802.15.4协议规范（物理层）IEEE802.15.4-2003协议规范规定了一个MAC层和两个PHY层。

802.15.4的主要协议框架如图所示。

这边只介绍物理层。

802.15.4协议架构1．协议概述在LR WPAN（无线个人区域网）中，存在两种不同类型的设备，一种是完整功能设备（FFD），一种是简化功能设备（RFD）。

FFD可以同时和多个RFD或FFD进行通信，所以常作为协调器，而RFD只能和一个FFD进行通信。

一个网络中至少有一个FFD作为PAN 主协调器。

LR WPAN网络中根据不同需要有两种网络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。

星型拓扑结构由一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是一个具有完整功能的设备，从设备可以是FFD也可以是RFD。

在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信，任何一个设备都可以定义为PAN 主协调器。

无论是星型拓扑还是对等拓扑网络结构。

每一个独立的PAN都以一个标识符以确保唯一性。

在设备发起连接时，可采用64位的长地址，只有在连接成功时，系统分配了PAN的标识符后，才能采用16位的短地址码进行连接。

在LR WPAN中，允许有选择性的使用超帧结构，超帧的格式由主协调器来定义，它分为16个大小相等的时隙，其中第一个时隙为PAN的信标帧。

任何从设备如果想在两个信标之间的竞争接入期间（CAP）进行通信，则需要使用具有时隙和免冲突载波检测多路接入（CSMA CA）机制同其他设备进行竞争通信。

在一些特殊情况下，可采用PAN主协调器的超帧中的一部分来完成这些特殊要求。

这部分称为保护时隙（GTS）。

多个保护时隙构成一个免竞争时期（CFP），但最多可分配7个GTS。

因为有足够的CAP空间保证为其他网络设备和其他希望加入网络的新设备提供竞争接入的机会。

有无GTS的超帧结构分别如下所示。

timetime无GTS 的超帧有GTS 的超帧1.1数据传输LR WPAN 中，主要有3种数据传输模式：从设备向主协调器发送数据；主协调器向从设备发送数据；从设备之间传送数据。

在星型拓扑中，因为从设备之间不能传输数据，所以只有两种传输方式，而在对等拓扑结构中则可能包含3种：从设备向主协调器发送数据在信标网络中，从设备首先监听网络的信标，当监听到后，在适当的时候，从设备将使用有时隙的CSMA CA 向主协调器发送数据帧，当主协调器接收到后，返回一个表明已成功接收的确认帧，如图所示：信标网络数据传输到主协调器在非信标网络中，从设备使用非时隙的CSMA CA 向主协调器发送数据帧，主协调器接收到后也同样返回一个确认帧，如图所示。

非信标网络数据传输到主协调器主协调器向从设备发送数据在信标网络中，当主协调器需要发送数据给从设备时，它会在网络信标中表明存在有要传输的数据信息，此时，从设备处于周期性监听网络信标的状态，当发现主协调器有数据要传送给它时，它将采用有时隙的CSMA CA机制，先通过MAC层发送一个数据请求指令。

当主协调器接收到后，采用有时隙的CAMA CA发送数据信息帧给从设备，从设备接收完毕后，返回一个确认帧给主协调器。

在非信标网络中，主协调器存储要传输的数据，将通过与从设备建立数据连接，由从设备先发送请求数据传输命令后，再进行数据传输，如下所示。

从设备之间传送数据这种传输方式出现在对等网络中。

因为在对等网络中，设备与设备之间的通信随时都可能发生，所以通信设备之间必须处于随时可通信的状态，如下任意一种：设备始终处于接收状态或设备间保持相互同步。

前者设备要采用非时隙的CSMA CA 机制来传输数据，后者需采取一些其他措施以确保通信设备之间相互同步。

1.2帧的结构这里一共定义了四种帧结构：1）信标帧信标帧由主协调器的MAC 层生成，并向网络中的所有从设备发送，以保证各从设备与主协调器同步。

信标帧的结构如下所示，MAC 层服务单元（MSDU ）加上MAC 帧头MHR 和MAC 帧尾MFR 构成MAC 层信标帧MPDU ，作为物理层信标包载荷发送到物理层，在加上物理层的同步帧头SHR 和物理层帧头PHR ，共同构成了物理层的信标包PPDU 。

信标帧格式2）数据帧数据帧则是用来设备之间数据传输时生成的。

要传输的数据是由应用层生成，然后到MAC层，类似上面组成MPDU后进入物理层，再构成PPDU。

具体如下图。

数据帧格式3）确认帧确认帧是为了确保通信的可靠性，通常是接收设备接收到正确的帧信息后，向发送设备返回一个确认信息，表明已正确接收相应的信息。

接收设备将接收到的信息经物理层和MAC 层并纠错解码后，回复发送端的数据，如果没有检查出数据的错误，则由MAC层生成的一个确认帧，发送回发送端，具体结构如下所示。

确认帧格式4）MAC层命令帧为了控制设备的工作状态，同网络中的其他设备进行通信，根据应用的实际需要，对设备进行控制，控制命令由应用层产生，在MAC层根据控制命令的类型，生成的MAC 层命令帧如下所示。

MAC命令帧1.3原语概念原语则是一个非常重要的概念，用于描述不同的层之间的提供的服务和所要执行的任务。

每一层的服务只要完成两证功能：根据它的下层服务要求，为上层提供相应的服务；另一种是根据上层的服务要求，对它的下层提供相应的服务。

由服务原语组成的事件将在一个用户的服务接入点（SAP）与建立对等连接的用户的相同层之间传送。

服务提供者N-layer服务原语原语通常分为四种类型：Request，Indication，Response，还有Confirm。

分别表示请求原语、指示原语、响应原语和确认原语。

下面会介绍物理层的原语。

2.物理层协议规范在IEEE 802.15.4-2003中，规定了两个物理层工作频率范围2.4GHz 和868/915MHz 。

频段类型都是ISM 。

对于不同的频段范围，规定了不同的调制方式，因而数据传输速率也是不同的。

如下所示。

频段/MHz 扩展参数数据参数码片速率/kchip ·s﹣1调制比特速率/kbps 符号速率/kBau d·s﹣1符号868~868.6300BPSK 2020二进制902~928600BPSK 4040二进制2400~2483.52000O-QPSK 25062.516相正交IEEE 802.15.4一共定义了27个物理信道，信道编号从0到26。

其中2.4GHz 定义了16个信道，915MHz 定义了10个信道，868MHz 定义了1个信道。

物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC 层到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。

物理层的结构和接口如下所示。

物理层结构模型2.1物理层原语在物理层中，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：a 通过物理层数据服务接入点（PD SAP ）为物理层数据提供服务；b 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。

物理层数据服务物理层数据服务接入点所支持的原语有请求原语、确认原语和指示原语。

物理层数据请求原语PD-DATA.request原语如下：PD DATA.request （psduLength,psdu ）此原语由MAC 层生成，发送给物理层实体，请求发送一个MAC 层协议数据单元（MPDU ）。

psduLength 表示物理层实体发送PSDU中字节个数，psdu表示物理层实体发送由字节构成的PSDU。

物理层实体收到后，如果发射机正处于激活状态（TX_ON）状态，物理层就构造一个PPDU，并发送，发送完毕后向MAC层返回一个SUCCESS状态的PD DATA.confirm原语；而如果收发机正处于接收（RX_ON）或关闭状态（TRX_OFF）,则物理层实体将返回一个带有RX_ON或TRX_OFF状态的PD DATA.confirm原语，表示发射机尚未激活。

诸如此类物理层数据服务还有物理层数据确认原语PD-DATA.confirm，物理层用此向MAC层报告向对等的MAC层发送MAC层协议数据单元的结果状态，为物理层对PD DATA.request原语的响应。

还有物理层数据指示原语PD DATA.indication物理层借此向本地MAC层实体传送一个MPDU，即当物理层接收到来自远方发送来的数据后，通过该原语，将接收到的数据包发送到MAC层。

物理层管理服务在网络中，用物理层管理实体服务接入点（PLME SAP）在MAC层管理实体（MLME）和物理层管理实体（PLME）之间传送管理命令原语。

请求清楚信道评估原语PLME-CCA.requestMAC层用此原语请求物理层管理实体执行清除信道评估（CCA），此原语由MAC层管理实体生成，当CSMA CA算法需要进行信道评估时，MAC层管理实体就会向物理层管理实体发送该原语。

如果此时接收机正处于激活状态，则物理层立即执行CCA，完毕后PLME 返回一个带有BUSY或IDLE状态的PLME CCA.confirm原语；如果接收机处于未激活状态，则PLME返回一个TRX_OFF或TX_ON状态的PLME CCA.confirm原语。

物理层管理服务还有还有其他9个原语，这里就不一一介绍了，具体参见协议内容。

物理层枚举型数据由上面介绍可知，其协议原语中的状态通常为枚举型，下面做了统计和归纳，列出了在物理层协议规范中所定义的枚举型数据值以及相应的功能。

物理层枚举型数据的描述枚举型数据值功能描述BUSY0x00CCA检测到一个忙的信道BUSY_RX0x01收发机正处于接收状态时，要求改变其状态BUSY_TX0x02收发机正处于发送状态时，要求改变其状态FORCE_TRX_OFF0x03强制将收发机关闭IDLE0x04CCA检测到一个空闲信道INVALID_PARAMETER0x05SET/GET原语的参数超出了有效范围RX_ON0x06收发机正处于或将设置为接收状态SUCCESS0x07原语成功执行TRX_OFF0x08收发机正处于或将设置为关闭状态TX_ON0x09收发机正处于或将设置为发射状态UNSUPPORTED_ATTRIBUTE0x0A不支持SET/GET原语属性标识符2.2物理层数据包物理层数据单元（PPDU）结构PPDU数据包由以下几个基本部分组成：同步包头SHR：允许接受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：携带MAC层的帧信息，长度是个变量。