物理层数据服务包括以下5方面的功能

物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

物理层数据服务包括以下5方面的功能：

（1）激活和休眠射频收发器。

（2）信道能量检测（Energy Detect）。

（3）接收数据包的链路质量指示（Link Quality Indication，LQI）。

（4）空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA）。

（5）收发数据。

信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。

链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。

空闲信道评估判断信道是否空闲。IEEE 802.15.4定义了三种空闲信道评估模式：第一种是简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某个门限值就认为信道空闲；第二种是通过判断无线信号的特征，这个特征主要包括两方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。

1）物理层的载波调制

PHY层定义了三个载波频段用于收发数据。在这三个频段上发送数据使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面存在一些差异。三个频段总共提供27个信道（channel）：868 MHz频段1个信道，915 MHz频段10个信道，2 450 MHz频段16个信道，具体分配如表3－1所示。

表3－1　载波信道特性一览表

在868MHz和915 MHz这两个频段上，信号处理过程相同，只是数据速率不同。处理过程如图3－1所示，首先将物理层协议数据单元（PHY Protocol Data Unit，PPDU）的二进制数据差分编码，然后将差分编码后的每一个位转换为长度为15的片序列（chip sequence），最后使用BPSK调制到信道上。

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图3－1　868／915 MHz频段的调制过程

差分编码是将数据的每一个原始比特与前一个差分编码生成的比特进行异或运算：En＝Rn⊕En－1，其中En是差分编码的结果，Rn为要编码的原始比特，En－1是上一次差分编码的结果。对于每个发送的数据包，R1是第一个原始比特，计算E1时假定E0＝0。差分解码过程和编码过程类似：Rn＝En⊕En－1，对于每个接收到的数据包，E1为第一个需要解码的比特，计算R1时假定E0＝0。

差分编码以后，接下来就是直接序列扩频。每一个比特被转换为长度为15的片序列。扩频过程按表3－2进行，扩频后的序列使用BPSK调制方式调制到载波上。

表3－2　868／915 MHz比特到片序列转换表

2.4GHz频段的处理过程如图3－2所示，首先将PPDU的二进制数据中每4位转换为一个符号（symbol），然后将每个符号转换成长度为32的片序列。

图3－2　2.4GHz频段的调制过程

在把符号转换为片序列时，用符号在16个近似正交的伪随机噪声序列中选择一个作为该符号的片序列，表3－3是符号到伪随机噪声序列的映射表，这是一个直接序列扩频的过程。扩频后，信号通过O－QPSK调制方式调制到载波上。

表3－3　2.4GHz频段符号到片序列映射表

2）物理层帧结构

表3－4描述了IEEE 802.15.4标准物理层数据帧格式。物理帧的第一个域是4个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符（Start－of－Frame Delimiter，SFD）域的长度为1个字节，其值固定为0xA7，标识一个物理帧的开始。收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD域的值0xA7才能同步到字节上。帧长度（Frame Length）由1个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。物理帧的负载长度可变被称为物理服务数据单元（PHY Service Data Unit，PSDU），一般用来承载MAC帧。

表3－4　物理帧结构