IEEE802.15.4协议完整中文版（４）

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5.5 功能概述

5.5.1到5.5.6简单描述了LR-WPAN的基本功能，以及关于超帧结构、数据传输模型、帧结构、提升成功传输的⼏率、电源消耗和安全相关的信息。

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5.5.1 超帧结构

本标准允许使⽤超帧结构。超帧的格式由协调器定义。超帧以协调器发送的信标作为分解（图4a），且被分为16个相等⼤学的时隙。超帧由两部分组成：活跃期和⾮活跃期（图4b）。在⾮活跃期内，协调器可能会进⼊低功耗模式。每⼀个超帧的第⼀个时隙会发送信标帧。信标帧⽤于与设备同步、标识PAN⽹络、描述超帧的结构。如果⼀个设备想通信，它必须在两个信标帧之间的竞争接⼊阶段（CAP）采⽤时隙CSMA/CA机制竞争信道。在下⼀个⽹络信标到来之前，完成该超帧所有的相关处理⼯作。

有⼀些应⽤需要低延迟或者指定的数据带宽，PAN协调器可以直接将超帧的⼀部分活跃期分配给改应⽤。这部分时间叫做有保证的时隙（guaranteed time

slots， GTS）。在超帧的CAP阶段之后，紧紧跟着GTS。GTS属于⽆竞争阶段（contention-free period, CFP），如图5所⽰。

PAN协调器最多可以分配7个时隙，⼀个GTS可以占据多个时隙。不过，CAP阶段的时隙是⾜够充⾜的，可以让⽹络中的设备基于竞争访问，或者让其它设备加⼊到本⽹络。所有基于竞争的传输都在CFP开始之前完成。传输GTS的设备也必须保证⾃⼰的传输在下⼀个GTS开始之前，或者CFP结束之前完成。7.5.1.1讲解了关于超帧结构的更多信息。

5.5.2 数据传输模型

数据传输处理有3种类型：由⼀个设备传输数据给⼀个协调器；由协调器向设备传输数据；再两个对

等设备之间传输数据。在星型拓扑中，因为只能在协调器和设备之间交换数据，所以只存在前两种类型。在对等拓扑中，如何两个设备之间都能交换数据，所以三种类型都存在。根据⽹络是否⽀持传输信标，每⼀种类型的传输机制将不同。802.15.4 ⽹络定义了两种⽹络运⾏模式：信标模式和⾮信标模式。如果⼀个⽹络需要进⾏同步或者⽀持低延迟设备（⽐如PC），就采⽤信标模式。如果⽹络不需要同步且不需要⽀持低延迟⽹络，就可以采⽤⾮信标模式。不过，在发现⽹络时仍然需要信标。7.2详细介绍了数据传输时的帧结构。

5.5.2.1 协调器传输数据

在⼀个信标模式的PAN⽹络中，如果设备想发送数据，它⾸先要侦听⽹络信标。当发现信标时，设备将与超帧结构头部。在⼀个合适的时间，设备使⽤时隙CSMA/CA向协调器发送数据。协调器根据需要，决定是否传输⼀个ACK帧表⽰成功接收到消息。如图6。

在⾮信标模式下，如果设备想发送数据，它只需要使⽤⾮时隙的CSMA/CA发送数据帧给协调器。同样地，协调器根据需要，决定是否传输⼀个ACK帧表⽰成功

接收到消息。如图7。

5.5.2.2 协调器接收数据

在⼀个信标模式的PAN⽹络中，如果协调器想发送数据，⾸先缓存这些数据并在接下来的信标帧中携带相关信息，暗⽰有⽬的设备的数据被缓存。⽽设备则周期性监听信标帧，若通过信标帧发现有⾃⼰的数据被缓存，则采⽤时隙CSMA/CA发送数据请求。此时，协调器收到数据请求后回应ACK，然后紧跟在ACK之后直接发送数据或者独⽴采⽤时隙CSMA机制发送应答。当数据由协调器成功发送后，在新的信标帧中将不会再包含相关数据被缓存的信息。如图8。

在⾮信标模式下，如果协调器想发送数据，⾸先缓存这些数据并等待设备发送的数据请求。⽽设备则按照预定义的周期通过向协调器发送数据请求。若协调器中

缓存有该⽬的设备的数据，那么协调器将应答⼀个ACK帧，然后同样使⽤CMSA机制发送所缓存的数据。若协调器中并未有该⽬的设备的数据，那么协调器可以

选择在ACK帧中标识⽆缓冲数据，或者ACK帧中标识有数据缓冲，但是发送负载长度为0的数据帧。最后根据需求，设备决定是否应答ACK。如图9。颠沛的国宝

5.5.2.3对等数据传输

在对等结构的PAN⽹络中，每个设备都可以与它⽆线范围内的其它设备通信。为了提⾼效率，想通信的设备既不需要连续地接收或者与其它设备同步。在前⼀个情形中，设备只需要使⽤CSMA/CA机制发送数据。在后⼀个情形中，需要采取其它措施实⾏同步。这超出了本标准的讨论范围。

5.5.3 帧结构

设计帧结构主要考虑两⽅⾯，其⼀是使帧结构尽可能简单，其⼆是在具有噪声的信道中传输时保持健壮性。每⼀层的协议都会在这个结构上添加本层相关的头部和尾部。本标准定义了四种帧结构：

—— 信标帧。协调器使⽤信标帧传输信标

南怀仁—— 数据帧。⽤于传输数据

—— 确认帧。⽤于确认成功接收到到帧

—— MAC命令帧。⽤于处理所有MAC对等的实体控制传输

5.5.3.1 信标帧

图10显⽰了MAC⼦层中的信标帧结构。在信标模式的PAN⽹络中，协调器将传输信标帧。信标帧的负载中包含了超帧规范，GTS字段，追加地址地址以及信标负载（参考7.2.2.1）。负载的前⾯是MAC头（MAC header，MHR），后⾯是MAC尾（MAC footer， MFR）。MHR中包含了MAC帧控制字段，信标系列号（BSN），地址字段以及可选附加安全头。MFR中包含有⼀个16bit的帧检验序列（FCS）。MHR,MAC负载，MFR共同构成了⼀个MAC信标帧（也就是MAC协议数据单元MPDU）。

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MAC信标帧会被传递给PHY，作为PHY的服务数据单元(PHY service data unit， PSDU)，成为PHY的负载。 PHY会为它的负载的前⾯加上同步头（synchronizaiton header，SHR）和PHY头（PHY header，PHR）。SHR中包含先导序列和帧开始定界符（start-of-frame delimiter, SFD）；PHR中包含PHY负载的长度。SHR, PHR和负载共同构成了⼀个PHY包（也就是PHY协议数据单元PPDU）。

5.5.3.2 数据帧

数据帧来源于上层，其结构如图11所⽰。

数据负载被传递到MAC⼦层并成为MAC数据服务单元MSDU。负载的前⾯是⼀个MHR，后⾯是⼀个MFR。MFR中包含帧控制字段，数据序列号DSN，地址字段以及可选的附加安全头部。MFR有16bit的FCS组成。MHR, 负载，MFR共同构成了MAC数据帧。

MAC信标帧会被传递给PHY，作为PHY的服务数据单元 PSDU，成为PHY的负载。PHY会为它的负载

的前⾯加上同步头SHR和PHY头PHR。SHR中包含先导序列和帧开始定界符SFD；PHR中包含PHY负载的长度。先导序列和SFD能够让接收器实现符号头部。SHR, PHR和负载共同构成了⼀个PHY包。

5.5.3.3 确认帧

确认帧来源⾃MAC⼦层内部，其结构如图12所⽰。确认帧没有负载，由MHR和MFR构成。MHR包含帧控制字段和DSN。MFR有16bit的FCS组成。MHR, MFR共同构成了MAC确认帧（也就是MPDU）。

MPDU被传递个PHY，作为PHY的PSDU，成为其负载。PHY会为它的负载的前⾯加上同步头SHR和PHY头PHR。SHR中包含先导序列和帧开始定界符SFD；

PHR中包含PHY负载的长度。SHR, PHR和负载共同构成了⼀个PHY包。

5.5.3.4 MAC命令帧

确认帧来源⾃MAC⼦层内部，其结构如图13所⽰。MAC负载包括命令类型字段和命令负载（参考7.2.2.4）。负载的前⾯是MAC头（MAC header，MHR），后⾯是MAC尾（MAC footer， MFR）。MHR中包含了MAC帧控制字段，信标系列号（BSN），地址字段以及可选附加安全头。MFR中包含有⼀个16bit的帧检验序列（FCS）。MHR,MAC负载，MFR共同构成了⼀个MAC信标帧（也就是MPDU）。

MPDU会被传递给PHY，作为PHY的服务数据单元 PSDU，成为PHY的负载。PHY会为它的负载的前⾯加上同步头SHR和PHY头PHR。SHR中包含先导序列和

帧开始定界符SFD；PHR中包含PHY负载的长度。先导序列和SFD能够让接收器实现符号头部。SHR, PHR和负载共同构成了⼀个PHY包。

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