MAC子层优化设计

在IEEE 802系列标准中，OSI参考模型的数据链路层进一步划分为MAC（Medium Access Control）和LLC（Logic Link Control）两个子层。MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而LLC子层在MAC子层的基础上，在设备间提供面向连接和非连接的服务。本节介绍IEEE 802.15.4标准中MAC子层的功能。

MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务（MAC Layer Management Entity，MLME）。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。

MAC子层的主要功能包括下面6个方面：

（1）协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步。

（2）支持PAN（Personal Area Network）的关联（association）和取消关联（disassociation）操作。

（3）支持无线信道通信安全。

（4）使用CSMA－CA机制访问信道。

（5）支持时槽保障（Guaranteed Time Slot，GTS）机制。

（6）支持不同设备的MAC层间可靠传输。

关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调器注册以及身份认证的过程。LR－WPAN（Low Rate Wireless Personal Network）中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络，这时就需要进行关联和取消关联操作。

时槽保障机制和时分复用（Time Division Multiple Access，TDMA）机制相似，但它可以动态地为有收发请求的设备分配时槽。使用时槽保障机制需要设备间的时间同步，IEEE 802.15.4中的时间同步通过下面介绍的超帧机制实现。

1）超帧

在IEEE 802.15.4中，可以选择以超帧为周期组织LR－WPAN网络内设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧（beacon）为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。

超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。在不活跃期间，PAN中的设备不会相互通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。超帧的活跃期间划分为三个时段：信标帧发送时段、竞争访问时段（Contention Access Period，CAP）和非竞争访问时段（Contention－Free Period，CFP）。超帧的活跃部分被划分为16个等长的时槽，每个时槽的长度、竞争访问时段包含的时槽数等参数都由协调器设定，并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。图3－3所示为一个超帧结构。

图3－3　超帧结构

在超帧的竞争访问时段，IEEE 802.15.4网络设备使用带时槽的CSMA－CA访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。在非竞争访问时段，协调器根据上一个超帧期间PAN中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS。每个GTS由若干个时槽组成，时槽数目在设备申请GTS时指定。如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时槽数目。如图3－3中第一个GTS由时槽11～13构成，第二个GTS由时槽14、15构成。每个GTS中的时槽都被指定分配给了时槽申请设备，因而不需要竞争信道。IEEE 802.15.4标准要求任何通信都必须在自己分配的GTS内完成。

超帧中规定非竞争时段必须跟在竞争时段后面。竞争时段的功能包括网络设备可以自由收发数据，域内设备向协调者申请GTS时段，新设备加入当前PAN等。非竞争时段由协调器指定的设备发送或者接收数据包。如果某个设备在非竞争时段一直处在接收状态，那么拥有GTS使用权的设备就可以在GTS时段直接向该设备发送消息。

2）数据传输模型

LR－WPAN中存在着三种数据传输方式：设备发送数据给协调器、协调器发送数据给设备、对等设备之间的数据传输。星型拓扑网络中只存在前两种数据传输方式，因为数据只在协调器和设备之间交换；而在点对点拓扑网络中，三种数据传输方式都存在。

在LR－WPAN中，有两种通信模式可供选择：信标使能（beacon－enabled）通信和信标不使能（non beacon－enabled）通信。

在信标使能网络中，PAN网络协调器定时广播信标帧。信标帧表示超帧的开始。设备之间的通信使用基于时槽的CSMA－CA信道访问机制，PAN中的设备都通过协调器发送的信标帧进行同步。在时槽CSMA－CA机制下，每当设备需要发送数据帧或命令帧时，它首先定位下一个时槽的边界，然后等待随机数目的时槽。等待完毕，设备开始检测信道状态：如果信道空闲，设备就在下一个可用时槽边界开始发送数据；如果信道忙，设备需要重新等待随机数目的时槽，再检查信道状态，重复这个过程直到有空闲信道出现。在这种机制下，确认帧的发送不需要使用CSMA－CA机制，而是紧跟着接收帧发送回源设备。

在信标不使能通信网络中，PAN协调器不发送信标帧，各个设备使用无时槽的CSMACA机制访问信道。该机制的通信过程如下：每当设备需要发送数据或者发送MAC命令时，它首先等候一段随机长的时间，然后开始检测信道状态，如果信道空闲，该设备立即开始发送数据；如果信道忙，设备需要重复上面的等待一段随机时间和检测信道状态的过程，直到能够发送数据。在设备接收到数据帧或命令帧而需要回应确认帧的时候，确认帧应紧跟着接收帧发送，而不使用CSMA－CA机制竞争信道。

图3－4是一个信标使能网络中某一设备传送数据给协调器的例子。该设备首先侦听网络中的信标帧，如果接收到了信标帧，它就同步到由这个信标帧开始的超帧上，然后应用时槽CSMA－CA机制，选择一个合适的时机，把数据帧发送给协调器。协调器成功接收到数据以后，回送一个确认帧表示成功收到该数据帧。

图3－5是一个信标不使能网络中设备传送数据给协调器的例子。该设备应用无时槽的CSMA－CA机制，选择好发送时机后，就发送它的数据帧。协调器成功接收到数据帧后，回送一个确认帧表示成功收到该数据帧。

图3－4　在信标使能网络中网络设备发送数据给协调器

图3－5　在信标不使能网络中网络设备发送数据给协调器

图3－6是在信标使能网络中协调器发送数据帧给网络中某个设备的例子。当协调器需要向某个设备发送数据时，就在下一个信标帧中说明协调器拥有属于某个设备的数据正在等待发送。目标设备在周期性的侦听过程中会接收到这个信标帧，从而得知有属于自己的数据保存在协调器，这时就会向协调器发送请求传送数据的MAC命令帧。该命令帧发送的时机按照基于时槽的CSMA－CA机制来确定。协调器收到请求帧后，先回应一个确认帧表明收到请求命令，然后开始传送数据。设备成功接收到数据后再回送一个数据确认帧，协调器接收到这个确认帧后，才将消息从自己的消息队列中移走。

图3－6　在信标使能网络中协调器传送数据给网络设备(www.xing528.com)

图3－7　在信标不使能网络中协调器传送数据给网络设备

图3－7是在信标不使能网络中协调器发送数据帧给网络中某个设备的例子。协调器只是为相关的设备存储数据，被动地等待设备来请求数据，数据帧和命令帧的传送都使用无时槽的CSMA－CA机制。设备可能会根据应用程序事先定义好的时间间隔，周期性地向协调器发送请求数据的MAC命令帧，查询协调器是否存有属于自己的数据。协调器回应一个确认帧表示收到数据请求命令，如果有属于该设备的数据等待传送，则利用无时槽的CSMA－CA机制选择时机开始传送数据帧；如果没有数据需要传送，则发送一个0长度的数据帧给设备，表示没有属于该设备的数据。设备成功收到数据帧后，回送一个确认帧，这时整个通信过程就完成了。

在点对点PAN中，每一个设备均可以与在其无线辐射范围内的设备通信。为了保证通信的有效性，这些设备需要保持持续接收状态或者通过某些机制实现彼此同步。如果采用持续接收方式，设备只是简单地利用CSMA－CA收发数据；如果采用同步方式，需要采取其他措施来达到同步的目的。超帧在某种程度上可以用来实现点到点通信的同步，前面提到的GTS监听方式或者在CAP期间进行自由竞争通信都可以直接实现同步的点到点通信。

3）MAC子层帧结构

MAC子层帧结构的设计目标是用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。每个MAC子层的帧都由帧头（MAC Header，MHR）、负载和帧尾（MAC Footer，MFR）三部分组成，如表3－6所示。帧头由帧控制信息（Frame Control）、帧序列号（Sequence Number）和地址信息（Addressing）组成。MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定，后面将详细解释各类负载字段的内容。帧尾是帧头和负载的16位CRC校验序列。

表3－6　MAC帧格式

在MAC子层中设备地址有两种格式：16位（两个字节）的短地址和64位（8个字节）的扩展地址。16位短地址是设备与PAN协调器关联时，由协调器分配的网内局部地址；64位扩展地址是全球唯一地址，在设备进入网络之前就分配好了。16位短地址只能保证设备在PAN内部是唯一的，所以在使用16位短地址通信时需要结合16位的PAN标识符才有意义。两种地址类型的地址信息的长度是不同的，从而导致MAC帧头的长度也是可变的。一个数据帧使用哪种地址类型由帧控制域的内容指示。在帧结构中没有表示帧长度的域，这是因为在物理帧里面有表示MAC帧长度的域，MAC负载长度可以通过物理帧长度和MAC帧头的长度计算出来。

IEEE 802.15.4网络共定义了4种类型的帧：信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧。

（1）信标帧

信标帧的负载数据单元由4部分组成：超帧描述域、GTS分配域、待转发数据目标地址（pending address）域和信标帧负载域，如图3－8所示。

图3－8　信标帧的格式

①超帧描述域规定了这个超帧的持续时间、活跃部分持续时间以及竞争访问时段持续时间等信息。

②GTS分配域将非竞争访问时段划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给了某个设备。

③待转发数据目标地址列出了与协调器保存的数据相对应的设备地址。一个设备如果发现自己的地址出现在转发数据目标地址域里，则意味着协调器存有属于它的数据，所以它就会向协调器发出请求传送数据的MAC命令帧。

④信标帧负载为上层协议提供数据传输接口。例如在使用安全机制的时候，这个负载域将根据被通信设备设定的安全通信协议填入相应的信息。通常情况下，这个域可以忽略。

在信标不使能网络里，协调器在其他设备的请求下也会发送信标帧。此时信标帧的功能是辅助协调器向设备传输数据，整个帧只有待转发数据目标地址域有意义。

（2）数据帧

数据帧用来传送上层发到MAC子层的数据，它的负载域包含了上层需要传送的数据。数据帧负载传送至MAC子层后被称为MAC服务数据单元（MAC Service Data Unit，MSDU），它的首尾被分别附加了MHR头信息和MFR尾信息后，就构成了MAC帧，如图3－9所示。

图3－9　数据帧的格式

MAC帧传送至物理层后，就成为了物理帧的负载PSDU。PSDU在物理层被“包装”，其首部增加了同步信息SHR域和帧长度PHR域。同步信息SHR域包括用于同步的前导码和SFD域，它们都是固定值。帧长度域PHR标识了MAC帧的长度，为一个字节长而且只有其中的低7位是有效位，所以MAC帧的长度不会超过127个字节。

（3）确认帧

如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的控制信息域的确认请求位被置为1，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度应该为零。确认帧紧接着被发送，不需要使用CSMA－CA机制竞争信道，如图3－10所示。

图3－10　确认帧的格式

（4）MAC命令帧

MAC命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。目前定义好的MAC命令帧有9种类型，主要实现三方面的功能：把设备关联到PAN，与协调器交换数据，分配GTS。MAC命令帧在格式上和其他类型的帧没有太多的区别，只是帧控制域的帧类型位有所不同。帧头的帧控制域的帧类型为011b（b表示二进制数据）表示这是一个命令帧。MAC命令帧的具体功能由帧的负载表示。负载是一个变长结构，所有MAC命令帧负载的第一个字节是命令类型，后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义，如图3－11所示。

图3－11　MAC命令帧的格式