6.1.2　IEEE 802.15.4協(xié)議棧

IEEE 802.15.4協(xié)議棧是根據(jù)開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）參考模型制定的，其中定義了兩個層：物理層和MAC層，物理層是由射頻收發(fā)器和底層控制模塊組成的，MAC層為高層訪問提供了訪問物理信道的服務接口，IEEE 802.15.4協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖6.3所示。

1. 物理層規(guī)范

在OSI參考模型中，物理層是模型的最底層，是保障信號傳輸?shù)墓δ軐樱琁EEE 802.15.4的物理層與OSI模型類似，主要負責信號的發(fā)送與接收，提供無線物理信道和MAC層之間的接口等，它為鏈路層提供的服務包括物理連接的建立、維持與釋放，物理服務數(shù)據(jù)單元的傳輸，物理層管理和數(shù)據(jù)編碼。

1）信道分配及調(diào)制方式

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理層定義了三個載波頻段用于收發(fā)數(shù)據(jù)，這三個頻段被稱為工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）頻段，即2 400 MHz、868 MHz、915 MHz頻段，在這三個頻段上采用的發(fā)送數(shù)據(jù)的速率、信號處理過程以及調(diào)制方式上面都有一定的協(xié)議，如表6.1所示。

其中，在2 450 MHz頻段上定義了16個信道，在915 MHz頻段上定義了30個信道，在868 MHz頻段上定義了3個信道，根據(jù)信道的編號我們可以很容易地計算出各個物理信道的中心頻率。

2）物理層幀結(jié)構(gòu)

物理層的數(shù)據(jù)幀也可以稱為物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU），每個PPDU幀由同步頭、物理幀頭和PHY負載組成，如圖6.4所示。同步頭包括1個前導碼和1個幀起始分隔符（Start of Frame Delimiter，SFD），前導碼由4個全0的字節(jié)組成，收發(fā)器在接收前導碼期間會根據(jù)前導碼序列的特征完成片同步和符號同步；幀起始分隔符字段長度為1字節(jié)，它的值固定為0xA7，表明前導碼已經(jīng)完成了同步，開始接收數(shù)據(jù)幀。物理幀頭中低7位用來表示幀長度，高位是保留位。物理幀的負載長度可變，它又稱為物理服務數(shù)據(jù)單元（PHY Service Data Unit，PSDU）負載，一般用來承載MAC幀。

3）物理層功能的實現(xiàn)

所有的物理層服務均是通過物理層服務訪問接口實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)服務是通過物理層數(shù)據(jù)訪問接口（PD-SAP）實現(xiàn)的，管理服務則是通過物理層管理實體訪問接口（PLME-SAP）實現(xiàn)的，每個接口都提供了相關(guān)的訪問原語。

（1）數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。通過PD-SAP提供的PD-data原語可以實現(xiàn)兩個MAC層的MPDU（MAC Protocol Data Unit）傳輸。IEEE 802.15.4特意定義了三個與傳輸數(shù)據(jù)有關(guān)的原語：數(shù)據(jù)請求原語（PD-DATA.request）、數(shù)據(jù)確認原語（PD-DATA.confirm）和數(shù)據(jù)指示原語（PD-DATA.indication）。

數(shù)據(jù)請求原語主要用于處理MAC層的數(shù)據(jù)發(fā)送請求，參數(shù)為待發(fā)送數(shù)據(jù)報文長度以及待發(fā)送報文，由MAC層產(chǎn)生，物理層在接收到該原語時，首先確認底層的射頻收發(fā)器已置于發(fā)送打開狀態(tài)，然后控制底層射頻硬件把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果物理層在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)底層的射頻收發(fā)器處于接收狀態(tài)（RX-ON）或者未打開狀態(tài)（TRX-OFF），則將通過數(shù)據(jù)確認原語告知上層，其中原語的參數(shù)為失效的原因；否則視為發(fā)送成功（SUCCESS），同樣通過確認原語報告給上層。

數(shù)據(jù)指示原語主要用于向MAC層報告接收的數(shù)據(jù)。在物理層成功接收到一個數(shù)據(jù)報文后，將產(chǎn)生該原語并通告MAC層，其中參數(shù)為接收到的報文長度、具體的報文（PSDU）和LQI。LQI與數(shù)據(jù)無關(guān)，是物理層在接收當前數(shù)據(jù)報文時鏈路質(zhì)量的一個量化值，上層可以借助這個參數(shù)進行路由的選擇。

（2）物理信道的能量監(jiān)測（Energy Detection，ED）。在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)形成時，先是一個FFD把自己設(shè)置為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在構(gòu)建一個新的網(wǎng)絡(luò)時，需要負責掃描所有的信道（在MAC層稱為ED-SCAN），然后為自己的網(wǎng)絡(luò)選擇一個新的空閑信道。這個過程在底層是借助物理信道的能量監(jiān)測來完成的。如果一個信道被別的網(wǎng)絡(luò)占用，則體現(xiàn)在信道能量上的值是不一樣的。標準定義了與之相關(guān)的兩個原語：能量檢測請求原語（PLME-ED.request）和能量檢測確認原語（PLME-ED.confirm）。

能量檢測請求原語由MAC層產(chǎn)生，為一個無參數(shù)的原語。物理層在接收到該原語后，將產(chǎn)生能量檢測確認原語，把當前信道的狀態(tài)和當前信道的能量值返回給MAC層。在具體的實現(xiàn)中，一般射頻芯片會使用特定寄存器存放當前的信道狀態(tài)信道的能量值。

（3）射頻收發(fā)器的激活和關(guān)閉。出于對低功耗等要求的考慮，在高層無數(shù)據(jù)收發(fā)時，可以選擇關(guān)閉底層射頻收發(fā)器。標準定義了與之相關(guān)的兩個原語：收發(fā)器狀態(tài)設(shè)置請求原語（PLME-SET0TRX-STATE.request）和收發(fā)器狀態(tài)設(shè)置確認原語（PLME-SET-TRX0STATE. confirm）。

收發(fā)器狀態(tài)設(shè)置請求原語由MAC層產(chǎn)生，參數(shù)為需要設(shè)置的目標狀態(tài)，包括射頻接收打開、發(fā)送打開、收發(fā)關(guān)閉和強行收發(fā)關(guān)閉。物理層在接收到該原語后，將射頻設(shè)置為對應的狀態(tài)，并通過設(shè)置確認原語返回操作的結(jié)果。如果請求原語要求的狀態(tài)與當前的射頻狀態(tài)不沖突，設(shè)備將通過設(shè)置確認原語返回操作成功。當收發(fā)器正在發(fā)送數(shù)據(jù)，要求設(shè)置為接收狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)時，設(shè)置確認原語將返回發(fā)送忙（BUSY-TX）。同樣地，如果收發(fā)器正在接收數(shù)據(jù)，卻被要求設(shè)置成發(fā)送狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)，設(shè)置確認原語將返回接收忙（BUSY-RX）。如果收發(fā)器要求設(shè)置的狀態(tài)與當前狀態(tài)一致，設(shè)置確認原語將直接返回該狀態(tài)。如果設(shè)置原語要求的是強行關(guān)閉狀態(tài)，則不考慮當前的射頻收發(fā)狀態(tài)，直接強制關(guān)閉射頻收發(fā)器。

（4）空閑信道評估（Clear Channel Assessment，CCA）。由于IEEE 802.15.4標準的MAC層采用的是CSMA-CA機制訪問信道，需要探測當前的物理信道是否空閑，物理層提供的CCA監(jiān)測功能就是專門為此定義的。標準專門定義了兩個與之相關(guān)的原語：CCA請求原語（PLME-CCA.request）與CCA確認原語（PLME-CCA.confirm）。

CCA請求原語由MAC層產(chǎn)生，用于向物理層詢問當前的信道狀況，物理層在收到該原語后，如果當前的射頻收發(fā)狀態(tài)設(shè)置為接收狀態(tài)，將進行CCA操作（讀取物理芯片中相關(guān)的狀態(tài)寄存器），然后通過CCA確認原語返回信道空閑（IDLE）或信道繁忙（BUSY）狀態(tài)。如果當前射頻收發(fā)器處于關(guān)閉狀態(tài)或者發(fā)送狀態(tài)，CCA確認原語將對應返回TRX=OFF或TRX-OFF。

（5）鏈路質(zhì)量指示（LQI）。高層的協(xié)議往往需要依據(jù)底層的鏈路質(zhì)量來選擇路由，物理層在接收一個報文時可以順帶返回當前的LQI值。物理層主要通過底層的射頻硬件支持來獲取LQI。

（6）物理層屬性參數(shù)的獲取與設(shè)置。在協(xié)議棧里面，每一層協(xié)議都維護著一個信息庫（PAN Information Base，PIB）用于管理該層，里面具體存放著與該層相關(guān)的一些屬性參數(shù)，如最大報文長度等。在高層可以通過原語獲取或修改下一層信息庫里面的屬性參數(shù)。IEEE 802.15.4物理層同樣維護著這樣一個信息庫，并提供了4個相關(guān)的原語：屬性參數(shù)獲取請求原語（PLME-GET.request）、屬性參數(shù)獲取確認原語（PLME-GET.confirm）、屬性參數(shù)設(shè)置請求原語（PLME-SET.request）和屬性參數(shù)設(shè)置確認原語（PLME-SET.confirm）。

2. MAC層規(guī)范

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，存在一個競爭使用問題，因此，和OSI模型不同的是，IEEE 802.15.4標準將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個子層，即邏輯鏈路子層（LLC）和介質(zhì)控制訪問子層（MAC），MAC層主要負責解決共享信道問題。

IEEE 802.15.4標準規(guī)定MAC層實現(xiàn)的功能有：

? 采用CSMA/CA機制來解決信道沖撞問題；

? 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，用于協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)；

? 支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作；

? 支持時隙保障（CTS）機制；

? 支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸。

IEEE 802.15.4標準根據(jù)網(wǎng)絡(luò)配置的不同提供了兩種信道訪問機制：在無信標使能的網(wǎng)絡(luò)中采用無時隙的CSMA/CA機制，在信標使能的網(wǎng)絡(luò)中采用帶時隙的CSMA/CA機制。

1）信道的時段分配

在開始講解信道的時段分配之前，我們首先來認識一個概念—超幀。超幀是一種用來組織網(wǎng)絡(luò)通信時間分配的邏輯結(jié)構(gòu)，它將通信時間劃分為活躍和不活躍兩個時段，如圖6.5所示。在不活躍期間，PAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備不會相互通信，從而進入睡眠狀態(tài)來節(jié)省能量。網(wǎng)絡(luò)的通信在活躍期間進行，活躍期間又可以分為三個階段，即信標幀發(fā)送時段、競爭訪問時段（CAP）和非競爭訪問時段（CFP），總共16個等長的時隙，每個時隙的長度、競爭訪問時段包含的時隙數(shù)等參數(shù)都由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來控制設(shè)定，并通過信標幀廣播到整個網(wǎng)絡(luò)。

在競爭訪問時段，設(shè)備通過CSMA/CA機制與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。非競爭訪問時段又可分為幾個GTS，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在這個時段內(nèi)只能與指定的設(shè)備進行通信。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在每個超幀時段最多可以分配7個GTS，1個GTS可以占有多個時隙。

在協(xié)議實現(xiàn)時，設(shè)置合適的參數(shù)可以使每個設(shè)備的活躍時段只占超幀周期很短的一部分，設(shè)備大部分時間可以處于睡眠狀態(tài)，還可以為低能耗應用提供支持。此外，協(xié)議還可以通過超幀方式實現(xiàn)多簇網(wǎng)絡(luò)，每個簇在自己的活躍時段內(nèi)傳送數(shù)據(jù)，將各個簇的活躍時段完全錯開，每個設(shè)備在活躍時段內(nèi)與自己的簇頭（協(xié)調(diào)器）通信，以此實現(xiàn)創(chuàng)建信道無沖突的訪問。不過這種方式需要整個網(wǎng)絡(luò)保持精確的時鐘同步，并且中間協(xié)調(diào)器要維護本簇內(nèi)的信標同步，又要與其父節(jié)點實現(xiàn)信標同步。

2）CSMA/CA算法

在CAP內(nèi)，各個設(shè)備采用CSMA/CA機制競爭訪問信道，在設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間傳送數(shù)據(jù)幀或命令幀（不包含信標幀與應答幀）。CSMA/CA機制的時間計算以回退周期（Backoff Period）為單位，可以理解為將整個CAP離散地劃分成多個回退周期，然后CSMA/CA里面的所有時間長度都以多少個回退周期來度量。特別地，在基于時隙的CSMA/CA機制里，回退周期必須與超幀邊界保持對齊，對于非時隙的CSMA/CA沒有這個限制。

CSMA/CA算法的流程如圖6.6所示，每個采用CSMA/CA算法的設(shè)備需要維護三個變量：NB、CW和BE。NB記錄在當前幀傳輸時已經(jīng)回退的次數(shù)，初始值設(shè)置為0，每回退一次值增加1。CW記錄競爭窗口的尺寸，即監(jiān)測到信道空閑后還需等待多長時間才能真正開始發(fā)送數(shù)據(jù)，初始值為2，這個變量僅用在基于時隙的CSMA-CA中，在非時隙的CSMA/CA中監(jiān)測到信道空閑后將立即發(fā)送。BE是一個回退指數(shù)，指在沖突后再次開始監(jiān)測信道需要等待的時間（2BE?1），BE的初始值為一個常數(shù)，不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的BE值不同。在信道訪問期間，由于CCA監(jiān)測要求將射頻收發(fā)器置為接收狀態(tài)，這時將直接忽略接收到的數(shù)據(jù)。

按要求初始化上述參數(shù)后，對于基于時隙的CSMA/CA算法，需要首先定位到回退時間的邊界，然后等待指定的時間，開始CCA信道探測，直到信道為空閑狀態(tài)后，再等CW個回退周期長度，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。考慮到CAP與CFP的邊界，發(fā)送程序必須確保當前的數(shù)據(jù)可以在CAP內(nèi)完成，才會進行發(fā)送，否則將保存到下一個超幀中發(fā)送。非時隙的CSMA/CA機制算法更簡單，沒有競爭窗口的概念，也不用定位到回退時間的邊界，監(jiān)測到空閑信道后就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送過程中，如果多次探測信道的結(jié)果都為忙（NB大于某個設(shè)定的值），則需要向上層報告發(fā)送失敗，由上層處理。

為減少沖突以提高整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，在兩種特殊情況時不采用CSMA/CA進行數(shù)據(jù)的發(fā)送：一種是應答幀，另外一種就是緊接在數(shù)據(jù)請求幀之后的數(shù)據(jù)幀，它們可以直接發(fā)送。

3）數(shù)據(jù)傳輸模型

LR WPAN中存在三種數(shù)據(jù)傳輸方式，即設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備、對等設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。星狀拓撲網(wǎng)絡(luò)中只存在前兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，因為只在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)；而在點到點拓撲網(wǎng)絡(luò)中，三種數(shù)據(jù)傳輸方式都存在。同時標準還提供兩種可以選擇的通信方式，即信標使能通信（Beacon-Enabled）和無信標使能通信（Nonbeacon-Enabled）。

在信標使能的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)建好后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器周期性廣播信標幀以標示超幀的開始。在這種方式下，如果設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，則設(shè)備在收到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器廣播的信標幀后將進行網(wǎng)絡(luò)同步，定位各時隙，然后采用基于時隙的CSMA-CA信道訪問機制在競爭訪問時段內(nèi)進行信道競爭訪問，最后完成數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)備依據(jù)上層的要求，在傳輸?shù)膸性O(shè)置是否需要應答，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器據(jù)此發(fā)送應答幀。如果網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要傳輸數(shù)據(jù)給目標設(shè)備，則網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在信標幀中攜帶目標設(shè)備相關(guān)信息；目標設(shè)備在收到信標幀后，采用基于時隙的CSMA/CA機制發(fā)送MAC層數(shù)據(jù)請求命令幀。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先按要求決定是否發(fā)送應答幀，然后也采用基于時隙的CSMA/CA機制把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。在得到確認后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器從自己的發(fā)送緩存中刪除對應的數(shù)據(jù)；若未收到確認，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器重發(fā)數(shù)據(jù)。在信標使能的網(wǎng)絡(luò)中，如果存在應答確認幀，則其一般直接跟在對應幀后傳輸給源設(shè)備，不采用信道競爭訪問，因為應答幀長一般比較短。

在無信標使能的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器不發(fā)送信標幀，各個設(shè)備采用無時隙的CSMA/CA機制訪問信道，完成信息的傳輸。在這種方式下，如果設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，設(shè)備將直接采用非時隙的CSMA/CA機制將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同樣依據(jù)數(shù)據(jù)幀中的應答域來決定是否發(fā)送應答幀。如果網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要傳輸數(shù)據(jù)給目標設(shè)備，由于沒有信標幀，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器只能為目標設(shè)備保存好數(shù)據(jù)，然后被動地等待目標設(shè)備的數(shù)據(jù)請求命令幀。目標設(shè)備可能會根據(jù)應用層的要求周期性地詢問網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過回應一個確認幀表示是否有數(shù)據(jù)存在，如果有，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器同樣采用無時隙的CSMA/CA機制發(fā)送數(shù)據(jù)給目標設(shè)備。在無信標使能的網(wǎng)絡(luò)中，如果存在應答幀，也直接跟在對應幀后傳輸給源設(shè)備，而不采用信道競爭訪問機制。

在點到點的IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備均可以與其無線輻射范圍內(nèi)的設(shè)備進行通信。為了保證通信的有效性，這些設(shè)備需要持續(xù)保持接收狀態(tài)或?qū)崿F(xiàn)嚴格的同步。

3. MAC層的幀格式

MAC層幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計目標就是在保持低復雜度的前提下，實現(xiàn)多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。MAC幀格式如圖6.7所示。

每個MAC層的幀包括三部分：幀頭、負載和幀尾。幀頭由幀控制信息、幀序列號和地址信息組成。負載長度大小可變，具體內(nèi)容由幀類型決定。幀尾是一個16位的FCS校驗碼。