超帧指数 和信标帧指数 ieee 8 0 2.15.4MAC 协议分析 超帧 帧间隔 信标 帧 结构

超帧指数（so） 和信标帧指数（bo）

sink node 汇聚节点

非竞争期 由保证时隙 组成

contention free period（CFP）

guaranteed tme slot (GTS) 保证时隙

超帧是一种用来组织网络通信时间分配的逻辑结构。超帧的长度是固定的，
每个超帧都以 PAN 协调器发出信标帧为开始，并划分为 16 个等宽的时隙，第一
个时隙（时隙 0）用来广播信标帧。超帧的时间分配由 PAN 协调器在信标帧中定
义，主要分为活跃期和非活跃期。网络中所有的通信都是在活跃期完成的，非活
跃期节点进入休眠模式，这样做的目的是为了达到节省能量的目的。活跃期又分
为竞争接入期和非竞争接入期。在竞争接入期如果任何要发送数据的节点通过
CSMA/CA 算法与其他要发送数据的节点竞争信道使用权。非竞争接入期又划分为
一些 GTS，每个 GTS，PAN 协调器只允许指定的设备与其通信。每个超帧时段最
多可以分配 7 个 GTS，一个 GTS 可以占有多个时隙。GTS 保证实时业务的传输。
超帧结构如图 3.5 所示。

帧间隔 
MAC 层需要一定的时间处理来物理层接受到的数据，所以发送帧之后应预留
一段空闲时间，即帧间隔 IFS。如果发送帧需要确认，则 IFS 预留在确认帧之后。

占空比 
在 IEEE802.15.4 的 MAC 协议中，占空比（Duty Cycle，简称 DC）是指超帧
的活跃期长度占整个超帧长度的百分比。从前面可知，SD 表示超帧活跃期长度，
BI 表示整个超帧的长度。结合前面的介绍，占空比的计算如式（3.6）所示。

占空比是指超帧中活跃期长度与整个超帧长度之比。占空比设置非常重要，
如果占空比设置过高，活跃期太长，则在平时浪费节点能量；如果设置过低，则
活跃期太短，当网络负载重时，网络延时将会大大增加，不利于实时性业务传输。
文献
【21】
应用网络微积分分析了星型网络最佳占空比的值。
IEEE802.15.4MAC 协议在网络运行中占空比是固定的。这种固定占空比不能
适应网络负载变化非常大的情况。目前，针对这个问题已经有很多文献
【22-25】
提
出了一些自适应占空比算法。

超帧将整个通信周期主要划分成两部分，一是活跃期，二是非活跃期，二
者的界限主要通过周期性的信标帧进行界定。超帧的活跃期可划分为三个阶段：
信标帧 Beacon 阶段、竞争接入阶段 CAP、和非竞争接入阶段 CFP，同时，这
三阶段又可进一步划分为 16 个等长的时隙，每个时隙长度、CAP 包含的时隙
数等参数均由协调器设定，并通过超帧起始的信标帧广播到整个网络。而在非
活跃期中，节点将进入低功耗的休眠模式。CAP 主要功能包括网络设备可以自
主收发数据、域内设备可以向协调器申请 GTS 时段等，而 CFP 主要是采用 GTS
机制，由向协调器指定的设备发送或者接收数据包。

在超帧结构中，信标间隔的周期 BI 定义为两个持续的信标帧之间前后的时
间间隔，该时间间隔的大小可以通过信标序号（Beacon Order，BO）进行调节
和控制；而活跃期长度定义为超帧持续时间（Superframe Duration, SD），其可
通过超帧序号（Superframe Order, SO）进行控制，SO 描述了超帧活跃部分的长
度 。 常 量 aBaseSuperframeDuration （ 960symbols ） 为 超 帧 持 续 范 围 ，
aBaseSlotDuration （60symbo1s）表示最小时隙，BI 和 SD 可由公式（3.1）表
示，而在不使用超帧结构时，BO 和 SO 都应设置为 15。
014
2
2



SOBO
SDaBaseSuperframeDurationsymbols
BIaBaseSuperframeDurationsymbols
SO
BO
其中
（3.1）
占空比 DC（Duty Cycle）定义为超帧持续时间 SD 与信标间隔周期 BI 的比
值，如公式（3.2）所示：
⁄ 2 （3.2）
从公式（3.1）和（3.2）可知：BO 决定了信标的到达间隔，BO 越大，信
标帧的到达间隔也越大，而 SO 的取值决定了超帧的长度，进而决定了 CAP 阶
段的长度，CAP 阶段长度越长，节点在一个信标帧间隔内可用于发送的数据时
段也就越长。

在超帧结构中，信标间隔的周期 BI 定义为两个持续的信标帧之间前后的时
间间隔，该时间间隔的大小可以通过信标序号（Beacon Order，BO）进行调节
和控制；而活跃期长度定义为超帧持续时间（Superframe Duration, SD），其可
通过超帧序号（Superframe Order, SO）进行控制，SO 描述了超帧活跃部分的长
度 。 常 量 aBaseSuperframeDuration （ 960symbols ） 为 超 帧 持 续 范 围 ，
aBaseSlotDuration （60symbo1s）表示最小时隙，BI 和 SD 可由公式（3.1）表
示，而在不使用超帧结构时，BO 和 SO 都应设置为 15。
014
2
2



SOBO
SDaBaseSuperframeDurationsymbols
BIaBaseSuperframeDurationsymbols
SO
BO
其中
（3.1）
占空比 DC（Duty Cycle）定义为超帧持续时间 SD 与信标间隔周期 BI 的比
值，如公式（3.2）所示：
⁄ 2 （3.2）
从公式（3.1）和（3.2）可知：BO 决定了信标的到达间隔，BO 越大，信
标帧的到达间隔也越大，而 SO 的取值决定了超帧的长度，进而决定了 CAP 阶
段的长度，CAP 阶段长度越长，节点在一个信标帧间隔内可用于发送的数据时
段也就越长。

)+++A$!9 %#9 > 协议的信标广播机制中，设备并
不对所收到的信标进行认证，只是检测信标中的
k1* )4!如果和初始的 )4 相同，则根据包中的 ].
和 ,. 相关参数安排自己的调度，比如何时发送数
据，何时进入休眠状态!在信标模式下，信标中的
]. 和 ,. 是非常重要的两个参数，因为其决定引子
#超帧$的长度和活跃时间的长度，事实上也决定了
节点可以进入非活跃期进行休眠的时间长度!但
是，如果恶意攻击者发送一个伪造的信标帧，将其中
相同的值，则接收到此信标的节点
将在所有时间内处于活跃状态!由于无法进入休眠
状态，节点的能量将被快速的耗尽，最终造成拒绝休
眠攻击!图 & 和图 > 分别给出了该拒绝休眠攻击的
示意图和合法节点被攻击前后的#超帧$调度序列