短距離無線通信系統(tǒng)及仿真課件 第二十一講 ZigBee技術(shù)

MAC層MAC層（MediaAccessControl）的基本功能是控制通信設(shè)備如何利用通信資源進(jìn)行通信，在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中能夠協(xié)調(diào)多個設(shè)備恰當(dāng)?shù)厥褂猛ㄐ刨Y源。IEEE802.15.4的MAC層提供了信道接入（CSMA/CA和TDMA）、本地網(wǎng)絡(luò)建立維護(hù)和同步、安全、可靠通信等功能。以下主要從MAC層設(shè)備及地址表示、MAC層幀結(jié)構(gòu)、信道接入幾個方面進(jìn)行介紹。①M(fèi)AC層設(shè)備及地址表示IEEE802.15.4定義中設(shè)備的分類：

從實際物理實現(xiàn)角度分類

全功能設(shè)備

縮減功能設(shè)備

全功能設(shè)備（FullFunctionDevice，F(xiàn)FD）功能比較齊全，而縮減功能設(shè)備（ReducedFunctionDevice，RFD）功能很簡單，只包括最基本的功能。FFD之間、FFD和RFD之間都可以互相通信，而RFD由于功能比較弱，兩個RFD之間不能直接通信，必須經(jīng)過FFD進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

PAN協(xié)調(diào)器在整個網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中是唯一的，它一般是建立網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，功能最強(qiáng)大、成本最高。而協(xié)調(diào)器在整個網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中可能有很多個，要承擔(dān)一些網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的功能，成本居中。設(shè)備則是網(wǎng)絡(luò)的末端節(jié)點(diǎn)，一般是最簡單、成本最低的設(shè)備。從網(wǎng)絡(luò)邏輯的角度

PAN協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器設(shè)備

地址：MAC層規(guī)定兩種地址，一種是短地址，另一種是擴(kuò)展地址。短地址是一個臨時分配的地址，即設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中才會分配的地址，長度為16比特。擴(kuò)展地址一般是一個長期固定的地址，設(shè)備出廠的時候就已經(jīng)固化，一直伴隨設(shè)備直至它壽命結(jié)束都不會更改。擴(kuò)展地址的長度是64比特，又稱“IEEE地址”。PAN標(biāo)識：為了不同的PAN之間進(jìn)行通信，不同的PAN用不同的標(biāo)識來定義。PAN標(biāo)識的長度也是16比特。

②MAC層幀結(jié)構(gòu)MAC層的數(shù)據(jù)封裝在物理層當(dāng)中發(fā)送，而接收到的物理層幀，經(jīng)解封后會得到MAC層幀數(shù)據(jù)。MAC層幀的結(jié)構(gòu)包括幀頭、凈荷和幀校驗序列（FrameCheckSequence,FCS）。幀控制子域位長為16bit，包括幀類型的定義、地址子域和其他控制標(biāo)志。MAC幀類型幀的類型位于幀頭的幀控制域中0～2比特：MAC幀有信標(biāo)幀（主協(xié)調(diào)器用來發(fā)送信標(biāo)的幀）—000；數(shù)據(jù)幀（用于所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?01；應(yīng)答幀（用于確認(rèn)成功接收的幀）—010；MAC命令幀（用于處理所有MAC層對等實體間的控制傳輸）—011。不同類型的幀的幀頭和FCS的格式是相同的，只在凈荷部分有所區(qū)別。MAC層幀的序列號子域為8bit，為MAC層幀的唯一的序列標(biāo)識符目的PAN標(biāo)識符子域為16bit，描述了接收該幀信息的唯一PAN的標(biāo)識符目的地址子域為16bit或64bit，該地址為接收設(shè)備的地址源PAN標(biāo)識符子域為16bit，代表幀發(fā)送方的PAN標(biāo)識符源地址子域為16bit或者64?bit，代表幀的發(fā)送方的設(shè)備地址幀校驗序列用于接收方判斷該數(shù)據(jù)包是否正確，從而決定是否采用ARQ進(jìn)行差錯恢復(fù)。③信道接入信道接入是MAC層的核心功能，它的目的主要是安排設(shè)備合理利用信道資源進(jìn)行通信。如果只是一個設(shè)備向另一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，不需要考慮太多信道接入的問題，這時設(shè)備可以獨(dú)占所有信道資源；但當(dāng)多個設(shè)備進(jìn)行通信時，為了合理安排每個設(shè)備占用的通信資源，信道接入技術(shù)就十分重要了。固定的信道接入技術(shù)和隨機(jī)接入技術(shù)信道資源包括頻率、時間、空間、功率等，因此信道接入技術(shù)也跟信道資源分享方式相關(guān)，如頻分多址接入、時分多址接入、空分多址接入和碼分多址接入等。這些信道接入技術(shù)有個共同的特點(diǎn)，就是每個設(shè)備的通信都占用確定的信道資源，即使信道資源是動態(tài)分配的，在某個時刻設(shè)備占據(jù)的資源是固定的，因此屬于固定的信道接入技術(shù)。相應(yīng)的，還有隨機(jī)接入信道技術(shù)。固定的信道接入技術(shù)和隨機(jī)接入技術(shù)在隨機(jī)接入信道技術(shù)當(dāng)中，設(shè)備通信并不占據(jù)固定的資源。為了安排不同設(shè)備之間對資源的使用，通常通過“競爭”的過程來完成。簡單的說，就是哪個設(shè)備“搶”到信道資源，哪個設(shè)備就可以進(jìn)行通信。為了避免其他設(shè)備在信道資源被占據(jù)的時候通信，造成沖突，通常采取一定的檢測機(jī)制，檢測信道是否被占據(jù)，如果信道被占據(jù)，就不再發(fā)送，等以后信道空閑的時候再嘗試發(fā)送。隨機(jī)接入信道技術(shù)當(dāng)中比較著名的是ALOHA技術(shù)。而在IEEE802.15.4中，采用的隨機(jī)接入技術(shù)是載波監(jiān)聽多址接入-沖突避免。CSMA/CA簡述CSMA/CA的技術(shù)，簡單來說，就是節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽信道，如果信道空閑則可以發(fā)送數(shù)據(jù)，否則就要進(jìn)行隨機(jī)的退避，即延遲一段隨機(jī)時間，然后再進(jìn)行監(jiān)聽。這個退避的時間是指數(shù)增長的，但有一個最大值，即如果上一次退避之后再次監(jiān)聽信道忙，則退避時間要增倍。這樣做的原因是如果多次監(jiān)聽信道都忙，有可能表明信道上的數(shù)據(jù)量大，因此讓節(jié)點(diǎn)等待更多的時間，避免繁忙的監(jiān)聽。通過這種信道接入技術(shù)，所有節(jié)點(diǎn)競爭共享同一個信道。超幀

MAC層當(dāng)中還規(guī)定了兩種信道接入模式，一種是信標(biāo)(beacon)模式，另一種是非信標(biāo)模式。信標(biāo)模式當(dāng)中規(guī)定了一種“超幀”的格式。超幀是MAC層中一個非常重要的概念，它可以用來描述信道接入資源的總體結(jié)構(gòu)。每個協(xié)調(diào)器有自己的超幀，它是一個周期性的時間結(jié)構(gòu)，分為活躍期和非活躍期兩大部分。在活躍期，協(xié)調(diào)器需要進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，或者打開接收機(jī)接收數(shù)據(jù)或者準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；而在非活躍期，協(xié)調(diào)器可以關(guān)閉收發(fā)機(jī)以節(jié)省能量。超幀的結(jié)構(gòu)

超幀的結(jié)構(gòu)如圖所示，分為活躍期（active）和非活躍期（inactive）?；钴S期的超幀包括信標(biāo)（Beacon）、競爭接入時期（ContentionAccessPeriod,CAP）和非競爭接入時期（ContentionFreePeriod,CFP）。整個活躍期劃分為16個大小相等的時隙，在時隙0的開頭，亦即超幀的開頭，協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的信標(biāo)幀（信標(biāo)當(dāng)中包含了網(wǎng)絡(luò)的各種信息，用于新設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，又由于它是周期性發(fā)送的，可用于進(jìn)行設(shè)備之間的同步）。在超幀的開始發(fā)送信標(biāo)幀，里面含有一些時序以及網(wǎng)絡(luò)的信息；緊接著是競爭接入時期，在這段時間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)以競爭方式接入信道；再后面是非競爭接入時期，節(jié)點(diǎn)采用時分復(fù)用的方式接入信道；然后是非活躍時期，節(jié)點(diǎn)進(jìn)