IEEE 802.15.4的信道接入机制基础、信标和非信标帧网络
一. 信道接入基础
1.概述
如果只是一个设备向另一个设备发送数据时，此时设备可以独占所有信道资源。
但是当多个设备使用单一信道进行通信时，就会发生冲突。
信道接入的主要目的就是解决多个设备访问单一信道时信道竞争。
信道接入是MAC层的核心功能。
2. 信道接入的分类：
2.1 固定信道接入技术：
每个设备的通信都占用确定的信道资源，即使信道资源是动态分配的，在某个时刻设备占据的资源是固定的。
包括FDMA、TDMA、SDMA、CDMA。
- 频分多址接入FDMA:
让不同设备使用不同频率进行通信，这样由于设备对自身工作频率之外的信号进行滤波，
可以把其他不相关的信号去掉，同时通信不会发生冲突。
- 时分多址接入TDMA技术:
让不同设备在不同时间进行通信，如每100ms分成10个时隙，分别给10个设备进行通信，
从宏观上看，仿佛各个设备是同时进行通信。 - 其他固定信道接入方式请参见相关资料。
2.2 随机信道接入技术：
设备通信并不占据固定的资源，为了安排不同设备之间对资源的使用，通常通过“竞争”的过程来完成。
所有的随机信道接入技术都需解决信道冲突的问题。
随机接入中需要解决的几个问题：
a).节点设备什么时间能访问介质？
b).如果介质处于忙的状态，节点应该怎么做？
c). 各个节点设备如何确定数据传输是否已经成功？
d). 如果一旦发生了冲突，应该怎么解决？
随机信道接入分为：
- pure ALOHA和S-ALOHA
在ALOHA中，在帧发送过程中，利用应答来判断是否发生了通信冲突。如果应答失败，就认为产生了冲突，则随机延时一段时间再次发送。 - CSMA(1坚持、p坚持、非坚持)
在1坚持-CSMA中，发送数据前，发送设备会检查信道是否空闲，如果空闲，则发送帧。否则，如果忙，则坚持监听，直到空闲为止。
在非坚持-CSMA中，发送数据前，发送设备会检查信道是否空闲，如果空闲，则发送帧。否则随机等待一段时间，然后再次检查信道是否空闲。如此重复。
在p坚持-CSMA中，监听到信道忙时仍然坚持听下去，直到空闲为止。当听到信道空闲时，以概率p发送数据。(p=1时，即为1坚持） - CSMA-CD
CSMA-CD中的CSMA使用上面的1坚持-CSMA。直到信道空闲，发送数据的同时，站点继续监听网络通信中有没有其他站点在同时传输数据。
如果有，则会检测到冲突。冲突后，所有站点都会停止传输，然后各自等待一个随机产生的退避时间(backoff)后重发。 - CSMA-CA
CSMA-CA在802.11中被完整使用。它主要是为了解决“隐藏终端”和“暴露终端“问题。
发送站点会在发送数据前发送一个短的控制帧RTS(Request To Send)，目的站点收到RTS请求后会返回一个相应控制帧CTS(Clear To Send)，发送站点收到CTS响应后就可以发送其数据。 - RTS和CTS又叫握手信号。
CSMA-CA的避让策略是在发送前进行的，当节点发送RTS时，先在初始退避窗口内随机退避一段时间，退避计数器为0时则侦听信道。
如果信道空闲，则发送数据。否则将退避窗口加大继续随机退避，每次失败后的退避窗口将按照2的指数级增加，经过多次的尝试，直到数据发送出去。
注意：IEEE 802.15.4没有普遍支持“请求到应答/空闲到发送”（RTS/CTS）握手机制。
二. 信标网络和非信标网络：
1.信标网络
周期性地发送信标帧的网络，称为信标网络。
信标网络中采用超帧结构，时隙(TS)以及时隙保障机制(GTS)，来管理数据的传输。
而超帧结构和时隙保障机制是通过信标帧来定义和管理的。
超帧结构可以看做基于时间片的内存结构体，此时间片的基本单位（周期）称为时隙(Time Slot)，
而
时隙的持续周期及其构成划分都是由信标帧来定义解释。
超帧结构分活跃期和非活跃期，活跃期又分为CAP和CFP。所有的传输都是在活跃期完成的。
非活跃期可用来设备休眠，在以电池为电源的设备中节省能耗。
在活跃期中，CAP是竞争的信道接入，而CFP是非竞争的信道接入。
因为信道竞争，所以在超帧结构的CAP期使用基于时隙的CSMA-CA机制来进行信道接入。
而CFP是非竞争的时分复用，所以在超帧结构的CFP期使用TDMA机制来进行信道接入。
GTS时隙保证机制是实现时分复用的基本管理单元，它包含在信标帧中，用来管理CFP中时分时隙的划分和设备占用分配。
总的来说，在信标网络中，采样两种信道接入机制，即基于时隙的CSMA-CA和(基于时隙的)TDMA。
两种信道接入机制都是为了避免传输冲突，提高传输的可靠性。
在信标网络中，CSMA-CA不用于发送信标帧、确认帧或CFP中的数据帧。
因为在信标网络中，信标帧总是在第一个时隙发送，所以，信标帧无需CSMA-CA。
The CSMA-CA algorithm shall not be used for the transmission of beacon frames in a beacon-enabled PAN,
acknowledgment frames, or data frames transmitted in the CFP.(IEEE 802.15.4-2006 7.5.1.4)
2.非信标网络
不包含信标的网络称为非信标网络。非信标网络并非没有信标帧，而是这种信标帧是按需无周期性发送的。
非信标网络可以看做是信标网络的特例（即信标间隔不定期）。
在后面我们还会看到，当信标帧中超帧规格子域BO=15时，信标周期变成无限长，超帧的结构此时就没有作用了，
此时的信标网络就成为了非信标网络。
非信标网络中没有超帧结构，因此没有时隙(TS)和时隙保证(GTS)，没有CAP和CFP，所以也没有TDMA机制。
在非信标网络当中，所有信息发送的信道接入采取CSMA-CA的方式，包括对信标请求响应发送的信标，
也是以CSMA-CA的方式发送。
三. CSMA-CA机制中的三个变量：NB，CW和NB
1. NB，CW和NB
在信道竞争的访问中，设备在每次发送数据之前，都要使用CAMA-CA算法进行通道空闲评估(CCA)。
CSMA-CA的算法核心是，在每次信道空闲评估时，都需要一段随机时间的退避延时，然后才进行信道空闲评估。
如果此时通道为空闲，则执行发送。而如果此次通道空闲评估为忙，那么，会再次重复前面的延时步骤。
直到重复若该次该项操作。
这里有两个参数值：延时的持续时间和进行如上评估重复的次数。
每个设备应为传输维持三个变量：NB，CW和BE。其中BE是延时长短的变量参数，时间长度为random((2
BE
- 1) 个基本单位时间。
而NB则是评估重复次数的变量。
另外还有一个变量CW，它只用于基于时隙的信标网络CSMA-CA算法中。CW的含义是，在退避延时后，
要执行连续多少次信道评估为空闲，才会最终确认信道确实为空闲。另外要注意此时的CCA要在时隙的边界进行。
NB和CW的单位都为次，BE相联系的backoff的单位则为aUnitBackoffPeriod。IEEE 802.15.4-2006中规定，
aUnitBackoffPeriod为20个symbol时间长度。
IEEE 802.15.4-2006对NB，CW和NB这三个变量的定义如下：
- NB是本次传输时，CSMA-CA算法所需退避周期的次数。该值在每一次新的传输前初始化为0.
- CW是竞争窗口长度。在传输开始之前需要清除通道活动(即通道空闲)的退避周期数。它在每次传输前
被初始化为2，每次通道被评估为忙时，重置为2次。CW仅仅使用在时隙CSMA-CA中。
- BE为退避指数，在空闲信道评估(CCA)之前，设备应等待的退避周期数。在非时隙的系统中，以及BLE域为0的
时隙系统中，此值应被初始化为macMinBE。而在BLE域为1的时隙系统中，此值应被初始化为2和macMinBE两者之间的最小者，
即min(2, macMinBE)。
而最终的退避周期是介于0 -- (2BE - 1)之间的一个随机数。
注意如果macMinBE设置为0，在这个算法的第一次迭代期间，冲突避免将会被禁用。
2. MAC子层相关常量说明：
- aUnitBackoffPeriod是MAC sublayer constants，其值为20，见IEEE 802.15.4 P159
所以在2.4G网络中，aUnitBackoffPeriod = 20 x 16us。其中的16us为每符号时间(1s / 62.5ks)。
- BE、NB相关的变量见下表：IEEE 802.15.4-2006 P164 Table 86—MAC PIB attributes
四. 非信标帧网络中的CSMA-CA算法
如上所述，非信标网络中没有时隙的概念，和信标网络中CSMA-CA的算法最大的不同是：
无需时隙边界对齐和执行CW中的CCA检测。一经检测到通道为空闲，就立即进行数据发送。
我们将在接下来的基于时隙信标网络的CSMA-CA算法中看到这种差别。
在非信标帧网络中的CSMA-CA算法步骤如下图：
上图中，BE = min(BE + 1, macMaxBE)的功能是：
BE的值会每次递增1，但确保其值不超过最大值macMaxBE。
帧数据发送流程用C语言描述如下：
#define macMinBE 3
//默认值
#define macMaxBE 5
//默认值
void
RandomBackoffDelay
(
uint8 BE
)
{
uint8 x
;
x
=
rand
()
%
(
2
^
BE
);
//rand()%n的范围是0~n-1;
Delay
(
x
);
}
bool
TX_With_Unslotted_CSMA_CA
(
void
)
{
NB
=
0
;
BE
=
macMinBE
;
for
(;;)
{
RandomBackoffDelay
(
BE
);
CCA
();
if
(
chnnl_idle
)
{
return
SendFrame
(...);
}
else
{
NB
++;
BE
=
min
(
BE
+
1
,
macMaxBE
); //注意,BE的值在此被改变;
if
(
NB
>
macMaxCSMABackoffs
)
{
return
FAILURE
;
}
}
}
}
五.信标帧格式
1.Superframe Specification field，超帧域
- bit0-3 Beacon Order：信标阶，见第六节中的描述
- bit4-7 Superframe Order：超帧阶，见第六节中的描述
- bit8-11 Final CAP Slot：最后CAP时隙，见第六节中的描述
- bit12 Battery Life Extension (BLE)：电池寿命延长。该子域的使用见下面章节"信标网络中的CSMA-CA算法"
- bit13 Reserved：保留
- bit14 PAN Coordinator：协调器标志位，如果信标帧由PAN协调器发送，则置为1。否则为0.
注意在IEEE 802.15.4规范中，协调器分为PAN协调器和协调器。即相当于zigbee中的协调器和路由器。 - bit15 Association Permit：关联允许位。如果允许关联，则为1，否则为0。参见“设备关联”的相关内容。
2.GTS fields：保证时隙域
参见下面的GTS小节内容。
3.Pending address fields：未决地址域
- Pending Address Specification field(上图中为给出其所构成的各个子域图表) ：未决地址规范域
- Number of Short Addresses Pending：未决短地址数
- Reserved：保留
- Number of Extended Addresses Pending：未决长地址数
- Reserved ：保留
- Address List field ：地址列表
六.信标网络中的超帧(Superframe)
1.概述
只有信标网络中才有超帧，超帧是实现时隙机制的基础。
我们可以将超帧比作一个较高层的时钟，它将时间分片，一个分片包含一个或多个基本单位时间，分片单位被称为时隙(TS-Time Slot)。
在信标网络中，设备将处理收发数据事务的时间划出一个周期，该周期定义为超帧。在此周期内，设备可进行数据收发处理和节能休眠。
超帧并非严格意义上的内存(空间)结构，它其实是一个周期性的时间结构。
超帧由协调器来定义，并使用信标帧来定义解释其内部结构，信标帧中包含的超帧定义解释域称为超帧规范(Superframe Specification)。
在信标网络中，协调器将周期的发送信标帧进行广播，各终端(包括其他协调器)接收该信标帧，通过其中的超帧规范来构建(或同步)本地的超帧影子副本。由于协调器是在超帧的第一个时隙(时隙0)来发送信标帧，接收器可以此进行超帧开始边界(也即时间同步)的同步。
2.超帧结构
超帧结构如下图：
超帧分为活跃期和可选的非活跃期两大部分，整个超帧的大小(持续时间，即BI)由超帧规范中的BO(Beacon Order，信标阶)来定义。
- 在活跃期，协调器进行数据发送、或者打开接收机接收数据、或者准备接收数据；
- 而在非活跃期，协调器可以关闭收发机以节省能量。
2.1 信标帧中的超帧规格域(Superframe Specification)：
超帧规范为信标帧的子域(详见下面信标帧结构图)。
超帧结构的大小边界由超帧规格域进行定义：
- bit0-3为信标阶BO(Beacon Order)，确定了信标间隔BI。
- bit4-7为超帧阶SO(Superframe Order)，确定了超帧的持续时间SD。
- bit8-11为最后CAP时隙，指示了竞争接入时期的结束位置。
下面重点对超帧中的活跃期进行描述。
2.2 活跃期和时隙0
活跃期包括CAP和CFP。
CAP:竞争接入时期(Contention Access Period)，CAP紧接着信标帧(见上面的超帧结构图)。
CFP:非竞争接入时期(Contention Free Period)
CAP和CFP的边界使用超帧规范(Superframe Specification)子域中的Final CAP Slot来定义。
在CAP内，使用CSMA-CA机制进行信道接入。
在CFP内，则使用TDMA机制进行信道接入，此时使用GTS来保证TDMA的实现。
活跃期分为16个大小相等的时隙，每个时隙的大小(持续时间)由超帧规范中的SO来定义。
在时隙0的开头（亦即超帧的开头），协调器发送自己的信标帧。
- 信标中包含了网络的各种信息，用于新设备加入网络。
- 又由于它是周期性发送的，可用于进行设备之间的同步。
信标帧与时隙0之间的关系：
802.15.4规定，信标帧从时隙0的起始位置开始发送。但并不等于说“信标帧只能在时隙0发送，或时隙0只能发送信标帧”。
不同参数设置下，超帧的活跃期的长度是不同的，因此时隙的长度也会产生变化：
- 时隙较短时，信标帧占用的时间可能会超过时隙0；
- 时隙较长时，时隙0在传输完信标帧之后，还可以用剩余的时间发送其它数据。
2.3 活跃期构成要素的持续时间和它们之间的关系
2.3.1 超帧和超帧规范中几个概念：
- 信标间隔(Beacon Interval，BI)
- 超帧持续时间(Superframe Duration，SD)
- 超帧活跃期(Active Period)
- 超帧非活跃期(Inactive Period)
- 竞争接入时期(Contention Access Period，CAP)
- 非竞争接入时期(Contention Free Period，CFP)
- 时隙(Time Slot，TS)
- 保证时隙(Guaranteed Time Slot，GTS)
- 信标阶(beacon order，BO)
- 超帧阶(superframe order，SO)
2.3.2 概念之间的关系：
- 信标间隔 = 超帧活跃期 + 超帧非活跃期
- 超帧持续时间 = 超帧活跃期
- 超帧活跃期 = 竞争接入时期 + 非竞争接入时期(CAP +CFP)
- 超帧活跃期 = 16×TS
- 非竞争接入时期 = ΣGTSi
- GTS = n×TS(n=1,…,15？)
2.3.3 超帧持续时间SD和信标间距BI的长度：
- BI = aBaseSuperframeDuration x 2^BO符号
- SD =aBaseSuperframeDuration x 2^SO符号
- 0≤SO≤BO≤14，如此可限制超帧持续时间小于等于信标间距。
aBaseSlotDuration在802.15.4-2006规范中为60 symbols。
aBaseSuperframeDuration = aBaseSlotDuration × aNumSuperframeSlots，即aBaseSlotDuration × 16 = 960 symbols。
那么SD = 960 symbols × 2^BO。
TS = SD / 16 = (960 symbols × 2^BO) / 16，此处的16为活跃期包含的时隙数。
也就是说，当BO = 0时，时隙(TS)的持续时间为aBaseSlotDuration。
在2.4G频率的信道中，每symbol时间为 1s / 62.5ks，即每符号时间为16us。
下图是在2.4G网络中不同SO、BO取值对应的超帧活跃期和信标周期值：
如SO为0，那么SD= 960 symbols × 2^BO = 960 symbols
每符号位时间为16us，则aBaseSuperframeDuration = 960 x 16us = 15.36ms。