IEEE 802.15.4协议——信道访问

5.1.1 信道访问

  本节描述访问物理无线信道的机制。

5.1.1.1 超帧结构

  PAN 网络中的协调器可以使用超帧结构为它的信道访问的时间划分界限。超帧以信标作为它的边界线,包含活跃期和非活跃期两部分。协调器可以在非活跃期进入低功耗(睡眠)模式。

  常量 macBeaconOrder 和 macSuperframeOrder 的值用来描述一个超帧的结构。MAC PIB 属性 macBeaconOrder 用于描述协调器发送信标帧的时间间隔。macBeaconOrder 与信标间隔(BI)的关系如下:

BI=aBaseSuperframeDuration*2macBeaconOrder
其中,0 ≤ macBeaconOrder ≤ 14
  如果 macBeaconOrder = 15,除非特殊请求,例如接收到一个信标请求命令,否则协调器将不会发送信标。当 macBeaconOrder = 15 时,macSuperframeOrder 的值将被忽略。

  MAC PIB 属性 macSuperframeOrder 用于描述超帧中活跃期(包括信标帧)的时间长度。macSuperframeOrder 的值与超帧持续时间(SD)的关系如下:

SD=aBaseSuperframeDuration*2macSuperframeOrder,
其中,0 ≤ macSuperframeOrder ≤ macBeaconOrder ≤ 14
  每个超帧的有效期被分为 aNumSuperframeSlots 个持续时间为 2macSuperframeOrder * aBaseSlotDuration 的时隙。活跃期由三部分组成:信标、竞争访问时期、免竞争时期。信标应该在超帧的第 0 个时隙开始时就传输,且不使用 CSMA,直接访问信道。信标过后紧接着是竞争访问时间。第 0 个时隙的起始时刻指的是被传输的信标的 PPDU 的第一个符号。免竞争时期(如果存在)紧接在竞争接入时间之后,且一直持续到超帧的活跃期的结束。所有被分配的 GTS 都在免竞争时间内。

  MAC 子层应当确保超帧时序的完整性,例如补偿时钟漂移引起的错误。

  如果一个 PAN 网络使用了超帧结构,它就被叫做信标使能的 PAN 网络。信标使能 PAN 网络需要将 macBeaconOrder 的值设置为 [0, 14] 之间,将 macSuperframeOrder 的值设置为 [0, macBeaconOrder] 之间。

  如果一个 PAN 网络不使用超帧结构,它就被叫做非信标使能的 PAN 网络。非信标使能的 PAN 网络需要将 macBeaconOrder 和 macSuperframeOrder 的值都设置为 15。在这种情况下,除非接收到信标请求命令,否则协调器不会传送信标。除确认帧和紧跟在数据请求命令的确认帧之后的数据帧(参考 5.1.6.3 节)之外,其它所有的传输应该使用非时隙版的 CSMA/CA 机制访问信道。除此之外,该网络还不允许使用 GTS。

  图 8 描述了一个超帧的结构。在该图中,信标间隔 BI 是超帧有效期持续时间 SD 的两倍,且在免竞争阶段包含两个 GTS。

超帧结构

 

图 8. 超帧结构的例子

5.1.1.1.1 竞争接入时期(CAP)

  竞争接入时期(CAP)从信标帧结束后将立即开始,且到免竞争时期(CFP)开始前完成。如果不存在 CFP,CAP 则将持续到超帧的有效期。除非需要暂时调整在信标帧中附加的空间,以满足维护保护时隙的需要(请参考第 5.2.2.1.3 节),否则,CAP 的持续时间应当大于 aMinCAPLength,且并且可动态地缩减或增加信标的长度以适应 CFP 的大小。

  在 CAP 中,除了确认帧和紧跟在回应数据请求命令的确认帧后面的数据帧(参考 5.1.6.3 节)之外,发送其它所有帧时都需要使用时隙版的 CSMA/CA 机制访问信道。在 CAP 内,发送的设备应确保其任务(包括任何确认帧的接收)在 CAP 结束前的一个帧间间隔(参考 5.1.1.3 节)时间内完成。如果不能实现这一点,设备将推迟到下一个超帧的 CAP 后再进行传输。

  MAC 命令帧总是在 CAP 内发送。

5.1.1.1.2 免竞争时期(CFP)

CFP 开始于紧接着 CAP 之后的时隙边界,并在超帧的活跃期结束之前完成。如果 PAN 协调器分配了 GTS,则这些被分片的 GTS 将位于 CFP 内,且占用连续的时隙。因此,CFP 的长度将根据这些 GTS 的总长度来进行增加或缩减。

在 CFP 内,传输数据的设备在访问信道时不需要使用 CSMA/CA 机制,且需要确保其传输在它的 GTS 结束前的一个帧间间隔(帧间间隔)内完成。

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