IEEE 802.15.4协议的超帧详解

作者：时间：2017-10-22来源：网络收藏

1.1.1超帧结构

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/367615.htm

低速无线个域网允许可选择性的使用超帧（superframe）结构。超帧的格式由协调器决定。在使用超帧结构的模式下，协调器会根据设置周期性的发送信标帧（beacon），而超帧正是由网络中的信标帧划分的，中间的区域称为竞争接入期（CAP，contenTIonaccess period），如图1.1所示。如果协调器不需要使用超帧结构，它可以停止发送信标帧。信标帧可以用来识别个域网，同步个域网中的设备，描述超帧结构等。

图1.1 不包含GTSs的超帧结构

针对网络负荷较低的情况或要求特定传输带宽的情况，协调器可以从超帧中划分出一部分时间，专门为这样的传输请求服务。被划分出的时间称为保证时隙（GTSs．Guaranteed TIme slots）。一个超帧中保证时隙的集合称为非竞争接入（CFP，contenTIon-free period），它往往紧跟在竞争接入期的后面，如图1.2所示。保证时隙传输模式也是可选的，由普通设备向个域网协调器申请，协调器会根据当前的资源状况给予答复，并通过信标帧将下一个超帧的结构广播到网络中。竞争接入期中的数据传输必须在非竞争接入期开始之前结束：同样，非竞争接入期中每个保证时隙里的数据传输也要在下一个保证时隙开始之前或非竞争接入期的终点之前结束。

图1.2 包含GTSs的超帧结构

超帧往往被分为活跃期（acTIve）和非活跃期（inactive）。在活跃期，协调器负责组织维持该网络，个域网中的各设备间可以进行数据通信；而在非活跃期中，个域网协调器和普通设备可以进入低功耗模式，个域网中各设备不进行数据传输。一个完整的超帧结构如图1.3所示。

图1.3 完整的超帧结构

描述超帧结构的量为BO（Beacon Order）和SO（Superframe Order）。其中，BO决定发送信标帧的周期，也即一个超帧的长度BI（beacon interval），见（1.1）；SO决定一个超帧中活跃期持续的时间，即SD（superframe duration），见（1.2）。其中，aBaseSuperframeDuration为960 symbols。根据协议的规定，BO的取值范围为0到14，当BO为15时，表示不使用超帧结构；SO的取之范围也是0到14，但必须保证SO不大于BO，当SO等于BO时，表示该超帧中不包含非活跃期。

1.1.2 MAC层帧结构和帧分类

IEEE 802．15．4 MAC层帧结构的设计是以用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输为目标的。每个MAC子层的帧都包含帧头、负载和帧尾三部分。帧头部分由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。MAC子层的负载部分长度可变，负载的具体内容由帧类型决定。帧尾部分是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。

在MAC子层中设备地址有两种格式：16位（两个字节）的短地址和64位（8个字节）的扩展地址。16位短地址是设备与个域网协调器关联时，由协调器分配的个域网内局部地址；64位扩展地址则是全球唯一地址，在设备进入网络之前就分配好了。16位短地址只能保证在个域网内部是唯一的，所以在使用16位短地址通信时需要结合16位的个域网网络标识符才有意义。两种地址类型地址信息的长度是不同的，所以MAC帧头的长度也是可变的。一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段标识。

IEEE 802．15．4协议共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧。

图1.4 信标帧格式

1）信标帧

信标帧的负载数据单元可分为四部分：超帧描述字段、GTS分配字段、待转发数据目标地址字段和信标帧负载数据。

Superframe Specification：信标帧中超帧描述字段规定了该超帧的持续时间，活跃期持续时间以及竞争接入期持续时间等信息。

GTS field:GTS分配字段将非竞争接入期划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给相应设备。

Pending Address field：转发数据目标地址列出了与个域网协调器保存的数据相对应的设备地址。一个设备如果发现自己的地址出现在待转发数据目标地址字段里，则表明协调器存有属于该设备的数据，所以它就会向协调器发出请求传送数据的MAC命令帧。

Beacon Payload：信标帧负载数据为上层协议提供数据传输接口。例如在使用安全机制的时候，这个负载域将根据被通信设备设定的安全通信协议填入相应的信息。

在不使用超帧结构的网络里，协调器在其他设备的请求下也会发送信标帧。此时信标帧的功能是辅助协调器向设备传输数据，整个帧只有待转发数据目标地址字段有意义。

2）数据帧

图1.5 数据帧格式

数据帧用来传输上层传到MAC子层的数据，它的负载字段包含上层需要传送的数据。数据负载传送至MAC子层时，被称为MAC服务数据单元。它的首尾被分别附加头信息和尾信息后，就构成了MAC帧。

MAC帧传送至物理层后，就成为了物理帧的负载。该负载在物理层被“包装”，其首部增加了同步信息和帧长度字段。同步信息包括用于同步的前导码等。帧长度字段使用一个字节的低7位标识MAC帧的长度，所以MAC帧的长度不会超过127个字节。

3）确认帧

图1.6 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，并且帧的控制信息字段的确认请求位被置l，则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，负载长度为零。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。

4）MAC命令帧

图1.7 MAC帧格式

MAC命令帧用于组建个域网，传输同步数据等。目前定义好的命令帧主要完成三方面的功能：把设备关联到个域网，与协调器交换数据，分配GTS。命令帧在格式上和其他类型的帧没有太多的区别，只是帧控制字段的帧类型位有所不同。

1.1.3 数据传输模式

根据IEEE802.15.4协议，低速无线个域网中存在着三种数据传输方式：设备发送数据给协调器、协调器发送数据给设备和对等设备之间的数据传输。在星形拓扑结构的网络中只存在着前两种数据传输方式，这是因为数据只在协调器和设备之间交换，设备之间的数据传输也要通过协调器来转发；而在点对点型拓扑结构网络中，三种数据传输方式都存在。

同时，根据超帧结构存在与否，低速无线个域网的通信模式又可以分为信标使能通信和信标不使能通信。

1）设备发送数据给协调器

在信标使能通信中，当设备要向协调器发送数据时，设备必须先接收协调器向网络中的广播的信标帧，当收到信标帧后，设备可以和协调器及网络中的其它设备在超帧上保持同步。然后设备可以使用slotted CSMA-CA竞争信道资源，向协调器发送数据帧。当协调器成功接收到数据帧后，协调器可以选择发送确认帧（ACK）给设备。发送确认帧时不需要通过CSMA-CA去竞争信道资源，而是紧跟着在数据帧之后发送。当设备成功收到确认帧后，本次通信结束。整个过程如图1.4所示。

图1.8 信标使能模式中设备向协调器发送数据

在信标不使能通信模式中，当设备要向协调器发送数据时，设备可以直接使用unslottedCSMA-CA竞争信道资源，向协调器发送数据帧。当协调器成功接收到数据帧后，协调器也可以选择发送确认帧（ACK）给设备。确认帧不需要通过CSMA-CA去竞争信道资源，而是紧跟在数据帧之后发送。当设备成功接收到确认帧后，本次通信结束。整个过程如图1.5所示。

图1.9 信标不使能模式中设备向协调器发送数据

以上的传输方式又称为直接传输模式（direct）。

2）协调器发送数据给设备

在信标使能模式通信中，当协调器要向设备发送数据时，协调器会将该信息保存在信标帧中向整个网络广播。设备会周期性的接收网络中的协调器发送的信标帧，当设备从信标帧中得知有自身要接受的数据时，设备将通过slotted CSMA-CA竞争信道资源发送MAC命令帧请求接收数据。当协调器成功接收到该请求接收数据命令帧后，协调器可以选择发送确认帧给设备。然后协调器可以通过slotted CSMA-CA竞争信道资源发送数据给设备。设备通过发送确认帧来保障这次通信成功，当协调器收到确认帧时，本次通信结束。整个过程如图1.6所示。

图1.10 信标使能模式中协调器向设备发送数据

在信标不是能通信模式中，当协调器要向设备发送数据时，协调器将先保存数据等待设备请求，设备会定期的通过unslotted CSMA-CA竞争信道资源传输MAC命令帧请求接收数据。协调器成功接收到该请求接收数据的命令帧后可以发送确认帧确认，如果确实有该设备将要接受的数据，协调器将通过unslotted CSMA-CA竞争信道资源发送数据帧给设备；如果没有，协调器会发送负载为空的数据帧给设备，表示没有该设备要接受的数据。设备通过发送确认帧来保障这次通信成功，当协调器接收到确认帧后，本次通信结束。整个过程如图1.7所示。