短距离无线通信系统及仿真课件 第二十一讲 ZigBee技术

MAC层MAC层（MediaAccessControl）的基本功能是控制通信设备如何利用通信资源进行通信，在网络当中能够协调多个设备恰当地使用通信资源。IEEE802.15.4的MAC层提供了信道接入（CSMA/CA和TDMA）、本地网络建立维护和同步、安全、可靠通信等功能。以下主要从MAC层设备及地址表示、MAC层帧结构、信道接入几个方面进行介绍。①MAC层设备及地址表示IEEE802.15.4定义中设备的分类：

从实际物理实现角度分类

全功能设备

缩减功能设备

全功能设备（FullFunctionDevice，FFD）功能比较齐全，而缩减功能设备（ReducedFunctionDevice，RFD）功能很简单，只包括最基本的功能。FFD之间、FFD和RFD之间都可以互相通信，而RFD由于功能比较弱，两个RFD之间不能直接通信，必须经过FFD进行中转。

PAN协调器在整个网络当中是唯一的，它一般是建立网络的设备，功能最强大、成本最高。而协调器在整个网络当中可能有很多个，要承担一些网络维护的功能，成本居中。设备则是网络的末端节点，一般是最简单、成本最低的设备。从网络逻辑的角度

PAN协调器

协调器设备

地址：MAC层规定两种地址，一种是短地址，另一种是扩展地址。短地址是一个临时分配的地址，即设备加入到网络当中才会分配的地址，长度为16比特。扩展地址一般是一个长期固定的地址，设备出厂的时候就已经固化，一直伴随设备直至它寿命结束都不会更改。扩展地址的长度是64比特，又称“IEEE地址”。PAN标识：为了不同的PAN之间进行通信，不同的PAN用不同的标识来定义。PAN标识的长度也是16比特。

②MAC层帧结构MAC层的数据封装在物理层当中发送，而接收到的物理层帧，经解封后会得到MAC层帧数据。MAC层帧的结构包括帧头、净荷和帧校验序列（FrameCheckSequence,FCS）。帧控制子域位长为16bit，包括帧类型的定义、地址子域和其他控制标志。MAC帧类型帧的类型位于帧头的帧控制域中0～2比特：MAC帧有信标帧（主协调器用来发送信标的帧）—000；数据帧（用于所有数据传输的帧）—001；应答帧（用于确认成功接收的帧）—010；MAC命令帧（用于处理所有MAC层对等实体间的控制传输）—011。不同类型的帧的帧头和FCS的格式是相同的，只在净荷部分有所区别。MAC层帧的序列号子域为8bit，为MAC层帧的唯一的序列标识符目的PAN标识符子域为16bit，描述了接收该帧信息的唯一PAN的标识符目的地址子域为16bit或64bit，该地址为接收设备的地址源PAN标识符子域为16bit，代表帧发送方的PAN标识符源地址子域为16bit或者64 bit，代表帧的发送方的设备地址帧校验序列用于接收方判断该数据包是否正确，从而决定是否采用ARQ进行差错恢复。③信道接入信道接入是MAC层的核心功能，它的目的主要是安排设备合理利用信道资源进行通信。如果只是一个设备向另一个设备发送数据时，不需要考虑太多信道接入的问题，这时设备可以独占所有信道资源；但当多个设备进行通信时，为了合理安排每个设备占用的通信资源，信道接入技术就十分重要了。固定的信道接入技术和随机接入技术信道资源包括频率、时间、空间、功率等，因此信道接入技术也跟信道资源分享方式相关，如频分多址接入、时分多址接入、空分多址接入和码分多址接入等。这些信道接入技术有个共同的特点，就是每个设备的通信都占用确定的信道资源，即使信道资源是动态分配的，在某个时刻设备占据的资源是固定的，因此属于固定的信道接入技术。相应的，还有随机接入信道技术。固定的信道接入技术和随机接入技术在随机接入信道技术当中，设备通信并不占据固定的资源。为了安排不同设备之间对资源的使用，通常通过“竞争”的过程来完成。简单的说，就是哪个设备“抢”到信道资源，哪个设备就可以进行通信。为了避免其他设备在信道资源被占据的时候通信，造成冲突，通常采取一定的检测机制，检测信道是否被占据，如果信道被占据，就不再发送，等以后信道空闲的时候再尝试发送。随机接入信道技术当中比较著名的是ALOHA技术。而在IEEE802.15.4中，采用的随机接入技术是载波监听多址接入-冲突避免。CSMA/CA简述CSMA/CA的技术，简单来说，就是节点在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲则可以发送数据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时间，然后再进行监听。这个退避的时间是指数增长的，但有一个最大值，即如果上一次退避之后再次监听信道忙，则退避时间要增倍。这样做的原因是如果多次监听信道都忙，有可能表明信道上的数据量大，因此让节点等待更多的时间，避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道。超帧

MAC层当中还规定了两种信道接入模式，一种是信标(beacon)模式，另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种“超帧”的格式。超帧是MAC层中一个非常重要的概念，它可以用来描述信道接入资源的总体结构。每个协调器有自己的超帧，它是一个周期性的时间结构，分为活跃期和非活跃期两大部分。在活跃期，协调器需要进行数据发送，或者打开接收机接收数据或者准备接收数据；而在非活跃期，协调器可以关闭收发机以节省能量。超帧的结构

超帧的结构如图所示，分为活跃期（active）和非活跃期（inactive）。活跃期的超帧包括信标（Beacon）、竞争接入时期（ContentionAccessPeriod,CAP）和非竞争接入时期（ContentionFreePeriod,CFP）。整个活跃期划分为16个大小相等的时隙，在时隙0的开头，亦即超帧的开头，协调器发送自己的信标帧（信标当中包含了网络的各种信息，用于新设备接入网络，又由于它是周期性发送的，可用于进行设备之间的同步）。在超帧的开始发送信标帧，里面含有一些时序以及网络的信息；紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各节点以竞争方式接入信道；再后面是非竞争接入时期，节点采用时分复用的方式接入信道；然后是非活跃时期，节点进