无线传感网节点MAC协议研究与实现.doc

毕业设计（论文）报告 题 目 无线传感网节点MAC协议研究与实现 信息科学与工程学院 院（系） 信息工程 专业学 号 04005437 学生姓名 孙 玉 涛 指导教师 樊 祥 宁 起讫日期 2009.02.16-2009.06.10 设计地点 东南大学射频与光电集成电路研究所 Research and Implementation ofMAC Protocol for WSNA Thesis Submitted to Southeast UniversityFor the Academic Degree of Bachelor of EngineeringBYSun YutaoSupervised byProf. Fan XiangningSchool of Information Science & EngineeringSoutheast UniversityMay 2009东 南 大 学 毕 业 （设 计）论 文 独 创 性 声 明本人声明所呈交的毕业（设计）论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名： 日期： 年 月 日东 南 大 学毕 业 （设 计）论 文 使 用 授 权 声 明东南大学有权保留本人所送交毕业（设计）论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学教务处办理。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年月 日 摘要无线传感网节点MAC协议研究与实现04005437 孙玉涛指导老师 樊祥宁摘 要无线传感器网络（WSN）是一种特殊的Ad-hoc网络，是由许多无线传感器节点协同组织起来的，这些微型节点具有无线通讯、数据采集和协同合作能力。无线传感网节点具有成本低，体积小，能量有限，计算能力有限的特点。在设计无线传感网协议的时候，减少节点的能耗是最先要考虑的。本文先从IEEE802.15.4入手介绍了典型的无线传感网MAC层协议，然后分析了其他常见的MAC层协议，指出了他们的优缺点，总结出无线传感网MAC协议设计的原则。然后利用CC2500无线芯片和MSP430单片机完成了无线传感网节点的设计，通过测试这个节点的速率可达250kbps，在空旷范围内的覆盖可达到100m。同时在TI推出的一款小型的无线传感网协议SimpliciTI上实现了两点、三点通信的调试，并且设计了一个简单星型的传感器网络。这个网络可以实现温度、湿度、烟雾信息的采集，并且把这些信息汇总到中心节点上，通过RS232接口，可以将这些信息在PC机上显示出来，最后分析了这个星型网络的优缺点，提出了改进方案。关键词：无线传感网 MAC协议 SimpliciTII目录Research and Implementation of MAC Protocol for WSN04005437 Sun YutaoSupervised by Prof. Fan XiangningAbstractWireless sensor network (WSN), composed of many wireless sensor nodes organized synergy, is a special Ad-hoc network , these mini-nodes have the ability to communicate wirelessly, collect data and collaborate with each other. Wireless sensor network node is featured of low cost, small size, limited energy and computing capacity. In the design of wireless sensor network, to reduce the energy consumption of the nodes is the first to be taken into account.Starting form learning a typical MAC layer protocol of IEEE802.15.4 wireless sensor network, then analyzing some other common MAC layer protocols, this paper points out their advantages and disadvantages, then sums up the principles to design the MAC layer of wireless sensor networks. Using MSP430 MCU and CC2500 RF chip, the hardware of wireless sensor network node is designed. According to results of the experiments, the rate of the node can reach 250kbps, and its scope of coverage can reach 100m in the open area. Using SimpliciTI, a small-scale wireless sensor network protocol, the communications between both two and three nodes succeed. Then, through hardware and software debugging, a simple star topology network is realized. This network can collect temperatures, humidity and smoke information, then, aggregates this information to the central node. Through RS232 interface, the information can be displayed on PC. Finally, by analyzing the advantages and disadvantages of star topology network, several suggestions are proposed to improve the design.Key words: WSN MAC Protocol SimpliciTI目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 无线传感器网络简介11.2 ZigBee技术简介11.2.1 ZigBee中的设备21.2.2 Zigbee网络拓扑21.2.3 ZigBee协议构架31.3 SimpliciTI协议简介41.4 论文组织5第2章 IEEE 802.15.4协议的研究62.1 OSI参考模型62.2 物理层规范62.2.1物理层服务规范72.3 MAC层规范82.3.1 MAC层服务规范92.3.2 MAC层帧格式112.4 IEEE802.15.4 MAC层功能描述112.4.1信道访问机制112.4.2 PAN的建立和运行机制132.4.3 关联和解关联142.4.4 PAN同步机制15第3章 无线传感网MAC层协议的研究163.1 无线传感网MAC协议的特点163.2造成能量浪费的原因163.3 现有MAC层协议分析163.3.1基于竞争的MAC协议163.3.2基于非竞争的MAC协议183.3.3 混合型MAC协议19第4章 SimpliciTI协议204.1 SimpliciTI协议概述204.2 SimpliciTI协议的构架204.3 SimpliciTI协议帧结构214.4网络层应用234.4.1 Ping244.4.2 Link244.4.3 Join244.4.4 Security254.4.5 Freq264.4.6 Mgmt26第5章 系统实现275.1 系统平台简介275.2 MSP430单片机275.2.1 MSP430单片机的特点275.2.2 MSP430串行通信概论285.2.3 UART接口通信295.2.4 SPI同步接口通信305.3 利用ADC10进行温度测量325.4 DHT11温湿度传感器335.4.1DHT11简介335.4.2DHT11数据结构335.4.3 DHT11的时序335.4.4精确的软件延时的方法345.5 CC2500355.5.1 CC2500简介355.4.2四线串行配置和数据接口355.4.3芯片状态位355.4.4配置寄存器访问365.4.5状态寄存器和命令滤波365.4.6 FIFO访问375.4.7 PATABLE访问37第6章 星型传感网络的设计386.1 两点通信的调试386.2系统覆盖的测试396.3数据丢包率的测试396.4 三点通信的调试416.5星型传感网络的设计426.5.1系统简介426.5.2 ED的实现426.5.3 AP的实现446.6 星型传感器网络的优缺点分析46第7章 总结与展望47致 谢48参考文献4950东南大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪论1.1无线传感器网络简介无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块。传感器、微型机电系统(MEMS)、集成电路、以及低功耗无线通信等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的微型无线传感器网络的大规模应用成为可能，这些微型无线传感器是集成的光机电一体化系统，具有无线通信、数据收集和处理、协同工作等功能。它们共同组成了无线传感器网络，导致了一种全新的信息获取和处理模式，微型传感器节点可以随机或者特定地布置在工作环境中，通过无线通信实现自组织，获取周围环境的信息，形成分布自治系统，相互协同完成特定的任务。长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。IEEE 802.15.41规范是一种经济、高效、低数据速率（250kbps）、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。1.2 ZigBee技术简介随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围内通信的要求，这样就出现了个人区域网络（Personal Area Network, PAN）和无线个人区域网络（Wireless Personal Area Network, WPAN）的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使他们可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。2001年8月成立的ZigBee联盟就是一个针对WPAN网络而成立的产业联盟，该联盟致力于近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术。他们开发的技术被称为ZigBee技术2，该技术希望被部署到商用电子、住宅及建筑自动化、工业设备监测、PC外设、医疗传感设备、玩具以及游戏等其他无线传感和控制领域当中。ZigBee联盟已于2005年6月27日公布了第一份ZigBee规范“ZigBee Specification V 1.0”，该标准定义了在IEEE 802.15.4-2003物理层和标准媒体接入控制层上的网络层及支持的应用服务。ZigBee联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构。IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：1、支持250kbps、40kbps和20kbps三种速率2、支持星型网络结构和点对点等网络结构3、分配16位短地址或64位扩展地址4、支持时隙保证机制，通过预留保证时隙（GTS）提供无竞争媒体访问5、竞争期以CSMA-CA机制访问媒体6、以完全确认的协议保证传输的可靠性7、低功耗8、能量检测（ED）9、链路质量指示（LQI）10、定义了27个信道：2450MHz频段16个信道，915MHz频段10个信道，868MHz频段1个信道。1.2.1 ZigBee中的设备对于网络中的设备，IEEE 802.15.4和ZigBee联盟制定的标准分别有不同的定义方法和规范术语。根据设备功能的不同，IEEE 802.15.4把网络中的设备分为全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD）。FFD实现了IEEE 802.15.4协议的全集，而RFD则根据特定的应用需要只实现了IEEE 802.15.4完整协议中的一部分。根据设备在网络中承担任务的不同，个域网（PAN）中的设备可分为PAN协调器、协调器和一般设备。PAN协调器是PAN网的总控制器，一个IEEE 802.15.4网络中只能有一个PAN协调器，PAN协调器必须是FFD。协调器也必须是FFD，它通过发送信标提供同步服务，PAN协调器是一种特殊的协调器。IEEE 802.15.4网络中除了PAN协调器和协调器外全部是一般设备，它们可以是FFD也可以是RFD。ZigBee联盟把IEEE 802.15.4中定义的PAN协调器、协调器和一般设备分别称作“ZigBee协调器”、“ZigBee路由器”和“ZigBee终端设备”。1.2.2 Zigbee网络拓扑IEEE 802.15.4/ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构（Star）、簇树结构（ClusterTree）和网状结构（Mesh）。图1.1、1.2和1.3分别是这三种拓扑结构的示意图。图1.1 星型结构拓扑图1.2 MESH结构拓扑图1.3簇树结构拓扑 在星型拓扑中，网络由一个ZigBee协调器控制。ZigBee协调器要负责初始化并维护网络以及网络中的所有其他设备，这些设备均作为终端设备直接与ZigBee协调器通信。在Mesh或簇树网络中，ZigBee协调器负责启动网络并设置某些关键参数，但是网络可以通过ZigBee路由器进行扩展。在簇树网络中，路由器采用分级路由策略传送数据和控制信息。树状网络通常使用基于信标的通信模式。Mesh网络允许完全的点对点通信，在Mesh网络中ZigBee路由器不会发送常规的信标。1.2.3 ZigBee协议构架ZigBee的协议构架是建立在IEEE 802.15.4 标准基础之上的。IEEE 802.15.4 标志定义了ZigBee的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）；ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范。图1.4是IEEE 802.15.4的OSI网络模型。应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层IEEE 802.15.4 MAC868/915MHz2400MHzZigBee应用层IEEE 802.15.4标准ZigBee标准图1.4 IEEE 802.15.4的OSI网络模型IEEE 802.15.4 的物理层提供两类服务：物理层数据服务和物理层管理服务。PHY层的功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测、链路质量指示和MAC层管理服务，其主要功能包括采用CSMA/CA4进行信道访问控制，信标帧的发送。同步服务和提供MAC层可靠传输机制。ZigBee网络层提供设备加入/退出网络的机制、帧安全机制、路由发现以及维护机制。ZigBee协调器的网络层还负责新网络并为新关联的设备分配地址。ZigBee应用层包括应用支撑子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商定义的应用对象。APS子层负责维护绑定列表，根据设备的服务和需求对设备进行匹配，并在绑定的设备之间传送信息。ZDO负责发现网络中的设备并明确其提供的应用服务。1.3 SimpliciTI协议简介SimpliciTI是TI公司自主开发的一套无线传感器网协议，设计人员在开发时间有限、网络拓扑简单时可以用来实施。实际上，不符合现有低功耗无线标准的专有网络非常多，不仅跨多个应用空间而且还具有各种不同的实施复杂性。之所以将 SimpliciTI 选作范例协议，是因为其与 IEEE 802.15.4 和 ZigBee 相比具有更小的尺寸以及更低的复杂度。SimpliciTI 拥有众多优异的关键特性，如内存占用少、方便易用、复杂度低等。SimpliciTI 专注于支持简单星型网络的对等拓扑，即指最大化地利用称为接入点 （Access Point） 的单个网络协调器。SimpliciTI 网络还定义了范围扩展器 （Range Extender）与终端设备 （End Device） 的抽象概念。可将该网络扩展至包括多达四个范围扩展器。SimpliciTI 提供简化的网络管理功能，包括可实现终端设备休眠功能的存储并转发缓存、网络初始化、基本链接管理以及网络探索。因为其在物理层、数据链路层以及网络层中实施的功能都有所简化，难以充分满足各层全面实施的要求。SimpliciTI 采用能够与提供管理功能的网络层通信、非常类似于 TCP/IP 协议的端口架构，并可维护最少的电路板支持数据包层，即 BSP 层来与无线广播和MCU进行接口相连。SimpliciTI 没有正式的物理层描述，因此也没有对频率、数据速率或者调制提供要求，从而为设计人员提供了广阔的硬件级设计空间。此外，需要重点指出的是，SimpliciTI 协议也没有定义路由、确认或者确保可靠性的其他方法。用户必须处理如消息超过最大应用有效负荷、数据丢失以及数据冗余等众多问题。但这不是一种局限，因为 低功耗应用往往对数据数率和要求都相当低，这里或者那里丢失一个数据包不是什么问题。以自动调温器为例，丢失一个包的数据对应用来说并不构成重大问题。如果通信的可靠性对应用非常重要，用户也可在应用层实施可靠性协议。比如，可重复多次发送数据，可实施对等层确认，或实施可通知接收设备是否丢包的事务交易计数器。1.4 论文组织第2章介绍了IEEE 802.15.4协议，通过这个协议了解无线传感网物理层和MAC层的特性。第3章我们对比分析了一些常见用以无线传感网的MAC层协议，通过分析这些协议的优缺点，得到了MAC层协议设计的原则。第4章介绍了调试时所使用的SimpliciTI协议，分析了这个协议中各层之间是怎么协调工作的。第5章中介绍了系统使用的平台，同时也给出了平台所使用的接口的定义。第6章进行了两点和三点通信的测试，并且设计了一个简单的星型无线传感网，这个网络可以完成温度，湿度等信息的采集。最后还分析了这个系统的优缺点。第7章对所完成的工作进行了总结。第2章 IEEE 802.15.4协议的研究2.1 OSI参考模型 网络发展中一个重要里程碑便是ISO（Internet Standard Organization，国际标准组织）对OSI（Open System Interconnect，开放系统互连）七层网络模型的定义。建立七层模型的主要目的是为解决异种网络互连时所遇到的兼容性问题。它的最大优点是将服务、接口和协议这三个概念明确地区分开来：服务说明某一层为上一层提供一些什么功能，接口说明上一层如何使用下层的服务，而协议涉及如何实现本层的服务。这样各层之间具有很强的独立性，互连网络中各实体采用什么样的协议是没有限制的，只要向上提供相同的服务并且不改变相邻层的接口就可以了。网络七层的划分也是为了使网络的不同功能模块（不同层次）分担起不同的职责，从而带来如下好处： 1、减轻问复杂度，一旦网络发生故障，可迅速定位故障所处层次，便于查找和纠错。2、在各层分别定义标准接口，使具备相同对等层的不同网络设备能实现互操作，各层之间则相对独立，一种高层协议可放在多种低层协议上运行，能有效刺激网络技术革新，因为每次更新都可以在小范围内进行，不需对整个网络动大手术。 3、网络分层体现了在许多工程设计中都具有的结构化思想，是一种合理的划分。 网络七层包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。其中物理层、数据链路层和网络层通常被称作媒体层，是网络工程师所研究的对象，传输层、会话层、表示层和应用层则被称作主机层，是用户所面向和关心的内容。 2.2 物理层规范IEEE 802.15.4 物理层主要完成以下几项任务：开启和关闭无线收发信机、能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）、空闲信道评估（CCA）、信道选择、数据发送和接收。IEEE 802.15.4 物理层定了868MHz、915MHz和2.4GHz三个频段。这些频段上所采用的调制和扩频技术参数如表2.1。表2.1 IEEE 802.15.4物理层特性频率/MHz扩频参数数据参数码片速率/(kchip/s)调制方式比特速率/kbps符号速率/(ksymbol/s)符号阶数868/915868868.6300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制245024002483.52000O-QPSK25062.5十六进制IEEE 802.15.4 物理层在三个频段上共划分了27个信道，信道编号k为026。2.2.1物理层服务规范物理层通过射频固件和硬件提供MAC层与物理无线信道之间的接口。从概念上说，物理层还应包括物理层管理实体（PLME），以提供物理层管理功能的管理服务接口；同时PLME还负责维护物理层PAN信息库（PHY PIB）。IEEE 802.15.4物理层的参考模型如图2.1。物理层（PHY）PD-SAP 物理层管理实体 （PLME）PLME-SAPPHY PIBRF-SAP图2.1 物理层参考模型物理层通过数据服务访问点（PD-SAP）提供物理层数据服务；通过物理层管理实体服务访问点（PLME-SAP）提供物理层管理服务。（1） 物理层数据服务PD-SAP支持在两个对等的MAC层实体之间传输MAC协议数据单元（MPDU），PD-SAP支持的原语有三种：PD-DATArequest、PD-DATAconfirm和PD-DATAindication。表2.2对这些原语的功能进行了简单的描述：表2.2 物理层数据服务原语原语描述PD-DATARequest由MAC层发送给本地物理层，请求发送MPDU（即物理层服务数据单元PSDU）PD-DATAConfirm由物理层实体发送给MAC层实体，作为对PD-DATARequest原语的响应PD-DATAindication指示一个MPDU（即PSDU）从物理层传送到本地MAC层实体（2）物理层管理服务PLME-SAP允许在MLME和PLME之间传送管理命令，PLME-SAP支持的原语有PLME-CCA、PLME-ED、PLME-GET、PLME- SET-TRX-STATE和PLME-SET。表2.3是对这些原语的描述。表2.3物理层管理服务原语原语描述PLME-CCAPLME-CCARequest原语请求PLME执行空闲信道评估（CCA），PLME-CCAConfirm原语是PLME向MLME报告CCA结果的原语PLME-EDPLME-EDRequest原语由MLME产生，请求PLME执行能量检测（ED），完成ED后PLME向MLME发送PLME-EDConfirm原语报告能量检测的结果。PLME-GETPLME-GETRequest原语由MLME产生，向PLME请求物理层PIB中相关属性的值，PLME-GETConfirm是PLME向MLME返回查询的结果。PLME- SET-TRX-STATEPLME- SET-TRX-STATERequest由MLME产生，向PLME请求改变收发信机的内部工作状态，可以是打开或者关闭接收机。PLME- SET-TRX-STATEConfirm原语是PLME告知对收发信机操作的结果。PLME-SETPLME-SETRequest原语由MLME产生，向PLME请求设置或者改变PIB属性的值，PLME-SETConfirm由PLME产生，向MLME报告请求设置PIB属性值的结果。（3）物理层数据格式物理层协议协议数据单元（PPDU）由三部分组成：同步头（SHR）；物理层帧头和有效载荷部分（物理层要发送的数据包，即MPDU）。表2.4是物理层数据格式。表2.4物理层数据格式字节数：411可变长度引导序列帧开始符帧长（7位）预留（1位）物理层数据服务单元（PSDU）同步头（SHR）物理层帧头（PHR）物理层有效载荷2.3 MAC层规范IEEE 802.15.4 标准MAC子层主要负责以下几项任务：协调器产生网络信标；信标同步；支持PAN关联和解关联；CSMA-CA信道访问机制；处理和维护保证时隙5（GTS）机制；在两个对等的MAC实体间提供可靠链路。2.3.1 MAC层服务规范MAC层提供了特定服务会聚子层（SSCS）和物理层之间的接口。从概念上说，MAC层还包括MAC层管理实体（MLME），以提供调用MAC层管理功能的管理服务接口；同时 ，MLME还负责维护MAC PAN信息库（MAC PIB）。MAC层通过MAC公共部分子层（MCPS）的数据SAP（MCPS-SAP）提供MAC数据服务；通过MLME-SAP提供MAC管理服务。这两种服务通过物理层PD-SAP和PLME-SAP提供了SSCS和PHY之间的接口。除了这些接口外，MCPS和MLME之间还隐含一个内部接口，用于MLME调用MAC数据服务。MAC层的参考模型如图2.2。 MAC公共部分子层 （MCPS）MCPS-SAP MAC层管理实体 （MLME）MLME-SAPMAC PIBPD-SAPPLME-SAP图2.2 MAC层参考模型（1）MAC层数据服务MCPS-SAP支持两个对等的SSCS实体之间的SSCS协议数据单元（SPDU）的传输。MAC数据服务是通过MCPS-DATA实现的，MCPS-DATArequest原语请求从本地SSCS实体向一个对等的SSCS实体发送SPDU。当SSCS层有数据需要发送时，就产生该原语并通过MCPS-SAP传送给MAC层。MCPS-DATAconfirm原语是对MCPS-DATArequest的响应，由MAC层产生向SSCS报告请求发送MSDU的结果。MCPS-DATAIndication原语由对等的MAC层产生并发送给SSCS，用以指示接收到一个MSDU。在两个设备之间成功传递MAC数据帧的信息流程可以图2.3表示。发送方上一层发送方 MAC接收方MAC接收方上一层MCPS-DATArequest MCPS-DATAindicationMCPS-DATAconfirm数据帧确认帧图2.3 MAC数据帧的信息流程（2） MAC层管理服务MLME-SAP支持在MAC层和其上层之间传递管理命令，通过表2.5中的15类管理服务原语来实现的。表2.5 MAC层管理服务原语关联原语MLME-ASSOCIATEMLME-SAP关联原语定义一个设备关联到一个PAN的过程。所以设备都必须支持关联请求和证实原语，RFD可选支持关联指示和相应原语解关联原语MLME-DISASSOCIATEMLME-DISASSOCIATE定义一个设备从PAN中解关联的过程。各种类型的设备都应能提供解关联原语的接口信标通知原语MLME-BEACON-NOTIFYMLME-BEACON-NOTIFYIndication原语把MAC层接收到的信标帧中的信息传递给上层，各种类型设备都应当支持信标通知原语读取属性原语MLME-GET获取PIB属性的原语（MLME-GET）定义从MAC PIB中读取属性值的过程GTS管理原语MLME-GTSGTS管理原语定义了GTS的请求和维护。使用GTS管理原语和GTS的设备通常已经跟踪了PAN协调器的信标。MLME-GTSRequest由设备用以向PAN协调器请求分配或者撤销已经分配的GTS孤立通知原语MLME-ORPHAN协调器收到落孤设备发出的孤立通知命令后，MLME产生孤立指示原语MLME-ORPHANIndication向其上层指示存在一个落孤的设备复位原语 MLME-RESET复位原语定义把MAC层PIB的属性值恢复为缺省值的方法接收机状态原语MLME-RX-ENABLE接收机状态原语定义设备如何在指定的时间段使能和关闭接收机信道扫描原语MLME-SCAN信道扫描请求原语MLME-SCANrequest按照指定的信道列表启动信道扫描。设备可以通过信道扫描判断信道使用情况通信状态原语MLME-COMM-STATUS当传输不是由请求原语request启动，或者到达的分组出现安全处理错误时，MLME通过通信知识原语和上层交互传输状态信息设置属性原语MLME-SETMAC PIB属性设置原语定义对PIB属性作写操作的过程更新超帧配置原语MLME-START更新超帧配置原语定义了一个FFD如何请求启用新的超帧配置来实现PAN初始化、信标产生、设备发现、停止发送信标等同步原语MLME-SYNC同步原语定义设备和协调器获得同步的过程以及如何向上层报告失步信息失步原语MLME-SYNC-LOSS失步指示原语在设备与协调器失步时由MLME产生并向其上层报告失步原因，也可以由PAN协调器的MLME产生，向其上层报告发生了PAN标识码冲突轮询原语MLME-POLL轮询原语定义设备向协调器请求数据的过程2.3.2 MAC层帧格式MAC帧，即MAC协议数据单元（MPDU），是由一系列字段按照特定的顺序排列而成的。MAC帧通常包含三部分：MAC头、MAC有效载荷和MAC尾。MAC头部分由帧控制字、帧序号字段和地址信息域组成；MAC有效载荷部分的长度与帧类型相关，确认帧的有效载荷部分长度为0；MAC尾市帧校验序列（FCS）。MAC帧格式如表2.6。表2.6 MAC帧格式字节数：210/20/2/80/20/2/8可变长度2帧控制帧序号目的PAN标识码目的地址源PAN标识码源地址帧有效载荷FCS地址信息MAC头（MHR）MAC有效载荷MAC尾2.4 IEEE802.15.4 MAC层功能描述2.4.1信道访问机制（1）超帧结构PAN中的协调器可选超帧结构来对信道时间进行划分。超帧通过发送的信标帧来标定，并且一个超帧可分为活动区间和非活动区间两部分。协调器只有在活动区间才和PAN交互信息，而在非活动区间则处于低功耗的睡眠模式。在协调器不发送信标的PAN中，除了确认帧和紧跟在数据请求命令确认之后的数据帧外，所以的发送都采用无时隙的CSMA-CA机制来访问信道。在无信标的PAN中也不允许使用GTS。图2.4是超帧结构示意图。 信标 信标CAPCFP SDBI（活动区间）GTS非活动区间图2.4 超帧结构在超帧结构中，竞争周期CAP开始于信标帧结束的时刻，并一直延续到无竞争周期CFP开始前的超帧时隙边界。如果CFP长度为0，则CAP一直到超帧活动区间结束时刻。除了确认帧和紧跟在数据请求命令确认之后的数据帧之外，在CAP内传输所有其他帧都需要采用时隙CSMA-CA机制来访问信道。在CAP内传输数据的设备必须保证其事务（包括接收确认帧）在CAP结束前一个真间隔（IFS）完成，否则该事务就需要推迟到下一个超帧的CAP中处理。MAC命令帧总是在CAP内发送的。无竞争周期（CFP）紧跟CAP并开始于CAP结束后的第一个超帧时隙边界，直到下一个信标的开始。PAN协调分配的任何保证时隙（GTS）都在CFP中占有连续的超帧时隙，因此CFP的长度是随着所有GTS总长度的变化而变化的。CFP内的传输不适用CSMA-CA信道访问机制，在CFP内传输数据的设备应保证当前事务在该分配的GTS结束前一个帧间隔（IFS）完成。（2）帧间隔MAC层需要一定的时间处理来自物理层的数据，所以发送帧之后应预留一段空闲时间，即帧间隔（IFS）。如果发送帧需要确认，则IFS预留在确认帧之后。IFS的长度与发送帧的大小有关。在CAP内采用CSMA-CA算法传输数据时，要考虑帧间隔的这些要求。图2.9是帧间隔的示意图。长帧ACK短帧ACKLIFS SIFS确认传输长帧短帧LIFS SIFS无确认传输图2.5 帧结构2.4.2 PAN的建立和运行机制（1） 信道扫描各种类型设备都应能够对指定的信道列表进行被动扫描和鼓励扫描，FFD则还应支持能量检测（ED）扫描和主动扫描。ED扫描使得FFD能够获知每个请求扫描信道上的峰值能量。根据ED扫描结果，在PAN建立之前一个可能的PAN协调器可以选择一个合适的信道进行通信。在ED扫描期间，MAC层将丢弃物理层数据服务收到的所有帧。通过把扫描请求原语MLME-SCANRequest中的扫描类型参数Scan Tye设为ED扫描，设备就对一组指定的逻辑信道执行ED扫描。主动扫描使得FFD能够查找其POS范围内的协调器。建立新的PAN前，一个可能的PAN协调器能够主动扫描选择合适的PAN标识。另外，设备在关联前也可以用主动扫描来寻找协调器。信标使能PAN中的协调器忽略主动扫描设备的信标请求命令，继续按正常方式发送信标；而非信标使能PAN中的协调器收到信标请求命令时，就采用非时隙CSMA-CA算法发送一个信标帧。被动扫描使得设备（FFD和RFD）能够查找其POS范围内发送信标的协调器。与主动扫描不同的是，被动扫描设备不发送信标请求命令，只是监听信标。设备关联前可以用被动扫描来查找周围的协调器。孤立扫描在设备与协调器失去同步之后，用来重新查找该关联协调器。在孤立扫描期间，MAC层只接收协调器重排命令帧，而丢弃PHY数据服务收到的所有其他帧。一个协调器收到孤立通知命令后，就到设备列表中查找发送命令的设备。如果协调器找到了该孤立设备的记录，就向其发出一个协调器重排命令。（2）PAN标识冲突处理在某些情况下，可能会有两个PAN标识码相同的网络共存于同一个POS范围内。发生这种冲突时，协调器及其设备就要启动PAN标识冲突处理程序。当出现下列情形之一时，PAN协调器就认为发生了PAN标识冲突：1、PAN协调器收到的一个信标帧中的PAN协调器字段等于1，PAN标识等于macPANId；2、PAN协调器收到其网内设备发出的PAN标识冲突通知命令。当出现下列情形时，PAN设备认为发生了PAN标识冲突：设备接收到的信标帧中PAN协调器字段等于1，PAN标识等于macPANId，但地址既不等于macCoordShortAddress也不等于macCoordExtendedAddress。PAN协调器检测到PAN标识冲突后，首先执行主动扫描，根据信道扫描结果选择一个新的PAN标识；然后发出包含PAN新标识的重排命令，该命令帧中源PAN标识字段等于macPANId的属性值。一旦重排命令发送完成，PAN协调器就把macPANId的值更换成新的PAN标识。PAN中一般设备检测到PAN标识冲突后，就向PAN协调器发出PAN标识冲突命令通知。（3）PAN建立建立新的PAN之前，一个FFD通过主动扫描信道选择一个合适的PAN标识，并设置属性macShortAddress为小于0xffff的值。在请求原语MLME-STARTRequest的指示下，FFD开始建立一个PAN。此时该请求原语中PANCoordinator参数为TRUE，FFD的MAC层接收到请求原语后，把phyCurrentChannel属性值设置为原语中的逻辑信道，把macPANId属性值设置为原语中的PAN标识。完成这些操作后，MAC层就通过证实原语MLME-STARTConfirm向其上层报告建立PAN的结果，此后该FFD就以一个PAN协调器的身份开始工作。2.4.3 关联和解关联（1）关联在执行MAC层复位再进行主动信道扫描或者被动信道扫描后，设备就尝试关联操作。信道扫描的结果用以选择一个合适的PAN。为了优化信标使能PAN中的关联过程，设备可以事先跟踪意图关联协调器的信标。通过关联请求原语MLME-ASSOCIATErequest的指令执行关联操作的设备会尝试关联到一个现存的PAN中，而不会试图建立自己的PAN。一个尚未关联的设备关联过程首先向一个现存PAN中的协调器发出关联请求命令，如果协调器正确接收到了关联请求命令就反馈一个确认帧。协调器发出的关联请求确认并不表示设备已经关联，协调器需要时间判决PAN当前的资源能否允许一个设备的关联，并且在aResponseWaitTime个符号周期内做出决定。关联相应命令以间接传输的方式发送给请求关联的设备，即把关联相应命令帧添加在协调器的待处理事务列表中，由设备来探取和获取。如果关联请求命令中功能信息字段的分配地址位是1，则协调器根据下表所列的取值范围分配给设备一个16位的短地址；如果分配地址位是0，则协调器分配给请求关联设备的短地址是0xfffe，表示设备关联成功但是没有分配有效的短地址，设备在网络中的通信只能使用64位扩展地址。如果设备跟踪信标，则一旦信标帧中指示协调器发出了关联相应命令，设备就可以随时提取；如果设备没有跟踪信标，则设备在aResponseWaitTime个符号周期后尝试提取关联相应命令。收到关联相应命令后，请求关联设备反馈一个确认帧。如果关联相应命令的关联状态指示关联成功，则设备保存关联协调器的地址信息，并保持协调器给自己分配的地址。（2）解关联当协调器想要一个关联着的设备离开PAN时，就以间接传输方式向该设备发送解关联通知命令，即把解关联通知命令添加在协调器的待处理事务列表中，等待设备来提取。如果设备向协调器请求并真确接收到了解关联通知命令，就向协调器发出确认帧。即便协调器没有收到解关联通知命令的确认，它也解关联该设备。当一个关联设备想离开PAN时，就向它的协调器发出解关联通知命令。协调器正确接收到设备的解关联通知命令后，反馈一个确认帧，即使没有收到确认帧，设备也认为自身解关联。2.4.4 PAN同步机制同步问题主要涉及的是协调器产生信标帧的过程和设备与协调器保持同步的过程。在支持信标的PAN中，同步通过接收和解析信标帧来实现；在不支持信标的PAN中，同步通过向协调器轮询数据来实现。（1）支持信标的PAN同步支持信标的PAN中的设备，为了检测待收数据或跟踪信标，应能够捕获信标同步。设备捕获信标的过程通过同步请求原语MLME-SYNCrequest来启动。如果MLME-SYNCRequest原语的参数设定为跟踪信标，则设备将尝试捕获信标并通过有规律的启动接收机来跟踪信标。如果原语参数设定为不跟踪信标，则设备将只作一次捕获信标的尝试或在下一个信标之后停止跟踪。如果接收到一个信标帧，设备需要判断该信标是否来自其关联的协调器，如果信标帧头部分的源地址和源PAN标识字段的内容与协调器的源地址和设备的PAN标识 ，则MLME丢弃该信标帧。如果启动了信标跟踪，MLME每次在下一个