ZigBee物理层协议规范

在不同的国家和地区，ZigBee技术所允许使用的工作频率是不同的，而对于不同的应用频率范围，其调制方式。传输速率均不同，众所周知，蓝牙技术在世界多数国家都采用统一的频率范围，其范围为2.4GHz的ISM频段上，调制采用快速跳频扩频技术，而ZigBee技术不同，对于不同的国家和地区，为其提供的工作频率范围是不同的，ZigBee所使用的频率范围主要分为868/915MHz和2.4Ghz ISM频段，各个具体的频段的频率范围如下表所示:

 

   由于各个国家的地区采用的工作频率范围不同，为提高数据传输速率，IEEE802.15.4规范标准对于不同的频率范围，规定了不同的调制方式，因而在不同的频率段上，其数据传输速率不同，具体调制和传输速率如下所示：

   从上面可以看出ZigBee使用了3个工作频段，每一个频段宽度不同，其分配信道的个数也不相同，在IEEE802.15.4规范标准定义了27个物理信道，信道编号从0到26，在不同的频段其带宽不同，其中2450MHz频段定义了16个信道，915MHz频段定义了10个信道，868MHz频段定义了1个信道。这些信道的中心频率定义如下：

ZigBee物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC层以物理层无线信道的接口。在物理层中，包含一个物理层管理实体（PLME），该实体通过调用物理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接口，同时，还负责维护由物理层所管理的目标数据库，该 数据库包含有物理层个域网络的基本信息。

ZigBee物理层的结构及接口如下图:

 

图1 物理层结构模型

从图中可以看出，在物理层中，存在有数据服务接入点和物理层实体服务接入点，通过这两个服务接入点提供如下两种服务，它们是：（1）通过物理层数据服务接入点（PD-SAP）为物理层数据提供服务（2）通过物理层管理实体（PLME）服务的接入点（PLME-SAP）为物理层管理提供服务。

物理层的数据服务和管理服务都是通过各种的原语操作完成的，这里就不介绍各种原语的用法和功能了。在以后用到时再结合的具体的实例。

ZigBee协议数据单元的结构

ZigBee协议数据单元（PPDU）数据包的格式。在PPDU数据包结构中，最左边的字段优先发送和接收。在多个字节的字段中，优先发送或接收最低有效字节，而在每一个字节中优先发送最低有效位（LSB），同样在物理层与MAC层之间数据字段的传送也遵循这一规则。每个PPDU数据包由以下几个基本的部分组成：

• 同步包头SHR：允许接收设备锁定在比特流上，并且与该比特流保持同步
• 物理层包头PHR：包含帧长度的信息
• 物理层净荷：长度变化的净荷，携带MAC层的帧信息

PPDU数据包的格式如下图所示：

 

 

PPDU 数据包的格式

1．前同步码

收发机根据前同步码引入的消息，可获得码同步和符号同步的信息，在802.15.4标准协议中，前同步码由32个进制组成

2．帧定界符

帧定界符由一个字节组成，用来说明前同步码的结构和数据包数据的开始。

3．帧长度

帧长度占7个比特，它的值是PSDU中包含的字节数也即净荷数，该值在0到aMaxPHYPacketSize之间。

4．物理层服务数据单元PSDU

物理层服务数据单元的长度是可以变化的，并且该字段能够携带物理层数据包的数据。如果数据包的长度类型为5个字节或大于8个字节，那么，物理层服务数据单元携带MAC层的帧信息，即MAC层协议数据单元。

2.4GHz频带的物理层规范

．扩展调制

位准正交调制技术。在调制前，将数据信号进行转换处理，将信息按每4位信息比特进行处理，第4位信息比特组成一个符号数据，根据该符号数据，从16个几乎正交的为随机序列（PN序列）中，选取其中一个序列作为传送序列。根据所发送连续的数据信息，将所选出的PN序列串接起来，并使用O-QPSK的调制方法，将这些集合在一起的序列调制到载波上。

 

 

1）比特-符号转换器（Bit-to-Symbol）

   在对物理层协议数据单元进行调制前，必须对其所有的二进制数据进行转换处理。首先，必须将二进制数据转换成符号数据，其转换过程如下所述。

将每个字节按4比特位进行分解，将低4位转换成一个符号数据，高4位转换成一个符号数据，物理层协议数据单元的每个字节都要逐个进行处理，即从它的前同步码字段开始到它的最后一个字节。在每个字节处理过程中，优先处理低4位，随后处理高4位。

2）符号-码片的映射（Symbo-to-Chip）

   根据处理得到的符号数据，将其进行扩展，即每个符号数据映射成一个32位的伪随机序列（PN序列），这些PN序列通过循环移位或者相互结合（如奇数位取反）等相互关联。

3）O-QPSK调制

扩展后的码元序列通过采用半正弦脉冲形式的O-QPSK调制方法，将符号数据信号调制到载波信号上。其中，编码为偶数的码元调制到I相位的载波上，编码为奇数的码元，调制到Q相位的载波上。每个符号数据由32码元的序列来表示，所以，码元速率是符号速率的32倍。为了使I相位的码元要延迟T_c 秒发送，T_c是码元速率的倒数。