IEEE 802.15.4協議的超幀詳解

1.1.1超幀結構

低速無線個域網允許可選擇性的使用超幀（superframe）結構。超幀的格式由協調器決定。在使用超幀結構的模式下，協調器會根據設置周期性的發送信標幀（beacon），而超幀正是由網絡中的信標幀劃分的，中間的區域稱為競爭接入期（CAP，contenTIonaccess period），如圖1.1所示。如果協調器不需要使用超幀結構，它可以停止發送信標幀。信標幀可以用來識別個域網，同步個域網中的設備，描述超幀結構等。

圖1.1 不包含GTSs的超幀結構

針對網絡負荷較低的情況或要求特定傳輸帶寬的情況，協調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。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，由普通設備向個域網協調器申請，協調器會根據當前的資源狀況給予答復，并通過信標幀將下一個超幀的結構廣播到網絡中。競爭接入期中的數據傳輸必須在非競爭接入期開始之前結束：同樣，非競爭接入期中每個保證時隙里的數據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，協調器負責組織維持該網絡，個域網中的各設備間可以進行數據通信；而在非活躍期中，個域網協調器和普通設備可以進入低功耗模式，個域網中各設備不進行數據傳輸。一個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決定發送信標幀的周期，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的時間，即SD（superframe duration），見（1.2）。其中，aBaseSuperframeDuration為960 symbols。根據協議的規定，BO的取值范圍為0到14，當BO為15時，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，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

IEEE 802．15．4 MAC層幀結構的設計是以用最低復雜度實現在多噪聲無線信道環境下的可靠數據傳輸為目標的。每個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子層的負載部分長度可變，負載的具體內容由幀類型決定。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（兩個字節）的短地址和64位（8個字節）的擴展地址。16位短地址是設備與個域網協調器關聯時，由協調器分配的個域網內局部地址；64位擴展地址則是全球唯一地址，在設備進入網絡之前就分配好了。16位短地址只能保證在個域網內部是唯一的，所以在使用16位短地址通信時需要結合16位的個域網網絡標識符才有意義。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。一個數據幀使用哪種地址類型由幀控制字段標識。

IEEE 802．15．4協議共定義了四種類型的幀：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間，活躍期持續時間以及競爭接入期持續時間等信息。

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具體分配給相應設備。

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

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

在不使用超幀結構的網絡里，協調器在其他設備的請求下也會發送信標幀。此時信標幀的功能是輔助協調器向設備傳輸數據，整個幀只有待轉發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，被稱為MAC服務數據單元。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度字段。同步信息包括用于同步的前導碼等。幀長度字段使用一個字節的低7位標識MAC幀的長度，所以MAC幀的長度不會超過127個字節。

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，負載長度為零。確認幀緊接著被確認幀發送，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，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：把設備關聯到個域網，與協調器交換數據，分配GTS。命令幀在格式上和其他類型的幀沒有太多的區別，只是幀控制字段的幀類型位有所不同。

1.1.3 數據傳輸模式

根據IEEE802.15.4協議，低速無線個域網中存在著三種數據傳輸方式：設備發送數據給協調器、協調器發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絡中只存在著前兩種數據傳輸方式，這是因為數據只在協調器和設備之間交換，設備之間的數據傳輸也要通過協調器來轉發；而在點對點型拓撲結構網絡中，三種數據傳輸方式都存在。

同時，根據超幀結構存在與否，低速無線個域網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） 設備發送數據給協調器

在信標使能通信中，當設備要向協調器發送數據時，設備必須先接收協調器向網絡中的廣播的信標幀，當收到信標幀后，設備可以和協調器及網絡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，向協調器發送數據幀。當協調器成功接收到數據幀后，協調器可以選擇發送確認幀（ACK）給設備。發送確認幀時不需要通過CSMA-CA去競爭信道資源，而是緊跟著在數據幀之后發送。當設備成功收到確認幀后，本次通信結束。整個過程如圖1.4所示。

圖1.8 信標使能模式中設備向協調器發送數據

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

圖1.9 信標不使能模式中設備向協調器發送數據

以上的傳輸方式又稱為直接傳輸模式（direct）。

2） 協調器發送數據給設備

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

圖1.10 信標使能模式中協調器向設備發送數據

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

圖1.11 信標不使能模式中協調器向設備發送數據

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