IEEE 802.15.4 MAC协议

1、IEEE 802.15.4 MAC协议一、概述1998年3月,IEEE标准化协会正式批准了IEEE 802.15工作组,该工作组的目标是为个人操作空间内相互通信的无线通信设备提供通信标准.IEEE 802.15.4 标准的目标: 低能量消耗, 低速率传输, 低成本。IEEE 802.15.4 标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：（1）在不同的载波频率下实现了20kpbs, 40kbps, 250kbps等三种不同的传输速率。（2）支持星型和点对点的网络拓扑结构。（3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球唯一的扩展地址。（4）支持CSMA-CA技术（冲突避免的载波多路侦听技术

2、）。（5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。二、IEEE 802.15.4 网络IEEE 802.15.4 网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4 标准相互通信的一组设备的集合，称为LR-WPAN网络。两个设备类型：FFD/RFD全功能设备（FFD），具有全部的通信能力。精简功能设备（RFD），具有部分的通信能力。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信，RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过以一个FFD设备向外传输数据。这个与RFD相关联的FFD设备成为该RFD的协调器。三个设备角色：l 协调器（FFD设备）l 路由器（

3、FFD设备）l 端设备（RFD/FFD都可以）在IEEE 802.15.4 网络中，有一个称为PAN网络协调器的FFD设备，是LR-WPAN网络中的主控制器。PAN网络协调器除了直接参与应用外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。（RFD协调器和网络协调器存在功能的区别）IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可组织成星型网络，也可以实现点对点网络。在星型结构中，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。星型网络适合家庭自动化、个人计算的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。点对点网络也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息、认证设备身份等功能。点对点网络模式可以

4、支持AD HOC网络，允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。PAN网络的形成是非常复杂的过程，需要明确的算法确定。三、IEEE 802.15.4 网络协议栈IEEE 802.15.4 标准定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。IEEE 802.15.4 协议层次图如下： 上层协议IEEE 802.2 LLC SSCS MAC PHY特定服务的聚合子层（SSCS），链路控制子层等只是IEEE 802.15.4标准可能的上层协议，并不在IEEE 802.15.4标准的定义范围之内。SSCS为IEEE 802.15.4 的MAC层提供接入IEEE 802.2 标准中定义的LLC子层提供聚合服务。

5、LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE 802.15.4 网络，为应用层提供链接层服务。物理层定义了物理无线通道和MAC子层之间的接口，提供物理数据服务和物理管理服务。物理层数据服务包括以下五方面的功能：l 激活和休眠射频收发器l 信道能量检测l 检测接收数据包的链路质量指示（LQI）l 空闲信道评估l 收发数据PHY层定义了三个载波频段用于收发数据，具体如下：频率MHZ 调制方式 传输速率868 BPSK 20KBPS915 BPSK 40KBPS2450 Q-QPSK 250KBPSIEEE 802.15.4物理层数据帧结构如下：l 4字节： 前导码（preamble）l 1字节

6、： 帧起始分割符（start-of-frame delimiter, SFD）l 7位： 帧长度（7/8）l 1位： 保留（1/8）l 可变长度：物理服务数据单元（PSDU），一般承载MAC帧。注意：因为帧长度为7位字节，因此PSDU的最大数为127字节。MAC子层主要功能包括如下六个方面：l 协调器产生并发送信标帧（beacon）, 普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步。l 支持PAN网络的关联（association）和取消关联（disassociation）的操作。l 支持无线信道通信安全l 使用CSMA-CA机制访问信道l 支持时槽保证（guaranteed time slot, G

7、TS）机制。l 支持不同设备的MAC层间可靠传输IEEE 802.15.4中的时间同步通过超帧（superframe）机制实现。LR-PAN中存在三种数据传输方式：设备发送数据给协调器，协调器发送数据给设备，对等设备之间的数据传输。在LR-WPAN中，存在两种通信方式可以选择：信标使能模式(beacon-enabled)，信标不使能模式（non beacon-enabled）。MAC帧结构的设计目标是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。其帧结构如下：l 帧头（MHR）：帧控制信息：2字节帧序列号：1字节地址信息： 目的设备PAN ID 目的地址 源设备PAN ID 源设备地址

8、l 负载：可变长度l 帧尾（MFR）：2字节（16位CRC）在MAC子层中设备地址有2种格式：16位的短地址、64位的扩展地址。16位短地址是设备与PAN网络协调器关联时，由协调器分配的网内局部地址。64位扩展地址是全球唯一地址，在设备进入网络之前就分配好了。16位短地址只能保证在PAN网络内部是唯一的，所有16位短地址通信时必须结合16位的PAN网络标识符才有意义。IEEE 802.15.4 网络定义了四种类型的帧结构：l 信标帧l 数据帧l 确认帧l MAC命令帧MAC命令帧用于组建PAN网络, 传输数据同步等. 目前定义好的命令帧包括九种类型, 主要完成三方面的功能: 把设备关联到PAN网络; 与协调器交换数据;分配GTS. 详细信息参见: IEEE 802.15.4 标准。附录: 名词解释 l POS: 个人操作空间l SSCS