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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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