无线物联网协议详解

# 无线物联网协议详解 ## 1. Z - Wave协议 Z - Wave由ZenSys公司创建，作为支持智能家居产品（如灯光控制、恒温器和车库门开启器）的无线连接。2003年，ZenSys开始销售Z - Wave产品；2005年，其他公司加入形成Z - Wave联盟；2008年，ZenSys被Sigma Designs收购。 ### 1.1 协议特点 Z - Wave专为实现家庭自动化产品和应用而开发，其物理层注重低功耗、延长电池寿命，并能在室内环境中良好传播。 ### 1.2 协议栈 Z - Wave协议栈有五层： - 物理层（PHY）：处理无线电和调制解调器功能。 - 媒体访问层（MAC）：处理介质的载波侦听多路访问。 - 传输层：处理错误检查、确认和重传请求。 - 路由层：处理通过网状网络的路由。 - 应用层：是应用的核心。 ### 1.3 标准情况 2012年，国际电信联盟将Z - Wave的下两层标准化为ITU G.9959。独立标准机构对下层进行标准化是其他无线物联网协议的趋势，Z - Wave联盟则为上层操作提供规范。 | 层 | 功能 | | --- | --- | | 物理层 | 处理无线电和调制解调器功能 | | 媒体访问层 | 处理介质的载波侦听多路访问 | | 传输层 | 处理错误检查、确认和重传请求 | | 路由层 | 处理通过网状网络的路由 | | 应用层 | 应用核心 | ## 2. IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4是涵盖低速率无线个人区域网络（LR - WPAN）的IEEE标准。它本身不是无线物联网实现或技术，而是技术遵循的标准，基于该标准的无线物联网技术包括ZigBee和Thread规范。 ### 2.1 发展历程 - 2003年，首次标准化为IEEE 802.15.4 - 2003，规定了信道计划和二进制相移键控（BPSK）、偏移正交相移键控（OQPSK）调制方案。 - 2006年，更新为IEEE 802.15.4 - 2006时，增加了并行序列扩频。 - 之后又更新为IEEE 802.15.4 - 2011和IEEE 802.15.4 - 2015，增加了新波形和功能。 ### 2.2 频率频段 IEEE 802.15.4确定了三个频段：2.4 GHz国际工业、医疗和科学（ISM）频段、915 MHz ISM频段和868 MHz短程设备频段（SRD）。其中，低于1 GHz的频段不是国际性的，由各个地区定义。 ### 2.3 信道计划 该标准规定了27个信道，编号从0到26，具体频率如下表所示： | 信道 | 范围 | | --- | --- | | 0 | 868.3 MHz | | 1 - 10 | 904 + 2 * n MHz | | 11 - 26 | 2350 + 5 * n MHz | ### 2.4 收发器 IEEE 802.15.4所需的接收器灵敏度随调制类型和操作频段而变化，在指定的接收器灵敏度下，接收器预计以1%或更低的数据包错误率（PER）运行，具体灵敏度如下表： | 频段 | 调制 | 灵敏度 | | --- | --- | --- | | 2.4 GHz | OQPSK | - 85 dBm | | 低于1 GHz | BPSK | - 92 dBm | | 低于1 GHz | ASK | - 85 dBm | | 低于1 GHz | OQPSK | - 85 dBm | ### 2.5 频率信道选择 - 2.4 GHz频段：允许供应商生产国际通用的解决方案，但该频段非常拥挤。IEEE 802.15.4可以选择多个信道中的一个进行操作，使用直接序列扩频来减轻信道内干扰。 - 低于1 GHz频段：允许更好的室内传播，且环境不太拥挤。 ### 2.6 典型范围 基于相关参考，IEEE 802.15.4的典型操作范围在10米到100米之间。 ### 2.7 访问和扩频技术 - 访问方式：使用频分多址（FDMA）进行信道定义，同一网络中的所有节点共享单个频率信道。 - 扩频技术：根据频段和调制方式使用直接序列扩频（DSSS）和并行序列扩频（PSSS）两种技术。 | 频段 | 调制 | 扩频 | | --- | --- | --- | | 2.4 GHz/915 MHz/868 MHz | OQPSK | DSSS (16 - ary) | | 868 MHz/915 MHz | ASK | PSSS | | 868 MHz/915 MHz | BPSK | DSSS (binary) | ### 2.8 调制和数据速率 IEEE 802.15.4根据操作频段使用不同的物理层，调制和数据速率如下表： | 频段 | 调制 | 数据速率 | | --- | --- | --- | | 2.4 GHz/915 MHz | OQPSK | 250 kb/s | | 868 MHz | OQPSK | 100 kb/s | | 868 MHz/915 MHz | ASK | 250 kb/s | | 868 MHz | BPSK | 20 kb/s | | 915 MHz | BPSK | 40 kb/s | ### 2.9 错误检测和纠正 IEEE 802.15.4不使用前向纠错技术，使用循环冗余校验来检测接收数据包中是否发生比特错误。由于没有前向纠错，单个比特错误将需要重新传输数据包。 ### 2.10 网络拓扑 IEEE 802.15.4识别两种拓扑：星形和对等（网状）拓扑，还列出了“集群树”作为网状拓扑的用例。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(2.4 GHz频段):::process --> B(国际通用解决方案):::process A --> C(频段拥挤):::process C --> D(选择信道操作):::process D --> E(使用DSSS减轻干扰):::process F(低于1 GHz频段):::process --> G(更好室内传播):::process F --> H(环境不太拥挤):::process ``` ## 3. ZigBee规范 ZigBee规范最初由Ember公司开发，旨在让无线物联网网络能够容纳大量节点，最终形成了一个低功耗、低数据速率的无线个人区域网络（WPAN），其可容纳的节点数量比蓝牙多一个数量级。 ### 3.1 发展历程 2003年，IEEE 802.15.4获得批准；2005年，ZigBee联盟发布了ZigBee规范1.0；2012年，Silicon Labs收购了Ember。 ### 3.2 与IEEE 802.15.4的关系 ZigBee规范与IEEE 802.15.4标准紧密相关，但二者并不等同。IEEE 802.15.4标准提供了广泛的物理层规范，而ZigBee规范仅对其中的一部分进行了标准化。 ### 3.3 协议栈 ZigBee规范的协议栈如下： - 物理层：处理频率转换、调制和扩频。 - 媒体访问层：处理载波侦听多路访问（CSMA）、以时隙形式的时分多址（TDMA）、错误检测和重传。 - 网络层：处理网络发现、网络管理和路由。 - 应用层：是应用的核心，ZigBee规范提供了统一的支持子层，以便在无线链路和下层网络的基础上构建众多高层标准。 | 层 | 功能 | | --- | --- | | 物理层 | 处理频率转换、调制和扩频 | | 媒体访问层 | 处理CSMA、TDMA时隙、错误检测和重传 | | 网络层 | 处理网络发现、管理和路由 | | 应用层 | 应用核心，提供统一支持子层 | ### 3.4 频段与数据包结构 ZigBee规范可在多个频段运行，每个选定频段的物理层均采用IEEE 802.15.4标准。其数据包在媒体访问和物理层的布局遵循IEEE 802.15.4的结构。 ## 4. Thread协议 Thread由Alphabet Inc.（谷歌母公司）的子公司Nest Labs开发。Nest Labs在智能家居设备开发方面经验丰富，2014年，Nest Labs与其他行业伙伴共同成立了Thread Group，负责维护和推广Thread协议。 ### 4.1 协议栈 Thread协议栈如图所示，它基于IEEE 802.15.4标准，与ZigBee规范类似，Thread Group维护协议的上层，而IEEE维护下层。其物理和MAC层由在2.4 GHz ISM频段运行的IEEE 802.15.4 OQPSK PHY定义。 Thread协议栈遵循TCP/IP参考模型： - 传输层职责由用户数据报协议（UDP）完成，UDP是一种无连接的传输协议。 - 互联网层职责通过互联网协议第6版（IPv6）和“低功耗无线个人区域网络上的IPv6”（6LoWPAN）实现。 ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px A(Thread协议栈):::process --> B(UDP传输层):::process A --> C(IPv6和6LoWPAN互联网层):::process A --> D(IEEE 802.15.4物理和MAC层):::process ``` ## 5. Wi - Fi “Wi - Fi”已成为“无线互联网”的代名词，它实际上是Wi - Fi联盟的商标。Wi - Fi联盟是一个非营利组织，负责认证无线产品的Wi - Fi互操作性，实际用于无线局域网（WLAN）的无线协议由IEEE 802.11规范定义。 ### 5.1 发展与标准 IEEE 802.11标准于1997年首次发布，多年来经过多次修订。Wi - Fi联盟仅对标准中包含的部分波形进行认证，即我们使用的“Wi - Fi”仅采用了其中的一部分波形。 ### 5.2 与物联网的关系 虽然本书主要关注低功耗、低数据速率的无线物联网设备网络，Wi - Fi的能耗问题使其不太符合这一要求，但IEEE 802.11标准为物联网提供了许多服务，并常作为无线物联网设备网络的网关。 ### 5.3 协议栈 Wi - Fi建立WLAN的协议栈遵循TCP/IP栈，最低层（链路层）由IEEE标准定义，上层由互联网工程任务组（IETF）定义。最低层包括物理层、MAC层和数据链路层，IEEE 802.11和IEEE 802.3（以太网）都定义了物理和MAC层，并与由IEEE 802.2标准定义的数据链路层接口，二者均可用于创建局域网，IEEE 802.11为物理电缆提供了无线替代方案。 ### 5.4 频段与信道 Wi - Fi在2.4 GHz和5 GHz ISM频段运行，任一频段都可作为设备网络的网关。2.4 GHz频段的Wi - Fi操作会对许多设备网络造成干扰。 2.4 GHz频段的Wi - Fi信道从1号信道（2412 MHz）开始，到13号信道（2472 MHz）结束，信道间隔为5 MHz，但信道宽度大于5 MHz，导致信道重叠。通常选择非重叠的信道集使用，如在美国常用的1、6和11号信道。此外，还有一个中心频率为2484 MHz的14号信道，其可用性取决于具体的操作地区。 | 频段 | 信道范围 | 信道间隔 | 特点 | | --- | --- | --- | --- | | 2.4 GHz | 1 - 13 | 5 MHz | 信道重叠，需选非重叠信道集 | | 2.4 GHz | 14 | - | 可用性取决于地区 | ### 5.5 物理层技术 Wi - Fi采用正交频分复用（OFDM）和直接序列扩频（DSSS）两种物理层技术。由于本书重点不在Wi - Fi，OFDM的理论概念将在其他文献中讨论，而DSSS被ZigBee等无线物联网协议使用。