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IEEE 802.15.4- Supframe

IEEE 802.15.4- Supframe. 演講者:李嘉凱 指導教授:柯開維. Outline. 無線感測 網路 IEEE 802.15.4 Superframe CSMA/CA Reference. 無線感測 網路. 無線感測網路( Wireless sensor network )是由許多在空間中分布的自動裝置組成的一種無線通訊計算機網路, 這些裝置 使用感測器協作地監控不同位置的物理或環境狀況(比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物) 。 無線感測網路主要包括三個方面: 感應、通訊、計算 ( 硬體、軟體 、 演算法 ) 。

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Presentation Transcript


  1. IEEE802.15.4-Supframe 演講者:李嘉凱 指導教授:柯開維

  2. Outline • 無線感測網路 • IEEE802.15.4 • Superframe • CSMA/CA • Reference

  3. 無線感測網路 • 無線感測網路(Wireless sensor network)是由許多在空間中分布的自動裝置組成的一種無線通訊計算機網路,這些裝置使用感測器協作地監控不同位置的物理或環境狀況(比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物)。 • 無線感測網路主要包括三個方面:感應、通訊、計算(硬體、軟體、演算法)。 • 無線感測網路有著許多不同的應用。在工業界和商業界中,它用於監測數據,而如果使用有線感測器,則成本較高且實現起來困難。無線感測器可以長期放置在荒蕪的地區,用於監測環境變數,而不需要將他們重新充電再放回去。 • 無線感測網路的應用包括視頻監視,交通監視,航空交通控制,機器人學,汽車,家居健康監測和工業自動化。在環境監控中一個典型的應用就是感測網(Sensor Web,或SW)。最近,感測器網路是用來監視有效利用電力,如日本的例子。

  4. IEEE802.15.4 • IEEE 802.15,WPAN為近距離無線通訊標準針對低速無線個人區域網路(Low Rate-Wireless Personal Area Network, LR-WPAN),並由美國電機電子工程師協會(IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers)在 2003 年的夏天所通過的一項無線通訊協定。並隨即由ZigBee聯盟所認可。 • 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。

  5. IEEE802.15.4 • IEEE 802.15.4 低速率無線個人區域網路(LR-WPAN) 主要的特點如下: • 無線傳播的速率有三種:250kb/s,40kb/s,20kb/s • 星狀或是點對點的網路 • 使用16-bit 的短位址 (short address) 或是64-bit 的延伸位址 (extended address) • 具保證傳輸時槽(guarantee time slot,GTS) 配置 • CSMA/CA 頻道存取通訊協定 • 所有訊框皆有錯誤偵測碼 CRC-16 以增加傳輸的可靠性 • 低功率消耗 • 能量偵測 • 連線品質偵測 • 2450MHz 頻段配置16 個頻道, 915MHz 頻段配置10 個頻道,868MHz 頻段配置1 個頻道

  6. IEEE 802.15.4 、peer-to-peer 跟 meshnetwork

  7. IEEE802.15.4 • IEEE 802.15.4的裝置種類: • 全功能裝置(Full Function Device, FFD):可使用於任何種類的拓樸網路並可成為網路協調者(PAN coordinator)。 • 簡化功能裝置(Reduced Function Device, RFD):不能成為為網路協調者(PAN coordinator) 通常只和一個全功能裝置(FFD)通訊。但價格較便宜。

  8. IEEE802.15.4

  9. IEEE802.15.4

  10. IEEE802.15.4 • IEEE802.15.4概括定義以下四種訊息架構: • Beacon Frame:做為coordinotar與所屬device同步的重要訊息格式。 • Data Frame:是用於傳送上層應用程式的資料。 • Acknowledgment Frame:決定是否使用Acknowledgment Frame在於 IEEE 802.15.4 的上層應用程式的服務。 • MAC Command Frame:除了傳送與接收資料外,如何參與一個網路,如何發出傳送資料的需求等,都需要靠MAC Command Frame來達成。

  11. IEEE802.15.4 • IEEE802.15.4概括定義以下四種訊息架構: • Beacon Frame:做為coordinotar與所屬device同步的重要訊息格式。 • Data Frame:是用於傳送上層應用程式的資料。 • Acknowledgment Frame:決定是否使用Acknowledgment Frame在於 IEEE 802.15.4 的上層應用程式的服務。 • MAC Command Frame:除了傳送與接收資料外,如何參與一個網路,如何發出傳送資料的需求等,都需要靠MAC Command Frame來達成。

  12. Superframe架構 • Superframe實際上為IEEE802.15.4 的運作周期。該週期之起始與結束都是以協調者發出的Beacon做為指標。 • 但在non-Beaconmode下裝置間的資料傳輸就不是以Superframe的流程。 • 一個Superframe可以分為: • 閒置部分(Inactive portion) : 進入省電模式 • 活躍部分(Active portion) :分成 16 [0~15]時槽(slot) • 16 時槽可分為競爭期(Contention access period)與免競爭期(Contention free period) • 而免競爭期中又將分割為數個保證(固定)時槽(guarantee time slots, GTS)

  13. Superframe架構 • Superframe架構由Beacon中的兩參數 (BO) 與 (SO) 控制: • BO (Beacon Order):決定superframe的長度 • SO (Superframe Order):決定superframe中的活躍部分(active potion) 之長度 • BO與SO 滿足不等式:0≦SO≦BO≦14 • 當SO=15時 ->不使用superframe架構 • 活躍(active)部分的長度被設定為:aBaseSuperframeDuration* symbols • Superframe的長度被設定為: aBaseSuperframeDuration* symbols • 應用(application)程式需要低延遲或固定速率時,可要求協調者給予免競爭期中的一些GTS供其使用。(GTS可大於一個slot。)

  14. Superframe架構(Beacon)

  15. CSMA/CA algorithm • 在IEEE802.15.4中的CSMA/CA演算法可以依據是否採用Beacon(Superframe)而分成兩種: • slotted CSMA/CA • slotted CSMA-CA 演算法使用的基本時間單位: BackoffPeriod (BP) = aUnitBackoffPeriod = 80 bits (0.32 ms) • unslotted CSMA/CA

  16. Reference • IEEE 802 Working Group, “IEEE 802 Working Group, “Standard for Part 15.4:Wireless Medium Access Control (MAC)and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)”, ANSI/IEEE 802.15.4, April. 2012.

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