 中亦定義了省電機制。其基本概念為要降低裝置的工作週期（Duty cycle），使得每個裝置都能夠盡量減少其運作的時間，所以電池的使用壽命可以從數個月到數年。而進入休眠模式則會有訊息延遲增加的問題，並且對網路的傳輸效能帶來相當的影響，因此該不該進入休眠模式以及進入休眠模式的時間長短主要端看使用者所需的應用及環境而定。

18. 5.4 ZigBee網路層通訊協定 • ZigBee網路層協定的目的為提供可靠和安全傳輸，ZigBee提出三種網路架構：星狀（Star topology）、樹狀（Tree topology）以及網狀（Mesh topology）網路。一個 ZigBee協調者（ZigBee coordinator）負責初始、維持及控制網路。

19. 5.4 ZigBee網路層通訊協定 • 5.4.1 ZigBee網路的形成 • 在網路一啟動時，網路中的 FFD 們競爭成為 ZigBee協調者，假定一裝置成功地成為協調者，該協調者將掃描所有的無線頻道並且決定一個合適的作為操作頻道，接著該協調者開始廣播 Beacon 訊框來讓其他的裝置能夠加入它所形成的網路。當裝置接收到一 Beacon 訊框，該裝置執行加入網路的步驟成為 ZigBee路由器或者作為一個 ZigBee末端設備。如果成為一 ZigBee路由器，此路由器也能夠發送 Beacon 訊框來讓尚未加入網路的裝置加入此網路。

20. 5.4 ZigBee網路層通訊協定 • 5.4.2 ZigBee網路位址分配演算法 • ZigBee路由器利用 Cm、Rm和 Lm 來計算一個稱為 Cskip的參數，接著再利用 Cskip來計算其子路由器以及終端設備的網路位址，假定一路由器位於網路的第 d 層，Cskip的數值可經由下式得到：

21. 5.4 ZigBee網路層通訊協定 • 5.4.2 ZigBee網路位址分配演算法

22. 5.4 ZigBee網路層通訊協定 • 5.4.3 ZigBee路由協定 • 在一個樹狀網路中，ZigBee協調者和路由器沿著樹傳送封包。當一裝置 n接收到一封包，首先檢查它是否為目的地節點（destination）或者它的一個小孩是否為目的地。如果是，裝置 n 將接受該封包或者將該封包轉送給指定小孩。否則，它將沿著樹轉送封包給它的小孩或是給它的父節點，假設 n 的位址為 A n 且其深度為 d，n 將這一封包轉送給其小孩如果這一封包的目的地位址 A dest滿足此條件：A n <A dest <A n +Cskip +(d-1)，並且這一封包會轉送給位址為 • 的小孩。如果目的地位址 A dest並非為裝置 n 的後裔descendants）則 n 將該封包轉送給其父節點。

23. 5.4 ZigBee網路層通訊協定 • 5.4.3 ZigBee路由協定

24. 5.5 ZigBee相關之研究課題 • 5.5.1 ZigBee網路生成問題 • 由於 Cm、Rm及 Lm 的限制，即使一個小型網路也有可能使得有孤兒節點（Orphan node）存在

25. 5.5 ZigBee相關之研究課題 • 5.5.2 ZigBee樹狀網路中資料傳遞排程 • 在 ZigBee樹狀網路中，裝置可採取類似分時多工（Time Division Multiple Access，TDMA）的技巧來分配節點的傳輸時間，網路當中的 Sink 發送Beacon 封包宣告網路 Superframe格式，在一個 Beacon 間隔（BI）時間內，時間可以邏輯上被切割成由 Outgoing superframe所組成之多組時槽Time Slot），也就是一個 Beacon 間隔時間內最多可以有 k=2 (BO － SO) 個時槽可供使用，而 Sink 佔領一時槽用以接收或傳送網路上其他裝置之資料，而剩餘之時槽可供網路中的其他中繼路由器節點使用，中繼路由器節點亦藉由發送Beacon 封包宣告其所佔據之時槽，當一終端設備節點 D 收到某路由器 A 之Beacon，終端設備節點 D 可在路由器 A 所佔領之時槽傳送給路由器 A，或是接收路由器 A 所要傳送給終端設備節點 D 之資料。

26. 5.5 ZigBee相關之研究課題 • 5.5.2 ZigBee樹狀網路中資料傳遞排程

27. 5.5 ZigBee相關之研究課題 • 5.5.2 ZigBee樹狀網路中資料傳遞排程

28. 5.5 ZigBee相關之研究課題 • 5.5.2 ZigBee樹狀網路中資料傳遞排程

29. 5.6 ZigBee之群播協定 • 群播（Multicast）指的是將資料傳送到同一群體的成員們的資料傳遞模式。