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【干货】IEEE802.15.4协议—帧类型和数据传输模型

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又到了一周一期的“本周看点”啦,上周小亿跟大家分享了IEEE802.15.4协议的框架和特点,这周分享一些关于该协议的帧类型和数据传输模型,下周分享PHY层物理特性和帧结构,记得持续关注哦!

1.  数据传输模型


存在三种类型的数据传输方式。第一个,设备发送数据给协调器,第二个,协调器发送数据给设备,第三个,对等设备之间的数据传输(比如ZigBee网络中的路由之间的数据传输)。


1.1  设备发送数据给协调器


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当设备把数据发送给支持信标的协调器时,它首先需要监听网络信标帧,当找到信标帧时设备与超帧结构同步,在适当的时间设发送数据给协调器。协调器接收到数据后向设备回复一个ACK表示已经成功收到,具体流程如上图所示。

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当设备把数据发送给不支持信标的协调器时,只需要把数据发送给协调器,协调器收到数据时给设备回复一个ACK表示成功接收,具体流程如上图所示。


1.2  协调器发送数据给设备


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在启用信标的网络中当协调器希望把数据发送给设备时,首先,协调器在网络信标中指示数据消息已经挂起。其次,设备定期监听网络信标,如果有消息等待,就发送MAC请求数据帧。其次,当协调器收到设备发送的MAC请求数据帧时,回复ACK帧给设备确认数据请求的成功接收。然后,协调器把准备好的数据发送给设备,设备收到后回复一帧ACK。具体流程如上图。



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在不启用信标的网络中当协调器希望将数据传输到设备时,首先,协调器把准备发送给设备的数据暂时存储以便设备发送数据请求帧来请求数据。其次,当协调器接收到设备发送的数据请求帧时,协调器先回复一个ACK给设备表示收到数据请求。然后,协调器把数据发送给设备。最后,设备接收到数据时给协调器回复一个ACK表示接收到数据。具体流程如上图所示。


1.3  对等设备之间的数据传输


在对等网络中,每一个设备都可以和它无线电范围内其他设备进行通信,为了实现这一点需要网络中的设备保持同步,比如在ZigBee网络中路由设备会周期性的广播路由信息来同步。

2.  帧结构介绍


设计帧结构主要考虑两方面,其一是使帧结构尽可能简单,其二是保证在具有噪声的信道中传输时保持健壮性。每一层的协议都会在这个结构上添加本层相关的头部和尾部。IEEE802.15.4标准定义了4种帧结构:

— A beacon frame(信标帧), 用于协调器发送信标帧

— A data frame(数据帧), 用于发送数据

— An acknowledgment frame(ACK帧),用于确认接收成功

— A MAC command frame(命令帧), 用于处理所有MAC对等实体控制传输


2.1  Beacon frame(信标帧)


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上图显示了信标帧的结构,它起源于MAC子层内部。协调器可以在启用了信标的PAN中传输网络信标。帧头(MHR)包含帧控制域、帧序列号、地址域、附加安全头部。MAC有效负载包含超帧规范、GTS字段、挂起地址字段、信标有效负载。帧尾(MFR)包含一个16位帧校验序列(FCS)。MHR,MAC Payload和MFR一起形成MAC信标帧(MPDU)。然后将MAC信标帧作为PHY服务数据单元(PSDU)传递给PHY layer(物理层)的PHY负载。


2.2  Date frame(数据帧)


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数据有效载荷被传递到MAC子层,被称为MAC服务数据单元(MSDU)。MAC有效负载以MHR为前缀并附加MFR。MHR包含帧控制域,帧序列号,地址域,附加安全头部。MFR包含16位的FCS效验MHRMACPayload和MFR一起构成了MAC数据帧(MPDU)。MPDU作为PSDU被传递到PHY成为PHY的有效载荷。


2.3  Acknowledgment frame(ACK帧)



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上图显示了ACK确认帧的结构,它起源于MAC子层内部。ACK确认帧由帧头(MHR)和帧尾(MFR)组成,它没有MAC有效负载。MHR包含帧控制域、帧序列号。MFR包含16位的FCS效验。MHR和MFR一起构成MAC ACK确认帧(MPDU)。MPDU作为PSDU被传递到PHY,它成为PHY有效载荷。


2.4  MAC command frame(命令帧)


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上图显示了MAC命令帧的结构,它起源于MAC子层内部。MAC Payload包含命令类型和命令有效载荷两部分。MAC有效负载以MHR为前缀并附加MFR。MHR包含帧控制域、帧序列号、地址域、附加安全头。MFR包含一个16位的FCS效验。MHR、MACPayload和MFR一起构成了MAC命令帧(MPDU)。MPDU作为PSDU被传递到PHY成为PHY的有效载荷。

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