IEEE 802.15.4-2015标准：低速率无线网络规范
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更新于2024-07-16
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"802.15.4-2015.pdf 是一份关于 IEEE 低速率无线网络标准的文档，特别关注了2015年版本，该版本包括了超宽带（UWB）定位技术的相关内容。此文档是由 IEEE 本地与城域网标准委员会（LAN/MAN Standards Committee）赞助的，适用于 IEEE 计算机学会。2015年12月5日由 IEEE-SA Standards Board 批准发布。这份标准主要针对低速率无线网络的通信协议和物理层规范，旨在提供一个高效、低功耗的通信解决方案，广泛应用于物联网（IoT）、传感器网络和Zigbee等无线个人局域网（WPAN）系统。"
IEEE Std 802.15.4-2015 是一个重要的无线通信标准，主要用于构建低数据速率、低功耗的网络，如家庭自动化、医疗保健、工业自动化和环境监测等领域。该标准定义了物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）的规格，支持多种通信模式，包括星形、网状和簇树型网络拓扑。
1. **物理层（PHY）**：802.15.4 标准提供了两种不同的 PHY 层，一种是窄带（ Narrowband）PHY，工作在2.4 GHz ISM频段，提供250 kbps的数据速率；另一种是超宽带（Ultra-Wideband, UWB）PHY，用于更精确的定位服务，数据速率较低但能提供厘米级的定位精度。
2. **媒体访问控制层（MAC）**：MAC 层负责网络中的数据传输管理，包括信道接入、帧结构、安全性和网络管理。它采用CSMA/CA（载波监听多路访问/冲突避免）机制来防止数据包碰撞，并提供确认机制以确保数据正确传输。
3. **网络层**：虽然802.15.4标准本身不包含完整的网络层，但它可以与IP网络层协议（如IPv6 over IEEE 802.15.4）结合，以支持更高级别的网络功能和互联网连接。
4. **安全性**：标准定义了基本的安全机制，如对称加密算法AES-128，以及密钥管理，以保护网络免受未授权访问和数据篡改。
5. **UWB定位**：802.15.4z 标签表明文档中可能包含了UWB定位技术的详细内容。UWB 技术利用短脉冲信号进行通信，除了传输数据外，还可以通过测量信号到达时间差（Time-of-Arrival, TOA）或到达角度差（Angle-of-Arrival, AOA）等方法实现精确的室内定位。
6. **应用**：802.15.4标准是Zigbee联盟的基础，Zigbee是一种广泛应用的无线通信协议，用于智能家居、智能建筑和工业自动化等领域。此外，该标准还被Z-Wave、Thread等其他无线网络协议所采用。
802.15.4-2015标准是构建低功耗、低速率无线网络的关键技术，尤其在集成UWB定位后，它在物联网和智能设备领域有着广泛的应用和潜力。通过理解并应用这个标准，开发者能够创建高效、可靠的无线通信系统，满足各种场景的需求。
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5.7.4.1 Frame acknowledgment............................................................................... 53
5.7.4.2 Frak .............................................................................................................. 54
5.7.4.3 Data verification .......................................................................................... 54
5.7.5 Power consumption considerations ............................................................................... 54
5.7.5.1 Low-energy mechanisms ............................................................................. 54
5.7.6 Security .......................................................................................................................... 55
5.8 Concept of primitives................................................................................................................... 56
5.9 Deprecation of features................................................................................................................ 56
6. MAC functional description .................................................................................................................. 57
6.1 Device types and conventions...................................................................................................... 57
6.2 Channel access............................................................................................................................. 57
6.2.1 Superframe structure......................................................................................................57
6.2.1.1 Contention access period (CAP).................................................................. 59
6.2.1.2 Contention-free period (CFP) ...................................................................... 59
6.2.1.3 BOP.............................................................................................................. 59
6.2.2 Incoming and outgoing superframe timing.................................................................... 59
6.2.3 Enhanced Beacon frame timing for MPM procedure .................................................... 60
6.2.4 IFS.................................................................................................................................. 61
6.2.5 Random access methods ................................................................................................ 61
6.2.5.1 CSMA-CA algorithm................................................................................... 61
6.2.5.2 TSCH CCA algorithm ................................................................................. 64
6.2.5.3 TSCH CSMA-CA retransmission algorithm ............................................... 64
6.2.5.4 CSMA-CA with PCA .................................................................................. 66
6.2.5.5 LECIM ALOHA PCA ................................................................................. 69
6.2.6 TSCH slotframe structure .............................................................................................. 69
6.2.6.1 General......................................................................................................... 69
6.2.6.2 Absolute slot number (ASN) ....................................................................... 70
6.2.6.3 Links ............................................................................................................ 70
6.2.6.4 Multiple slotframes...................................................................................... 70
6.2.7 LE functional description............................................................................................... 71
6.2.7.1 LE contention access period (LE CAP)....................................................... 71
6.2.7.2 LE superframe structure............................................................................... 71
6.2.7.3 LE-incoming and outgoing superframe timing............................................ 71
6.2.7.4 LE scan ........................................................................................................ 71
6.2.8 Superframe use for TMCTP operation .......................................................................... 72
6.2.9 Rail communications and control network (RCCN) superframe structure.................... 72
6.2.10 Channel hopping ............................................................................................................ 73
6.3 Starting and maintaining PANs ...............................
.................................................................... 75
6.3.1 Scanning through channels ............................................................................................ 75
6.3.1.1 ED channel scan........................................................................................... 75
6.3.1.2 Active and passive channel scan.................................................................. 75
6.3.1.3 Orphan channel scan.................................................................................... 78
6.3.1.4 RIT passive channel scan............................................................................. 80
6.3.2 PAN ID conflict resolution ............................................................................................ 81
6.3.2.1 Detection...................................................................................................... 81
6.3.2.2 Resolution .................................................................................................... 82
6.3.3 Starting and realigning a PAN ....................................................................................... 82
6.3.3.1 Starting a PAN............................................................................................. 82
6.3.3.2 Realigning a PAN ........................................................................................ 82
6.3.3.3 Realignment in a PAN ................................................................................. 84
6.3.3.4 Updating superframe configuration and channel PIB attributes.................. 84
6.3.4 Beacon generation.......................................................................................................... 84
Authorized licensed use limited to: Silicon Laboratories. Downloaded on January 03,2017 at 16:08:21 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply.
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