协议规范 物理层

802.15.4协议规范（物理层）

IEEE802.15.4-2003协议规范规定了一个MAC层和两个PHY层。802.15.4的主要协议框架如图所示。这边只介绍物理层。

802.15.4协议架构

1．协议概述

在LR WPAN（无线个人区域网）中，存在两种不同类型的设备，一种是完整功能设备（FFD），一种是简化功能设备（RFD）。FFD可以同时和多个RFD或FFD进行通信，所以常作为协调器，而RFD只能和一个FFD进行通信。一个网络中至少有一个FFD作为PAN 主协调器。

LR WPAN网络中根据不同需要有两种网络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。星型拓扑结构由一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是一个具有完整功能的设备，从设备可以是FFD也可以是RFD。在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信，任何一个设备都可以定义为PAN 主协调器。无论是星型拓扑还是对等拓扑网络结构。每一个独立的PAN都以一个标识符以确保唯一性。在设备发起连接时，可采用64位的长地址，只有在连接成功时，系统分配了PAN的标识符后，才能采用16位的短地址码进行连接。

在LR WPAN中，允许有选择性的使用超帧结构，超帧的格式由主协调器来定义，它分为16个大小相等的时隙，其中第一个时隙为PAN的信标帧。任何从设备如果想在两个信标之间的竞争接入期间（CAP）进行通信，则需要使用具有时隙和免冲突载波检测多路接入（CSMA CA）机制同其他设备进行竞争通信。

在一些特殊情况下，可采用PAN主协调器的超帧中的一部分来完成这些特殊要求。这部分称为保护时隙（GTS）。多个保护时隙构成一个免竞争时期（CFP），但最多可分配7个GTS。因为有足够的CAP空间保证为其他网络设备和其他希望加入网络的新设备提供竞争接入的机会。有无GTS的超帧结构分别如下所示。

time

time

无GTS 的超帧有GTS 的超帧1.1数据传输

LR WPAN 中，主要有3种数据传输模式：从设备向主协调器发送数据；主协调器向从设备发送数据；从设备之间传送数据。在星型拓扑中，因为从设备之间不能传输数据，所以只有两种传输方式，而在对等拓扑结构中则可能包含3种：

从设备向主协调器发送数据

在信标网络中，从设备首先监听网络的信标，当监听到后，在适当的时候，从设备将使用有时隙的CSMA CA 向主协调器发送数据帧，当主协调器接收到后，返回一个表明已成功接收的确认帧，如图所示：

信标网络数据传输到主协调器

在非信标网络中，从设备使用非时隙的CSMA CA 向主协调器发送数据帧，主协调器接收到后也同样返回一个确认帧，如图所示。

非信标网络数据传输到主协调器

主协调器向从设备发送数据

在信标网络中，当主协调器需要发送数据给从设备时，它会在网络信标中表明存在有要传输的数据信息，此时，从设备处于周期性监听网络信标的状态，当发现主协调器有数据要传送给它时，它将采用有时隙的CSMA CA机制，先通过MAC层发送一个数据请求指令。当主协调器接收到后，采用有时隙的CAMA CA发送数据信息帧给从设备，从设备接收完毕后，返回一个确认帧给主协调器。

在非信标网络中，主协调器存储要传输的数据，将通过与从设备建立数据连接，由从设备先发送请求数据传输命令后，再进行数据传输，如下所示。

从设备之间传送数据

这种传输方式出现在对等网络中。因为在对等网络中，设备与设备之间的通信随时都可能发生，所以通信设备之间必须处于随时可通信的状态，如下任意一种：设备始终处于接收状态或设备间保持相互同步。前者设备要采用非时隙的CSMA CA 机制来传输数据，后者需采取一些其他措施以确保通信设备之间相互同步。

1.2帧的结构

这里一共定义了四种帧结构：

1）信标帧

信标帧由主协调器的MAC 层生成，并向网络中的所有从设备发送，以保证各从设备与主协调器同步。信标帧的结构如下所示，MAC 层服务单元（MSDU ）加上

MAC 帧头MHR 和MAC 帧尾MFR 构成MAC 层信标帧MPDU ，作为物理层信标包载荷发送到物理层，在加上物理层的同步帧头SHR 和物理层帧头PHR ，共同构成了物理层的信标包PPDU 。

信标帧格式

2）数据帧

数据帧则是用来设备之间数据传输时生成的。要传输的数据是由应用层生成，然后到

MAC层，类似上面组成MPDU后进入物理层，再构成PPDU。具体如下图。

数据帧格式

3）确认帧

确认帧是为了确保通信的可靠性，通常是接收设备接收到正确的帧信息后，向发送设备返回一个确认信息，表明已正确接收相应的信息。接收设备将接收到的信息经物理层和MAC 层并纠错解码后，回复发送端的数据，如果没有检查出数据的错误，则由MAC层生成的一个确认帧，发送回发送端，具体结构如下所示。

确认帧格式

4）MAC层命令帧

为了控制设备的工作状态，同网络中的其他设备进行通信，根据应用的实际需要，对设备进行控制，控制命令由应用层产生，在MAC层根据控制命令的类型，生成的MAC 层命令帧如下所示。

MAC命令帧

1.3原语概念

原语则是一个非常重要的概念，用于描述不同的层之间的提供的服务和所要执行的任务。每一层的服务只要完成两证功能：根据它的下层服务要求，为上层提供相应的服务；另一种是根据上层的服务要求，对它的下层提供相应的服务。由服务原语组成的事件将在一个用户的服务接入点（SAP）与建立对等连接的用户的相同层之间传送。

服务提供者N-layer

服务原语

原语通常分为四种类型：Request，Indication，Response，还有Confirm。分别表示请求原语、指示原语、响应原语和确认原语。下面会介绍物理层的原语。