課程參與度之評估方式

1. 課程參與度之評估方式 • 上課時必須專心聽講，跟上進度，參與討論 • 扣分項目 • 玩線上遊戲一次扣1分 • 玩手機一次扣1分 • 睡覺一次扣1分 • 聊天一次扣1分 • 無法回答老師提出的問題一次扣1分 • 加分項目 • 主動回答老師的問題一次加2分 • 找出老師程式中的錯誤一次加1分 • 修正老師程式中的錯誤一次加4分

2. 無線通訊網路CH05 ZigBee 鄧姚文

3. 大綱 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

4. 概述 • WMAN 無線都會網路: 802.16 • WLAN 無線區域網路: 802.11 • WPAN 無線個人網路: 802.15

5. 802.15 Working Group • 802.15.1: 藍芽(Bluetooth)通訊標準 • 802.15.2: 定義802.15在2.4G公用頻帶的互通性 • 802.15.3: WiMedia 定義短距離 高頻寬的通訊標準 (110~200Mbps, 個人多媒體傳送) • 802.15.4: ZigBee 定義短距離 低速率的通訊標準

6. 802.15 Working Group

7. 802.15 Working Group • 802.11b vs Bluetooth vs ZigBee

8. ZigBee Overview (4/7) • The IEEE 802 Wireless Space WRAN MBWA

9. 5.1 概述 • ZigBee/IEEE 802.15.4 • 簡單 • 彈性 • 最佳化低資料傳輸速率應用 • 優勢 • 更持久的電池使用壽命 • 具彈性的網路架構 • 低複雜度的軟硬體設計方案

11. 5.1 概述 • LR-WPAN (Low Rate Wireless Personal Network) • 拓樸 Topology • 星狀 Star • 對等 Peer-to-Peer • 兩種裝置 • 全功能裝置 FFD: Full Function Device • 可與任何裝置通訊 • 可成為網路協調者 (PAN coordinator) • 簡化功能裝置 RFD: Reduced Function Device • 只可與網路協調者通訊 • 價格便宜

12. 5.2 IEEE 802.15.4 PHY實體層通訊協定 • 868 MHz（ 868.0 MHz ~ 868.6 MHz ）歐洲 • Channel 0: • 20 Kbps • 915 MHz（902 MHz ~ 928 MHz）美國 • Channel 1 ~ Channel 10 • 40 Kbps each • 2.4 GHz（2.4 GHz ~ 2.4835 GHz）全球 ISM • Channel 11 ~ Channel 26 • 250 Kbps each • 總共27個Channel

13. 5.2 IEEE 802.15.4 PHY實體層通訊協定 • DSSS (直接序列展頻技術) • 使用一個展頻碼將每個位元以多個位元表示 • 展頻碼延展訊號直接讓多個位元使用 • DSSS用「互斥或」結合數位資訊流與展頻碼位元流(如下頁的例子)

14. DSSS Example DSSS (直接序列展頻技術)

15. ZigBee Radio • ZigBee所使用的頻段不同，其展頻所使用的參數也就不同。 • 在2.4GHz頻帶下所使用的modulation type是32個PN-code長度的O-QPSK, Chip Rate為2Mchip/s • 868/915MHz則使用15PN-code的BPSK, Chip Rate分別為300/600kchip/s

16. ZigBee Radio

17. DSSS IF ZigBee Radio – BPSK (1/2)

18. ZigBee Radio - BPSK (2/2)

19. ZigBee Radio – O-QPSK (1/3) • QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying)

20. ZigBee Radio – O-QPSK (2/3) • The problem of QPSK

21. ZigBee Radio – O-QPSK (3/3) • OQPSK (Offset QPSK)

22. 802.15.4 MAC • ZigBee的frame種類有四種： • Data frame是用來傳輸資料 • Beacon是用來做同步化 • Acknowledgment frame • Mac command frame則是用來下些指令，例如data request

23. 802.15.4 MAC • ZigBee的傳輸模式有兩種 • Slotted • Coordinator 訂時發出 Beacon 同步 • 適合傳輸定時性資料和需要低延遲的資料 • Unslotted • 靠 CSMA/CA 搶頻寬 • 適合不定時的資料

24. 5.2 IEEE 802.15.4 實體層通訊協定 • 實體層訊框（PHY frame） • 同步標頭（Synchronization Header） • 前置位元（Preamble） • 封包定義起始（Start of packet delimiter） 11100101 • 實體層標頭（PHY Header） • 實體層資料承載（PHY Payload） • 實體層資料單元（PHY service data unit, PSDU） • 資料長度 0~127 位元組

26. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 邏輯鏈結（Logical Link Control, LLC） • IEEE 802.2 • 媒介存取控制（Medium Access Control, MAC）

27. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.1 Superframe架構 • Superframe長度=1個 Beacon 間隔（Beacon Interval, BI） • 細分為 • 活動區間（Active Portion） • Contention Access Period (CAP) 競爭區間 • Contention Free Period (CFP) 免競爭區間 • 閒置區間（Inactive Portion）

28. Superframe Structure CAP: Contention Access Period CFP: Contention Free Period SD: Superframe Duration BI: Beacon Interval http://www.prismmodelchecker.org/casestudies/zigbee.php

30. 5.3.1 Superframe架構 • Beacon • 在 Slot 0 傳送 • 目的 • 裝置同步 • 宣告 PAN 的存在 • 通知網路中的其他節點，網路協調者有暫存的封包 • 告知 Superframe的結構

32. 5.3.2 資料傳輸模型 • 資料傳輸的模型 • 由裝置送給網路協調者 • 由網路協調者送給裝置 • 裝置間對等傳輸（Peer-to-Peer） • 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。

33. 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

34. 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

35. 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 • 對等拓樸 Peer-to-Peer • 不能進入睡眠模式 • Unslotted CSMA/CA

36. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5641948 • 5.3.3 CSMA/CA 機制 • 類似 IEEE 802.11 的 CSMA/CA 機制 • 當一個裝置有資料訊框或命令訊框要傳送時，必須等待一個隨機產生的亂數期間 • 等待的時間結束後，如果頻道沒有被使用，則開始傳送資料； • 否則，必須再等待另一個隨機產生的亂數期間

37. CSMA-CA Algorithm http://www.prismmodelchecker.org/casestudies/zigbee.php

38. BE: Backoff Exponent NB: Number of successive Backoffs before the current transmission CW: Contention Windows

39. 為何必須做兩次 CCA？ CCA: Clear Channel Assessment

40. 為何必須做兩次 CCA？

41. 5.3 IEEE 802.15.4 資料鏈結層協定 • 5.3.4 省電模式 • 降低裝置的工作週期（Duty Cycle） • 盡量減少運作的時間 • 電池的使用壽命可以從數個月到數年 • 訊息延遲

42. 5.4 ZigBee 網路層通訊協定 • ZigBee網路層協定 • 提供可靠和安全傳輸 • 三種網路架構 • 星狀（Star Topology） • 樹狀（Tree Topology） • 網狀（Mesh Topology）網路 • ZigBee協調者（ZigBee Coordinator）負責初始、維持及控制網路

44. 5.4 ZigBee 網路層通訊協定 • 5.4.1 ZigBee網路的形成 • 初始，網路中的 FFD 競爭成為 ZigBee協調者 • 成為協調者後掃描所有的無線頻道，決定一個合適操作頻道 • 接著開始廣播 Beacon 訊框，來其他裝置加入網路 • 其他裝置接收到 Beacon 訊框後，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 • ZigBee路由器也能夠發送 Beacon 訊框，讓尚未加入網路的裝置加入此網路

45. 5.4 ZigBee 網路層通訊協定 • Which is used to compute the size of its children’s address pools (each child router) • 5.4.2 ZigBee網路位址分配演算法 • ZigBee路由器利用 Cm、Rm和 Lm 計算一個稱為 Cskip的參數，再利用 Cskip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：

47. If a parent node at depth d has an address Aparent the nth child router is assigned to address Aparent+(n-1)×Cskip(d)+1 nth child end device is assigned to address Aparent+Rm×Cskip(d)+n node A 32 Total:127 0 1 32 63 94 For node C 125 ,126 ZigBee樹狀網路路由 0 + 4 * 31 + 1 = 125 0 + (2-1) * 31 + 1 = 32

48. 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 An 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 Adest滿足此條件：An < Adest < An +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 Adest並非為裝置 n 的後裔descendants）則 n 將該封包轉送給其父節點。

49. 5.4 ZigBee 網路層通訊協定 5.4.3 ZigBee 路由協定

50. 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）