IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議

1、IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議一、概述1998年3月,IEEE標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)正式批準(zhǔn)了IEEE 802.15工作組,該工作組的目標(biāo)是為個(gè)人操作空間內(nèi)相互通信的無線通信設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn).IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo): 低能量消耗, 低速率傳輸, 低成本。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：（1）在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn)了20kpbs, 40kbps, 250kbps等三種不同的傳輸速率。（2）支持星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（3）有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址。（4）支持CSMA-CA技術(shù)（沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)

2、）。（5）支持確認(rèn)（ACK）機(jī)制，保證傳輸可靠性。二、IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)是指在一個(gè)POS內(nèi)使用相同無線信道并通過IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)相互通信的一組設(shè)備的集合，稱為LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)設(shè)備類型：FFD/RFD全功能設(shè)備（FFD），具有全部的通信能力。精簡功能設(shè)備（RFD），具有部分的通信能力。FFD設(shè)備之間以及FFD設(shè)備與RFD設(shè)備之間都可以通信，RFD設(shè)備之間不能直接通信，只能與FFD設(shè)備通信，或者通過以一個(gè)FFD設(shè)備向外傳輸數(shù)據(jù)。這個(gè)與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備成為該RFD的協(xié)調(diào)器。三個(gè)設(shè)備角色：l 協(xié)調(diào)器（FFD設(shè)備）l 路由器（

3、FFD設(shè)備）l 端設(shè)備（RFD/FFD都可以）在IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)稱為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的FFD設(shè)備，是LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除了直接參與應(yīng)用外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。（RFD協(xié)調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器存在功能的區(qū)別）IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可組織成星型網(wǎng)絡(luò)，也可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。在星型結(jié)構(gòu)中，所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化、個(gè)人計(jì)算的外設(shè)以及個(gè)人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息、認(rèn)證設(shè)備身份等功能。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式可以

4、支持AD HOC網(wǎng)絡(luò)，允許通過多跳路由的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)。PAN網(wǎng)絡(luò)的形成是非常復(fù)雜的過程，需要明確的算法確定。三、IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。IEEE 802.15.4 協(xié)議層次圖如下： 上層協(xié)議IEEE 802.2 LLC SSCS MAC PHY特定服務(wù)的聚合子層（SSCS），鏈路控制子層等只是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)可能的上層協(xié)議，并不在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的定義范圍之內(nèi)。SSCS為IEEE 802.15.4 的MAC層提供接入IEEE 802.2 標(biāo)準(zhǔn)中定義的LLC子層提供聚合服務(wù)。

5、LLC子層可以使用SSCS的服務(wù)接口訪問IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)，為應(yīng)用層提供鏈接層服務(wù)。物理層定義了物理無線通道和MAC子層之間的接口，提供物理數(shù)據(jù)服務(wù)和物理管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)包括以下五方面的功能：l 激活和休眠射頻收發(fā)器l 信道能量檢測l 檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（LQI）l 空閑信道評(píng)估l 收發(fā)數(shù)據(jù)PHY層定義了三個(gè)載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)，具體如下：頻率MHZ 調(diào)制方式 傳輸速率868 BPSK 20KBPS915 BPSK 40KBPS2450 Q-QPSK 250KBPSIEEE 802.15.4物理層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如下：l 4字節(jié)： 前導(dǎo)碼（preamble）l 1字節(jié)

6、： 幀起始分割符（start-of-frame delimiter, SFD）l 7位： 幀長度（7/8）l 1位： 保留（1/8）l 可變長度：物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU），一般承載MAC幀。注意：因?yàn)閹L度為7位字節(jié)，因此PSDU的最大數(shù)為127字節(jié)。MAC子層主要功能包括如下六個(gè)方面：l 協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀（beacon）, 普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步。l 支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（association）和取消關(guān)聯(lián)（disassociation）的操作。l 支持無線信道通信安全l 使用CSMA-CA機(jī)制訪問信道l 支持時(shí)槽保證（guaranteed time slot, G

7、TS）機(jī)制。l 支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸IEEE 802.15.4中的時(shí)間同步通過超幀（superframe）機(jī)制實(shí)現(xiàn)。LR-PAN中存在三種數(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，對(duì)等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。在LR-WPAN中，存在兩種通信方式可以選擇：信標(biāo)使能模式(beacon-enabled)，信標(biāo)不使能模式（non beacon-enabled）。MAC幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是用最低復(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。其幀結(jié)構(gòu)如下：l 幀頭（MHR）：幀控制信息：2字節(jié)幀序列號(hào)：1字節(jié)地址信息： 目的設(shè)備PAN ID 目的地址 源設(shè)備PAN ID 源設(shè)備地址

8、l 負(fù)載：可變長度l 幀尾（MFR）：2字節(jié)（16位CRC）在MAC子層中設(shè)備地址有2種格式：16位的短地址、64位的擴(kuò)展地址。16位短地址是設(shè)備與PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)時(shí)，由協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)內(nèi)局部地址。64位擴(kuò)展地址是全球唯一地址，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PAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部是唯一的，所有16位短地址通信時(shí)必須結(jié)合16位的PAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符才有意義。IEEE 802.15.4 網(wǎng)絡(luò)定義了四種類型的幀結(jié)構(gòu)：l 信標(biāo)幀l 數(shù)據(jù)幀l 確認(rèn)幀l MAC命令幀MAC命令幀用于組建PAN網(wǎng)絡(luò), 傳輸數(shù)據(jù)同步等. 目前定義好的命令幀包括九種類型, 主要完成三方面的功能: 把設(shè)備關(guān)聯(lián)到PAN網(wǎng)絡(luò); 與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù);分配GTS. 詳細(xì)信息參見: IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。附錄: 名詞解釋 l POS: 個(gè)人操作空間l SSCS