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'@第05章-IEEE802.15.4标准解析 内容提要IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献 内容提要IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献 IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准的主要特征：实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率；支持星型和点到点两种拓扑结构；在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址；采用可选的时槽保障（GuaranteedTimeSlots，GTS）机制；采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA-CA）的信道访问机制；支持ACK机制以保证可靠传输；低功耗机制；信道能量检测（EnergyDetection，ED）；链路质量指示（Linkqualityindication，LQI）；工作在ISM频段上，其中在2450MHz波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道；数据安全策略。 IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准网络：在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE802.15.4标准相互通信的设备集合。全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）协调器：与RFD相关联的FFD设备PAN网络协调器：成员身份管理、链路信息管理、分组转发 IEEE802.15.4标准星型拓扑结构所有设备都与中心设备PAN网络协调器通讯网络协调器持续供电，其他设备电池供电适合家庭自动化、个人计算机外围设备、个人康护护理等小范围的室内应用 IEEE802.15.4标准点到点拓扑结构任何两个设备之间都可以通讯网络协调器负责管理链路状态信息、认证设备身份等功能允许多跳路由的方式传输数据适合于设备分布范围广的应用（工业检测与控制） IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4协议栈架构基于开放系统互连模型（OSI）每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务物理层由射频收发器和底层的控制模块组成数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通讯的服务接口特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE802.15.4的MAC层接入IEEE802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务LLC为应用层提供链路层服务 IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准功能概述超帧结构数据传输模型MAC层帧结构数据可靠传输机制低功耗策略数据的安全服务 IEEE802.15.4标准以超帧为周期组织LR-WPAN内设备间的通讯信标帧包含超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息超帧将时间划分为活跃和不活跃两个部分不活跃阶段：设备进入休眠状态活跃阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段和非竞争访问时段；划分为16个等长时槽CSMA-CA访问机制； IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准概述网络组成及拓扑结构协议栈架构功能概述物理层规范信道分配及调制方式物理层帧格式物理层功能实现MAC子层规范MAC子层的信道访问方式MAC子层的帧格式MAC子层的功能实现 IEEE802.15.4标准信道分配和调制方式频段(MHz)扩频参数数据参数片速率(kchip/s)调制方式比特速率(kb/s)符号速率(ksymbol/s)符号868–868.6300BPSK2020二进制902–928600BPSK4040二进制868–868.6*400ASK25012.520-bitSPSS902–928*1600ASK250505-bitSPSS868–868.6*400O-QPSK1002516-ary正交902–928*1000O-QPSK25062.516-ary正交2400–2483.52000O-QPSK25062.516-ary正交注：*项为可选项目，系802.15.4-2006新增内容 IEEE802.15.4标准物理帧格式Ocets：4字节1字节1字节可变前导码（preamble）SFD（帧起始分隔符）固定值：OXA7Framelength(7比特)Reserved(1比特)PSDU同步头(SHR)物理帧头(PHR)PHY负载 IEEE802.15.4标准物理层功能实现数据的发送与接收物理信道的能量检测(ED：EnergyDetection)射频收发器的激活与关闭空闲信道评估(CCA：clearchannelassessment)链路质量指示(LQI：linkqualityindication)物理层属性参数的获取与设置 IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准概述网络组成及拓扑结构协议栈架构功能概述物理层规范信道分配及调制方式物理层帧格式物理层功能实现MAC子层规范MAC子层的信道访问方式MAC子层的帧格式MAC子层的功能实现 IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准的MAC子层功能采用CSMA-CA机制来访问物理信道；协调器对网络的建立与维护；支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）；协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；间接传输的实现(Transactionhandling)；在两个MAC实体之间提供数据可靠传输；可选的GTS支持；支持安全机制； IEEE802.15.4标准中间协调器接收和发送信标帧 IEEE802.15.4标准MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输帧组成地址格式：16位短地址和64位扩展地址帧控制字段的内容指示地址类型帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧 IEEE802.15.4标准信标帧格式超帧字段：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问时断持续时间GTS分配释放信息：将无竞争时断划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给某个设备转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口 IEEE802.15.4标准数据帧格式传输上层发送到MAC子层的数据MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层MAC帧：MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息 IEEE802.15.4标准确认帧格式如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位设置为1，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。 IEEE802.15.4标准命令帧格式命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。命令帧有9种类型。命令帧的功能：把设备关联到PAN；与协调器交换数据；分配GTS。命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。 IEEE802.15.4标准MAC子层功能实现PAN的建立与维护关联请求与取消与信标帧的同步数据的间接传输方式数据的发送，接收与重传GTS的分配与管理MAC子层PIB的维护MAC子层的安全策略 IEEE802.15.4标准设备关联的消息流程 IEEE802.15.4标准设备发起取消关联的消息流程 IEEE802.15.4标准与协调器同步消息流程(信标使能网络) IEEE802.15.4标准GTS分配过程消息流程图 IEEE802.15.4标准GTS释放消息流程 内容提要IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献 ZigBee技术简介-什么是ZigBee?ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。 ZigBee技术简介-短程无线网络标准WWANWMANWLANWPAN传输范围0.011010.11001000数据传输率（Mbps） ZigBee技术简介-短程无线网络标准文本因特网/声音压缩图片多通道数字图像低<实际数据传输率>高短程<传输范围>长程 ZigBee技术简介-无线网络标准的比较 ZigBee技术简介-ZigBee与IEEE802.15.4ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层（NetworkLayer)、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer)、以及各种应用产品的资料（Profile）;而由国际电子电机工程协会（IEEE）所定制的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHYLayer)及媒体存取层（MediaAccessControlLayer;MACLayer)。 ZigBee技术简介-ZigBee协议栈8位处理器协议栈简介紧凑4K-32k网络主节点容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。 ZigBee技术简介-ZigBee频带和数据传输率 ZigBee技术简介-ZigBee物理信道 ZigBee技术简介-ZigBee网络拓扑结构星型网状型簇状型网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD):只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。 ZigBee技术简介-ZigBee网络设备类型网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。.附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征.更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用.也能用作终端设备精简功能设备（RFD）：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。.附带有限的功能来控制成本和复杂性.在网络中通常用作终端设备。.ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。 ZigBee技术简介-ZigBee网络设备类型 ZigBee技术简介-ZigBee网状（MESH）网络MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。 ZigBee技术简介-ZigBee网状（MESH）网络Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。通过以上ZigBeeMesh结构图可以得知，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD). ZigBee技术简介-ZigBee网状（MESH）网络ZigBee采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV操作是无还回的，并避免了当Adhoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题（特别是当一个节点进入网络时）。 ZigBee技术简介-ZigBee通信可靠性保证物理层RF通信连接■直序扩频采用高处理增益■明晰的信道检测■对干扰能量进行检测协议■基于CRC的误码监测/校正■采取了避免冲突的策略CSMA/CA■为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙■发送的数据包都有待于接收方的确认，如出现问题进行重发■保持数据包的及时传输Packetdatafreshness ZigBee技术简介-ZigBee通信可靠性保证通信可靠机制■ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测■MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息。网络的自组织自语能力强■ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连结关系，组成结构化的网络；■ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。 ZigBee技术简介-ZigBee通信可靠性保证在低信噪比的环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能。误码率信噪比dBbluetooth ZigBee技术简介-ZigBee通信可靠性保证 ZigBee技术简介-ZigBee技术优势数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本网络容量大：网络可容纳65000个设备时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。网络的自组织、自愈能力强，通信可靠数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、86MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段 ZigBee技术简介-ZigBee应用条件低功耗；低成本；较低的报文吞吐率；需要支持大型网络接点的数量级；对通信服务质量QoS要求不高（甚至无QoS）；需要可选择的安全等级（采用AES-128），+加密+发送鉴别+报文的完整性需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用；要求高的网络自组织、自恢复能力。 ZigBee技术简介-ZigBee应用场合无线传感器网络WSN；带负载管理功能的自动抄表（AMR）系统；智能交通、油气生产遥测遥控通信系统；监控照明、HVAC和写字楼安全；农田耕作、环境监测、水利水文监测无线通信；工业制造、过程控制遥测遥控；对患病、设备及设施进行医疗和健康监控；家庭监控、HVAC、安防报警系统运用；有源RFID应用，用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理；军事应用，包括战场监视和机器人控制；汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。 内容提要IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献 6LowPan草案动机与存在的问题协议报文转换适配层和帧格式地址管理机制Mesh网络下的多跳传输方法及路由邻居发现协议 6LowPan草案协议栈结构底层采用IEEE802.15.4规定的PHY层和MAC层，网络层采用IPv6协议。由于IPv6中，MAC支持的载荷长度远大干6LowPan底层所能提供的载荷长度，为了实现MAC层与网络层的无缝链接，6Low-Pan工作组建议在网络层和MAC层之间增加一个网络适配层，用来完成包头压缩、分片与重组以及网状路由转发等工作。 6LowPan的优势普及性：IP网络应用广泛，作为下一代互联网核心技术的IPv6，也在加速其普及的步伐，在LR-WPAN网络中使用IPv6更易于被接受。适用性：IP网络协议栈架构受到广泛的认可，LR-WPAN网络完全可以基于此架构进行简单、有效地开发。更多地址空间：IPv6应用于LR-WPAN最大亮点就是庞大的地址空间。这恰恰满足了部署大规模、高密度LR-WPAN网络设备的需要。支持无状态自动地址配置：IPv6中当节点启动时，可以自动读取MAC地址，并根据相关规则配置好所需的IPv6地址。这个特性对传感器网络来说，非常具有吸引力，因为在大多数情况下，不可能对传感器节点配置用户界面，节点必须具备自动配置功能。易接入：LR-WPAN使用IPv6技术，更易于接入其他基于IP技术的网络及下一代互联网，使其可以充分利用IP网络的技术进行发展易开发：目前基于IPv6的许多技术已比较成熟，并被广泛接受，针对LR-WPAN的特性对这些技术进行适当的精简和取舍，简化了协议开发的过程。 6LowPan的关键技术IPv6和IEEE802.15.4的协调。IEEE802.15.4标准定义的最大帧长度是127字节．MAC头部最大长度为25字节，剩余的MAC载荷最大长度为102字节。而在IPv6中，MAC载荷最大为1280字节。IEEE802.15.4帧不能封装完整的IPv6数据包。因此，要协调二者之间的关系，就要在网络层与MAC层之间引入适配层，用来完成分片和重组的功能。地址配置和地址管理。IPv6支持无状态地址自动配置，相对于有状态自动配置的来说，配置所需开销比较小，这正适合LR-WPAN设备特点。同时，由于LR-WPAN设备可能大量、密集地分布在人员比较难以到达的地方，实现无状态地址自动配置则更加重要。网络管理。由于在IEEE802.15.4上转发IPv6数据提倡尽量使用已有的协议，而简单网络管理协议(SNMP)又为lP网络提供了一套很好的网络管理框架和实现方法，因此，6LowPan倾向于在LR-WPAN上使用SNMPv3进行网络管理。但是，由于SNMP的初衷是管理基于IP的互联网，要想将其应用到硬件资源受限的LR-WPAN网络中。仍需要进一步调研和改进。例如：限制数据类型、简化基本的编码规则等。安全问题。由于使用安全机制需要额外的处理和带宽资源，并不适合LR-WPAN设备，而IEEE802.15.4在链路层提供的AES安全机制又相对宽松，有待进一步加强，因此寻找一种适合LR-WPAN的安全机制就成为6LowPan研究的关键问题之一。 6LowPan草案 内容提要IEEE802.15.4标准ZigBee标准6LowPan草案主要参考文献 主要参考文献[1]IEEE802.15.4-2006/2003[2]ZigBeespecificationv1.1[3]TransmissionofIPv6PacketsoverIEEE802.15.4Networks(draftietf6lowpanformat-13)(workinprogress)[4]6LoWPAN:Overview,Assumptions,ProblemStatementandGoals(draftietf6lowpanproblem08.txt)(workinprogress)[5]NeighborDiscoveryforIPversion6(draftietfipv62461bis-04.txt)(workinprogress)[6]6LoWPANAdHocOn-DemandDistanceVectorRouting(LOAD)(draftdaniel6lowpanloadadhocrouting-02.txt)[7]LowPanNeighborDiscoveryExtensions(draftchakrabarti6lowpanipv6nd-01.txt) 谢谢！ 二、肺与大肠病辨证肺病常见症状咳嗽，喘促咯痰，胸痛喉疼及声音变异，鼻塞流涕或水肿大肠病常见症状便秘；泄泻，便脓血 肺病证候虚证久病咳喘，或被它脏病变所累－→肺气虚、肺阴虚实证风、寒、燥、热等外邪侵袭、痰饮停聚于肺－→风寒束肺、风热犯肺、热邪壅肺、燥邪犯肺、痰湿阻肺大肠病证候大肠湿热、大肠津亏、肠热腑实 （一）肺气虚证肺气虚弱卫表不固宣降无力久病咳喘，耗伤肺气脾胃气虚，生化不足（母病及子）咳喘无力，少气咯痰清稀自汗、畏风、易感冒气虚见症肺气不足而致功能活动减弱所表现的证候 （二）肺阴虚证肺阴亏耗，虚热内扰，肺失清肃所表现的证候燥热、痨虫耗伤肺阴热病后期，肺津受损肾阴虚损，累及肺阴干咳无痰，或痰少而粘难以咳出，甚或痰中带血声音嘶哑阴虚内热见症内燥证 （三）风寒束肺证是风寒外袭，肺卫失宣所表现的证候风寒袭肺风热犯肺风寒郁而化热咳嗽痰稠色黄鼻塞流黄浊涕风热表证（四）风热犯肺证咳嗽气喘，痰白清稀鼻塞流清涕风寒表证是指风热之邪侵犯肺卫所表现的证候 （五）燥邪伤肺证温燥初秋感燥，燥偏热，多兼热象（表热证）凉燥深秋感燥，燥偏寒，多兼寒象（表寒证）燥气伤肺证肺燥证（外燥）指秋令燥邪侵犯肺卫，肺系津液耗伤所表现的证候秋感燥邪，耗伤肺津风温之邪，化燥伤津干咳无痰伤津见证轻微表证 （六）热邪壅肺证热邪壅盛，肺失宣肃所表现的实热证候外感温热入里风寒入里化热咳嗽痰稠色黄气喘息粗里实热证卫气营血辨证－－气分证三焦辨证－－上焦病证肺热证、肺热炽盛证或肺火证 证型共同点不同点风热犯肺恶寒，发热咳嗽，鼻塞苔薄，脉浮恶寒轻，痰黄，苔黄，脉浮数风寒束肺恶寒重，痰白流清涕，脉浮紧燥邪伤肺干咳痰少，咽干鼻燥，咯血风热犯肺、风寒束肺、燥邪伤肺鉴别表燥邪伤肺（外燥）与肺阴虚证（内燥）鉴别表证型共证性质兼证季节燥邪犯肺干咳无痰或痰少而粘，或咯血新感实证或伴表证发于秋季肺阴虚内伤虚证阴虚内热季节性不明显 （七）痰湿阻肺症指痰湿阻滞，以致肺气上逆所表现的证候咳嗽痰多色白易出舌苔白腻，脉滑急性病寒湿外邪侵袭肺脏－→宣降失常，肺不布津，水液停聚而为痰湿慢性病脾气亏虚输布失常，水湿凝聚为痰，上渍于肺久咳伤肺输布水液功能减弱，聚湿酿痰，阻滞肺系 （八）大肠湿热证外感湿热，侵犯大肠饮食不节，湿热内生下痢脓血粘液或暴泻腹痛，里急后重湿热证肠道湿热证三焦辨证－－下焦病证指湿热蕴结大肠，致大肠传导失司所表现的证候 （九）大肠津亏证大肠津液亏虚，肠失濡润以致便秘所表现的证候热病后津伤未复、素体阴虚、久病伤阴年老阴血亏虚、产后失血过多习惯性大便干燥，难以排出津亏失润见症或气阴两虚证 （十）肠热腑实证热邪与大肠糟粕互结，导致腑气不通所表现的证候热邪炽盛，津液暗耗误用发汗，津液外泄腹硬满疼痛便秘里热炽盛见症六经辨证－－阳明腑实证卫气营血辨证－－气分证三焦辨证－－中焦病证肠燥热甚，燥屎内结大承气汤证 证型主症兼症舌象脉象大肠湿热排便次数增多或下痢味臭秽湿热内阻舌红苔黄腻脉濡数或滑数大肠津亏习惯性大便干燥，难以排出阴津受损舌红少津脉细数或细涩肠热腑实腹硬满疼痛便秘实热内结舌红苔黄厚燥脉沉数有力或沉实大肠常见证候比较 姜某，男，22岁。1986年1月20日入院因洗澡不慎感受寒邪，渐恶寒发热，咳嗽，身痛不适自服解热止痛药效果不显。因病情加重住院，诊断为上感绐予西药冶疗2天，发热不退，邀中医会诊诊见：形体肥胖，面色红润，神志清楚，高热体温39.2℃，恶寒，周身酸楚，咳嗽阵作口不渴，舌淡红，苔白稍厚，脉象浮数感冒－－风寒挟湿（外感风寒，内有湿滞）祛风解表，散寒除湿荆防败毒散加味 巩某，女，59岁。1986年10月24日初诊患者消瘦，时干咳少痰，低热，盗汗，两颧发红口燥咽干，手足心热，有时咯血，便秘，溲赤舌质红无苔，脉细数肺痨－－肺阴亏损滋阴润肺百合固肺汤加减 高某，男，30岁。1974年10月2日初诊患赤痢反复发作8年余。曾于省某院诊断为阿米巴痢疾近二天下痢脓血严重，呈暗红色血便，有腐臭昧，每日便8次，里急后重，少腹阵痛，小便黄赤，心悸乏力纳呆，舌红绛，苔黄厚腻，脉滑数痢疾－－大肠湿热（赤痢）清热解毒燥湿白头翁汤合鸭胆子'