IEEE 802.15.4协议的超帧详解

1.1.1超帧结构

低速无线个域网允许可选择性的使用超帧（superframe）结构。超帧的格式由协调器决定。在使用超帧结构的模式下，协调器会根据设置周期性的发送信标帧（beacon），而超帧正是由网络中的信标帧划分的，中间的区域称为竞争接入期（CAP，contentionaccess period），如图1.1所示。如果协调器不需要使用超帧结构，它可以停止发送信标帧。信标帧可以用来识别个域网，同步个域网中的设备，描述超帧结构等。

图1.1 不包含GTSs的超帧结构

针对网络负荷较低的情况或要求特定传输带宽的情况，协调器可以从超帧中划分出一部分时间，专门为这样的传输请求服务。被划分出的时间称为保证时隙（GTSs．Guaranteed time slots）。一个超帧中保证时隙的集合称为非竞争接入（CFP，contention-free period），它往往紧跟在竞争接入期的后面，如图1.2所示。保证时隙传输模式也是可选的，由普通设备向个域网协调器申请，协调器会根据当前的资源状况给予答复，并通过信标帧将下一个超帧的结构广播到网络中。竞争接入期中的数据传输必须在非竞争接入期开始之前结束：同样，非竞争接入期中每个保证时隙里的数据传输也要在下一个保证时隙开始之前或非竞争接入期的终点之前结束。

图1.2 包含GTSs的超帧结构

超帧往往被分为活跃期（active）和非活跃期（inactive）。在活跃期，协调器负责组织维持该网络，个域网中的各设备间可以进行数据通信；而在非活跃期中，个域网协调器和普通设备可以进入低功耗模式，个域网中各设备不进行数据传输。一个完整的超帧结构如图1.3所示。

图1.3 完整的超帧结构

描述超帧结构的量为BO（Beacon Order）和SO（Superframe Order）。其中，BO决定发送信标帧的周期，也即一个超帧的长度BI（beacon interval），见（1.1）；SO决定一个超帧中活跃期持续的时间，即SD（superframe duration），见（1.2）。其中，aBaseSuperframeDuration为960 symbols。根据协议的规定，BO的取值范围为0到14，当BO为15时，表示不使用超帧结构；SO的取之范围也是0到14，但必须保证SO不大于BO，当SO等于BO时，表示该超帧中不包含非活跃期。

1.1.2 MAC层帧结构和帧分类

IEEE 802．15．4 MAC层帧结构的设计是以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为目标的。每个MAC子层的帧都包含帧头、负载和帧尾三部分。帧头部分由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。MAC子层的负载部分长度可变，负载的具体内容由帧类型决定。帧尾部分是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。

在MAC子层中设备地址有两种格式：16位（两个字节）的短地址和64位（8个字节）的扩展地址。16位短地址是设备与个域网协调器关联时，由协调器分配的个域网内局部地址；64位扩展地址则是全球唯一地址，在设备进入网络之前就分配好了。16位短地址只能保证在个域网内部是唯一的，所以在使用16位短地址通信时需要结合16位的个域网网络标识符才有意义。两种地址类型地址信息的长度是不同的，所以MAC帧头的长度也是可变的。一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制字段标识。

IEEE 802．15．4协议共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧。

图1.4 信标帧格式