IEEE 802.15.4協(xié)議的超幀詳解

1.1.1超幀結構

低速無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)允許可選擇性的使用超幀（superframe）結構。超幀的格式由協(xié)調器決定。在使用超幀結構的模式下，協(xié)調器會(huì )根據設置周期性的發(fā)送信標幀（beacon），而超幀正是由網(wǎng)絡(luò )中的信標幀劃分的，中間的區域稱(chēng)為競爭接入期（CAP，contenTIonaccess period），如圖1.1所示。如果協(xié)調器不需要使用超幀結構，它可以停止發(fā)送信標幀。信標幀可以用來(lái)識別個(gè)域網(wǎng)，同步個(gè)域網(wǎng)中的設備，描述超幀結構等。

圖1.1 不包含GTSs的超幀結構

針對網(wǎng)絡(luò )負荷較低的情況或要求特定傳輸帶寬的情況，協(xié)調器可以從超幀中劃分出一部分時(shí)間，專(zhuān)門(mén)為這樣的傳輸請求服務(wù)。被劃分出的時(shí)間稱(chēng)為保證時(shí)隙（GTSs．Guaranteed TIme slots）。一個(gè)超幀中保證時(shí)隙的集合稱(chēng)為非競爭接入（CFP，contenTIon-free period），它往往緊跟在競爭接入期的后面，如圖1.2所示。保證時(shí)隙傳輸模式也是可選的，由普通設備向個(gè)域網(wǎng)協(xié)調器申請，協(xié)調器會(huì )根據當前的資源狀況給予答復，并通過(guò)信標幀將下一個(gè)超幀的結構廣播到網(wǎng)絡(luò )中。競爭接入期中的數據傳輸必須在非競爭接入期開(kāi)始之前結束：同樣，非競爭接入期中每個(gè)保證時(shí)隙里的數據傳輸也要在下一個(gè)保證時(shí)隙開(kāi)始之前或非競爭接入期的終點(diǎn)之前結束。

圖1.2 包含GTSs的超幀結構

超幀往往被分為活躍期（acTIve）和非活躍期（inactive）。在活躍期，協(xié)調器負責組織維持該網(wǎng)絡(luò )，個(gè)域網(wǎng)中的各設備間可以進(jìn)行數據通信；而在非活躍期中，個(gè)域網(wǎng)協(xié)調器和普通設備可以進(jìn)入低功耗模式，個(gè)域網(wǎng)中各設備不進(jìn)行數據傳輸。一個(gè)完整的超幀結構如圖1.3所示。

圖1.3 完整的超幀結構

描述超幀結構的量為BO（Beacon Order）和SO（Superframe Order）。其中，BO決定發(fā)送信標幀的周期，也即一個(gè)超幀的長(cháng)度BI（beacon interval），見(jiàn)（1.1）；SO決定一個(gè)超幀中活躍期持續的時(shí)間，即SD（superframe duration），見(jiàn)（1.2）。其中，aBaseSuperframeDuration為960 symbols。根據協(xié)議的規定，BO的取值范圍為0到14，當BO為15時(shí)，表示不使用超幀結構；SO的取之范圍也是0到14，但必須保證SO不大于BO，當SO等于BO時(shí)，表示該超幀中不包含非活躍期。

1.1.2 MAC層幀結構和幀分類(lèi)

IEEE 802．15．4 MAC層幀結構的設計是以用最低復雜度實(shí)現在多噪聲無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境下的可靠數據傳輸為目標的。每個(gè)MAC子層的幀都包含幀頭、負載和幀尾三部分。幀頭部分由幀控制信息、幀序列號和地址信息組成。MAC子層的負載部分長(cháng)度可變，負載的具體內容由幀類(lèi)型決定。幀尾部分是幀頭和負載數據的16位CRC校驗序列。

在MAC子層中設備地址有兩種格式：16位（兩個(gè)字節）的短地址和64位（8個(gè)字節）的擴展地址。16位短地址是設備與個(gè)域網(wǎng)協(xié)調器關(guān)聯(lián)時(shí)，由協(xié)調器分配的個(gè)域網(wǎng)內局部地址；64位擴展地址則是全球唯一地址，在設備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )之前就分配好了。16位短地址只能保證在個(gè)域網(wǎng)內部是唯一的，所以在使用16位短地址通信時(shí)需要結合16位的個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )標識符才有意義。兩種地址類(lèi)型地址信息的長(cháng)度是不同的，所以MAC幀頭的長(cháng)度也是可變的。一個(gè)數據幀使用哪種地址類(lèi)型由幀控制字段標識。

IEEE 802．15．4協(xié)議共定義了四種類(lèi)型的幀：信標幀，數據幀，確認幀和MAC命令幀。

圖1.4 信標幀格式

1） 信標幀

信標幀的負載數據單元可分為四部分：超幀描述字段、GTS分配字段、待轉發(fā)數據目標地址字段和信標幀負載數據。

Superframe Specification：信標幀中超幀描述字段規定了該超幀的持續時(shí)間，活躍期持續時(shí)間以及競爭接入期持續時(shí)間等信息。

GTS field:GTS分配字段將非競爭接入期劃分為若干個(gè)GTS，并把每個(gè)GTS具體分配給相應設備。

Pending Address field：轉發(fā)數據目標地址列出了與個(gè)域網(wǎng)協(xié)調器保存的數據相對應的設備地址。一個(gè)設備如果發(fā)現自己的地址出現在待轉發(fā)數據目標地址字段里，則表明協(xié)調器存有屬于該設備的數據，所以它就會(huì )向協(xié)調器發(fā)出請求傳送數據的MAC命令幀。

Beacon Payload：信標幀負載數據為上層協(xié)議提供數據傳輸接口。例如在使用安全機制的時(shí)候，這個(gè)負載域將根據被通信設備設定的安全通信協(xié)議填入相應的信息。

在不使用超幀結構的網(wǎng)絡(luò )里，協(xié)調器在其他設備的請求下也會(huì )發(fā)送信標幀。此時(shí)信標幀的功能是輔助協(xié)調器向設備傳輸數據，整個(gè)幀只有待轉發(fā)數據目標地址字段有意義。

2）數據幀

圖1.5 數據幀格式

數據幀用來(lái)傳輸上層傳到MAC子層的數據，它的負載字段包含上層需要傳送的數據。數據負載傳送至MAC子層時(shí)，被稱(chēng)為MAC服務(wù)數據單元。它的首尾被分別附加頭信息和尾信息后，就構成了MAC幀。

MAC幀傳送至物理層后，就成為了物理幀的負載。該負載在物理層被“包裝”，其首部增加了同步信息和幀長(cháng)度字段。同步信息包括用于同步的前導碼等。幀長(cháng)度字段使用一個(gè)字節的低7位標識MAC幀的長(cháng)度，所以MAC幀的長(cháng)度不會(huì )超過(guò)127個(gè)字節。

3）確認幀

圖1.6 確認幀格式

如果設備收到目的地址為其自身的數據幀或MAC命令幀，并且幀的控制信息字段的確認請求位被置l，則設備需要回應一個(gè)確認幀。確認幀的序列號應該與被確認幀的序列號相同，負載長(cháng)度為零。確認幀緊接著(zhù)被確認幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道。

4）MAC命令幀

圖1.7 MAC幀格式

MAC命令幀用于組建個(gè)域網(wǎng)，傳輸同步數據等。目前定義好的命令幀主要完成三方面的功能：把設備關(guān)聯(lián)到個(gè)域網(wǎng)，與協(xié)調器交換數據，分配GTS。命令幀在格式上和其他類(lèi)型的幀沒(méi)有太多的區別，只是幀控制字段的幀類(lèi)型位有所不同。

1.1.3 數據傳輸模式

根據IEEE802.15.4協(xié)議，低速無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)中存在著(zhù)三種數據傳輸方式：設備發(fā)送數據給協(xié)調器、協(xié)調器發(fā)送數據給設備和對等設備之間的數據傳輸。在星形拓撲結構的網(wǎng)絡(luò )中只存在著(zhù)前兩種數據傳輸方式，這是因為數據只在協(xié)調器和設備之間交換，設備之間的數據傳輸也要通過(guò)協(xié)調器來(lái)轉發(fā)；而在點(diǎn)對點(diǎn)型拓撲結構網(wǎng)絡(luò )中，三種數據傳輸方式都存在。

同時(shí)，根據超幀結構存在與否，低速無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)的通信模式又可以分為信標使能通信和信標不使能通信。

1） 設備發(fā)送數據給協(xié)調器

在信標使能通信中，當設備要向協(xié)調器發(fā)送數據時(shí)，設備必須先接收協(xié)調器向網(wǎng)絡(luò )中的廣播的信標幀，當收到信標幀后，設備可以和協(xié)調器及網(wǎng)絡(luò )中的其它設備在超幀上保持同步。然后設備可以使用slotted CSMA-CA競爭信道資源，向協(xié)調器發(fā)送數據幀。當協(xié)調器成功接收到數據幀后，協(xié)調器可以選擇發(fā)送確認幀（ACK）給設備。發(fā)送確認幀時(shí)不需要通過(guò)CSMA-CA去競爭信道資源，而是緊跟著(zhù)在數據幀之后發(fā)送。當設備成功收到確認幀后，本次通信結束。整個(gè)過(guò)程如圖1.4所示。

圖1.8 信標使能模式中設備向協(xié)調器發(fā)送數據

在信標不使能通信模式中，當設備要向協(xié)調器發(fā)送數據時(shí)，設備可以直接使用unslottedCSMA-CA競爭信道資源，向協(xié)調器發(fā)送數據幀。當協(xié)調器成功接收到數據幀后，協(xié)調器也可以選擇發(fā)送確認幀（ACK）給設備。確認幀不需要通過(guò)CSMA-CA去競爭信道資源，而是緊跟在數據幀之后發(fā)送。當設備成功接收到確認幀后，本次通信結束。整個(gè)過(guò)程如圖1.5所示。

圖1.9 信標不使能模式中設備向協(xié)調器發(fā)送數據

以上的傳輸方式又稱(chēng)為直接傳輸模式（direct）。

2） 協(xié)調器發(fā)送數據給設備

在信標使能模式通信中，當協(xié)調器要向設備發(fā)送數據時(shí)，協(xié)調器會(huì )將該信息保存在信標幀中向整個(gè)網(wǎng)絡(luò )廣播。設備會(huì )周期性的接收網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器發(fā)送的信標幀，當設備從信標幀中得知有自身要接受的數據時(shí)，設備將通過(guò)slotted CSMA-CA競爭信道資源發(fā)送MAC命令幀請求接收數據。當協(xié)調器成功接收到該請求接收數據命令幀后，協(xié)調器可以選擇發(fā)送確認幀給設備。然后協(xié)調器可以通過(guò)slotted CSMA-CA競爭信道資源發(fā)送數據給設備。設備通過(guò)發(fā)送確認幀來(lái)保障這次通信成功，當協(xié)調器收到確認幀時(shí)，本次通信結束。整個(gè)過(guò)程如圖1.6所示。

圖1.10 信標使能模式中協(xié)調器向設備發(fā)送數據

在信標不是能通信模式中，當協(xié)調器要向設備發(fā)送數據時(shí)，協(xié)調器將先保存數據等待設備請求，設備會(huì )定期的通過(guò)unslotted CSMA-CA競爭信道資源傳輸MAC命令幀請求接收數據。協(xié)調器成功接收到該請求接收數據的命令幀后可以發(fā)送確認幀確認，如果確實(shí)有該設備將要接受的數據，協(xié)調器將通過(guò)unslotted CSMA-CA競爭信道資源發(fā)送數據幀給設備；如果沒(méi)有，協(xié)調器會(huì )發(fā)送負載為空的數據幀給設備，表示沒(méi)有該設備要接受的數據。設備通過(guò)發(fā)送確認幀來(lái)保障這次通信成功，當協(xié)調器接收到確認幀后，本次通信結束。整個(gè)過(guò)程如圖1.7所示。

圖1.11 信標不使能模式中協(xié)調器向設備發(fā)送數據

以上的傳輸方式又稱(chēng)為間接傳輸模式。

［H1］MAC Header

［H2］MAC Footer ， 幀尾，用于CRC校驗