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(gè)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(huì)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(jìng)爭(zhēng)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(shí)別個(gè)域網(wǎng)，同步個(gè)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(duì)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(shí)間，專門為這樣的傳輸請(qǐng)求服務(wù)。被劃分出的時(shí)間稱為保證時(shí)隙（GTSs．Guaranteed time slots）。一個(gè)超幀中保證時(shí)隙的集合稱為非競(jìng)爭(zhēng)接入（CFP，contention-free period），它往往緊跟在競(jìng)爭(zhēng)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(shè)備向個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器申請(qǐng)，協(xié)調(diào)器會(huì)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(gè)超幀的結(jié)構(gòu)廣播到網(wǎng)絡(luò)中。競(jìng)爭(zhēng)接入期中的數(shù)據(jù)傳輸必須在非競(jìng)爭(zhēng)接入期開始之前結(jié)束：同樣，非競(jìng)爭(zhēng)接入期中每個(gè)保證時(shí)隙里的數(shù)據(jù)傳輸也要在下一個(gè)保證時(shí)隙開始之前或非競(jìng)爭(zhēng)接入期的終點(diǎn)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(gè)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(gè)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(gè)域網(wǎng)中各設(shè)備不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)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(gè)超幀的長(zhǎng)度BI（beacon interval），見（1.1）；SO決定一個(gè)超幀中活躍期持續(xù)的時(shí)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(shí)，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(shí)，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(jì)是以用最低復(fù)雜度實(shí)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(gè)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(hào)和地址信息組成。MAC子層的負(fù)載部分長(zhǎng)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(yàn)序列。

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

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