IEEE 802.15.4協(xié)議的超幀詳解

1.1.1超幀結(jié)構(gòu)

低速無線個域網(wǎng)允許可選擇性的使用超幀（superframe）結(jié)構(gòu)。超幀的格式由協(xié)調(diào)器決定。在使用超幀結(jié)構(gòu)的模式下，協(xié)調(diào)器會根據(jù)設(shè)置周期性的發(fā)送信標(biāo)幀（beacon），而超幀正是由網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)幀劃分的，中間的區(qū)域稱為競爭接入期（CAP，contenTIonaccess period），如圖1.1所示。如果協(xié)調(diào)器不需要使用超幀結(jié)構(gòu)，它可以停止發(fā)送信標(biāo)幀。信標(biāo)幀可以用來識別個域網(wǎng)，同步個域網(wǎng)中的設(shè)備，描述超幀結(jié)構(gòu)等。

圖1.1 不包含GTSs的超幀結(jié)構(gòu)

針對網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較低的情況或要求特定傳輸帶寬的情況，協(xié)調(diào)器可以從超幀中劃分出一部分時間，專門為這樣的傳輸請求服務(wù)。被劃分出的時間稱為保證時隙（GTSs．Guaranteed TIme slots）。一個超幀中保證時隙的集合稱為非競爭接入（CFP，contenTIon-free period），它往往緊跟在競爭接入期的后面，如圖1.2所示。保證時隙傳輸模式也是可選的，由普通設(shè)備向個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器申請，協(xié)調(diào)器會根據(jù)當(dāng)前的資源狀況給予答復(fù)，并通過信標(biāo)幀將下一個超幀的結(jié)構(gòu)廣播到網(wǎng)絡(luò)中。競爭接入期中的數(shù)據(jù)傳輸必須在非競爭接入期開始之前結(jié)束：同樣，非競爭接入期中每個保證時隙里的數(shù)據(jù)傳輸也要在下一個保證時隙開始之前或非競爭接入期的終點之前結(jié)束。

圖1.2 包含GTSs的超幀結(jié)構(gòu)

超幀往往被分為活躍期（acTIve）和非活躍期（inactive）。在活躍期，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組織維持該網(wǎng)絡(luò)，個域網(wǎng)中的各設(shè)備間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；而在非活躍期中，個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器和普通設(shè)備可以進(jìn)入低功耗模式，個域網(wǎng)中各設(shè)備不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一個完整的超幀結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。

圖1.3 完整的超幀結(jié)構(gòu)

描述超幀結(jié)構(gòu)的量為BO（Beacon Order）和SO（Superframe Order）。其中，BO決定發(fā)送信標(biāo)幀的周期，也即一個超幀的長度BI（beacon interval），見（1.1）；SO決定一個超幀中活躍期持續(xù)的時間，即SD（superframe duration），見（1.2）。其中，aBaseSuperframeDuration為960 symbols。根據(jù)協(xié)議的規(guī)定，BO的取值范圍為0到14，當(dāng)BO為15時，表示不使用超幀結(jié)構(gòu)；SO的取之范圍也是0到14，但必須保證SO不大于BO，當(dāng)SO等于BO時，表示該超幀中不包含非活躍期。

1.1.2 MAC層幀結(jié)構(gòu)和幀分類

IEEE 802．15．4 MAC層幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計是以用最低復(fù)雜度實現(xiàn)在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸為目標(biāo)的。每個MAC子層的幀都包含幀頭、負(fù)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(fù)載部分長度可變，負(fù)載的具體內(nèi)容由幀類型決定。幀尾部分是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的16位CRC校驗序列。

在MAC子層中設(shè)備地址有兩種格式：16位（兩個字節(jié)）的短地址和64位（8個字節(jié)）的擴(kuò)展地址。16位短地址是設(shè)備與個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)時，由協(xié)調(diào)器分配的個域網(wǎng)內(nèi)局部地址；64位擴(kuò)展地址則是全球唯一地址，在設(shè)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域網(wǎng)內(nèi)部是唯一的，所以在使用16位短地址通信時需要結(jié)合16位的個域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符才有意義。兩種地址類型地址信息的長度是不同的，所以MAC幀頭的長度也是可變的。一個數(shù)據(jù)幀使用哪種地址類型由幀控制字段標(biāo)識。

IEEE 802．15．4協(xié)議共定義了四種類型的幀：信標(biāo)幀，數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)幀和MAC命令幀。

圖1.4 信標(biāo)幀格式

1） 信標(biāo)幀

信標(biāo)幀的負(fù)載數(shù)據(jù)單元可分為四部分：超幀描述字段、GTS分配字段、待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段和信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)。

Superframe Specification：信標(biāo)幀中超幀描述字段規(guī)定了該超幀的持續(xù)時間，活躍期持續(xù)時間以及競爭接入期持續(xù)時間等信息。

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

Pending Address field：轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址列出了與個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器保存的數(shù)據(jù)相對應(yīng)的設(shè)備地址。一個設(shè)備如果發(fā)現(xiàn)自己的地址出現(xiàn)在待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段里，則表明協(xié)調(diào)器存有屬于該設(shè)備的數(shù)據(jù)，所以它就會向協(xié)調(diào)器發(fā)出請求傳送數(shù)據(jù)的MAC命令幀。

Beacon Payload：信標(biāo)幀負(fù)載數(shù)據(jù)為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口。例如在使用安全機制的時候，這個負(fù)載域?qū)⒏鶕?jù)被通信設(shè)備設(shè)定的安全通信協(xié)議填入相應(yīng)的信息。

在不使用超幀結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)里，協(xié)調(diào)器在其他設(shè)備的請求下也會發(fā)送信標(biāo)幀。此時信標(biāo)幀的功能是輔助協(xié)調(diào)器向設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，整個幀只有待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址字段有意義。

2）數(shù)據(jù)幀

圖1.5 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀用來傳輸上層傳到MAC子層的數(shù)據(jù)，它的負(fù)載字段包含上層需要傳送的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)負(fù)載傳送至MAC子層時，被稱為MAC服務(wù)數(shù)據(jù)單元。它的首尾被分別附加頭信息和尾信息后，就構(gòu)成了MAC幀。

MAC幀傳送至物理層后，就成為了物理幀的負(fù)載。該負(fù)載在物理層被“包裝”，其首部增加了同步信息和幀長度字段。同步信息包括用于同步的前導(dǎo)碼等。幀長度字段使用一個字節(jié)的低7位標(biāo)識MAC幀的長度，所以MAC幀的長度不會超過127個字節(jié)。

3）確認(rèn)幀

圖1.6 確認(rèn)幀格式

如果設(shè)備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀，并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認(rèn)請求位被置l，則設(shè)備需要回應(yīng)一個確認(rèn)幀。確認(rèn)幀的序列號應(yīng)該與被確認(rèn)幀的序列號相同，負(fù)載長度為零。確認(rèn)幀緊接著被確認(rèn)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命令幀用于組建個域網(wǎng)，傳輸同步數(shù)據(jù)等。目前定義好的命令幀主要完成三方面的功能：把設(shè)備關(guān)聯(lián)到個域網(wǎng)，與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)，分配GTS。命令幀在格式上和其他類型的幀沒有太多的區(qū)別，只是幀控制字段的幀類型位有所不同。

1.1.3 數(shù)據(jù)傳輸模式

根據(jù)IEEE802.15.4協(xié)議，低速無線個域網(wǎng)中存在著三種數(shù)據(jù)傳輸方式：設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備和對等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中只存在著前兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，這是因為數(shù)據(jù)只在協(xié)調(diào)器和設(shè)備之間交換，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸也要通過協(xié)調(diào)器來轉(zhuǎn)發(fā)；而在點對點型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，三種數(shù)據(jù)傳輸方式都存在。

同時，根據(jù)超幀結(jié)構(gòu)存在與否，低速無線個域網(wǎng)的通信模式又可以分為信標(biāo)使能通信和信標(biāo)不使能通信。

1） 設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器

在信標(biāo)使能通信中，當(dāng)設(shè)備要向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，設(shè)備必須先接收協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)中的廣播的信標(biāo)幀，當(dāng)收到信標(biāo)幀后，設(shè)備可以和協(xié)調(diào)器及網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備在超幀上保持同步。然后設(shè)備可以使用slotted CSMA-CA競爭信道資源，向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀。當(dāng)協(xié)調(diào)器成功接收到數(shù)據(jù)幀后，協(xié)調(diào)器可以選擇發(fā)送確認(rèn)幀（ACK）給設(shè)備。發(fā)送確認(rèn)幀時不需要通過CSMA-CA去競爭信道資源，而是緊跟著在數(shù)據(jù)幀之后發(fā)送。當(dāng)設(shè)備成功收到確認(rèn)幀后，本次通信結(jié)束。整個過程如圖1.4所示。

圖1.8 信標(biāo)使能模式中設(shè)備向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)

在信標(biāo)不使能通信模式中，當(dāng)設(shè)備要向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，設(shè)備可以直接使用unslottedCSMA-CA競爭信道資源，向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀。當(dāng)協(xié)調(diào)器成功接收到數(shù)據(jù)幀后，協(xié)調(diào)器也可以選擇發(fā)送確認(rèn)幀（ACK）給設(shè)備。確認(rèn)幀不需要通過CSMA-CA去競爭信道資源，而是緊跟在數(shù)據(jù)幀之后發(fā)送。當(dāng)設(shè)備成功接收到確認(rèn)幀后，本次通信結(jié)束。整個過程如圖1.5所示。

圖1.9 信標(biāo)不使能模式中設(shè)備向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)

以上的傳輸方式又稱為直接傳輸模式（direct）。

2） 協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備

在信標(biāo)使能模式通信中，當(dāng)協(xié)調(diào)器要向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，協(xié)調(diào)器會將該信息保存在信標(biāo)幀中向整個網(wǎng)絡(luò)廣播。設(shè)備會周期性的接收網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)幀，當(dāng)設(shè)備從信標(biāo)幀中得知有自身要接受的數(shù)據(jù)時，設(shè)備將通過slotted CSMA-CA競爭信道資源發(fā)送MAC命令幀請求接收數(shù)據(jù)。當(dāng)協(xié)調(diào)器成功接收到該請求接收數(shù)據(jù)命令幀后，協(xié)調(diào)器可以選擇發(fā)送確認(rèn)幀給設(shè)備。然后協(xié)調(diào)器可以通過slotted CSMA-CA競爭信道資源發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備。設(shè)備通過發(fā)送確認(rèn)幀來保障這次通信成功，當(dāng)協(xié)調(diào)器收到確認(rèn)幀時，本次通信結(jié)束。整個過程如圖1.6所示。

圖1.10 信標(biāo)使能模式中協(xié)調(diào)器向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)

在信標(biāo)不是能通信模式中，當(dāng)協(xié)調(diào)器要向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，協(xié)調(diào)器將先保存數(shù)據(jù)等待設(shè)備請求，設(shè)備會定期的通過unslotted CSMA-CA競爭信道資源傳輸MAC命令幀請求接收數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器成功接收到該請求接收數(shù)據(jù)的命令幀后可以發(fā)送確認(rèn)幀確認(rèn)，如果確實有該設(shè)備將要接受的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器將通過unslotted CSMA-CA競爭信道資源發(fā)送數(shù)據(jù)幀給設(shè)備；如果沒有，協(xié)調(diào)器會發(fā)送負(fù)載為空的數(shù)據(jù)幀給設(shè)備，表示沒有該設(shè)備要接受的數(shù)據(jù)。設(shè)備通過發(fā)送確認(rèn)幀來保障這次通信成功，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到確認(rèn)幀后，本次通信結(jié)束。整個過程如圖1.7所示。

圖1.11 信標(biāo)不使能模式中協(xié)調(diào)器向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)

以上的傳輸方式又稱為間接傳輸模式。

［H1］MAC Header

［H2］MAC Footer ， 幀尾，用于CRC校驗