ZigBee之帧结构

Posted 2022-09-21 行云间

        IEEE 802.15.4/ZigBee帧结构的设计原则为在保证网络在有噪音的信道上以足够健壮性的传输的基础上将网络的复杂性降到最低。每一后继的协议层都是在其前一层添加或者剥除了帧头和帧尾而形成，IEEE 802.15.4的MAC层定义了4种基本帧结构。

1. 信标帧：协调器用以传输信标。
2. 数据帧：用于传输数据。
3. 响应帧：用于子确认帧已被成功的接收
4. MAC命令帧：用子处理所有MAC层对等实体的控制传输。

信标帧

       信标帧MPDU由MAC子层产生。在信标网络中，协调器通过向网络中的所有从设备发送信标帧，以保证这些设备能够同协调器进行同步（同步工作和同步休眠），以达到网络功耗最低（非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR必须长期处于工作状态）。其帧结构如下图所示。

       信标帧包含MAC服务数据单元(MSDU)、MAC头部(MHR)和MAC尾部(MFR)三部分。MSDU包含超帧域、未处理数据地址域、地址列表域、信标净荷域；MHR包含帧控制域、信标序列号和寻址信息域。MFR包含16bit的帧校验序列。

       当MAC层协议数据单元(MPDU)被发送到物理层(PHY)时，它便成为了物理层服务数据单元(PSDU)。如果在PSDU前面加上一个物理层帧头(PHR)便可构成物理层协议数据单元(PPDU)。如果再加上一个同步帧头(SHR)，则这个数据包便成为最终在空气中传播的数据包。

MSDU = 超帧域+ 示处理数据地址域 + 地址列表域 + 信标净荷域

MHR = 帧控制域+ 信标序列号 + 寻址信息域

MFR = 16BIT的帧校验序列FCS

MPDU = MHR + MSDU + MFR

MAC协议数据单元= MAC帧头 + MAC服务数据单元 + MAC帧尾

PPDU = PHR + PSDU + PFR

物理层协议数据单元 = 物理层帧头 + 物理层数据单元 + 物理层帧尾

空气中最终传播的数据包= PPDU + 同步帧头SHR

数据帧

       数据帧由高层（应用层）发起，在ZigBee设备之问进行数据传输的时候，要传输的数据由应用层生成，经过逐层数据处理后发送给MAC层，形成MAC层服务数据单元(MSDU)。通过添加MAC层帧头信息和帧尾，便形成了完整的MAC数据帧MPDU，其帧结构如下图所示。

       数据载荷传输到MAC子层就称之为MSDU,在MSDU的前面加上MHR，后面加上MFR就构成了MAC数据帧，也就是MPDU。其中MFR包含帧控制域、序列号和寻址信息域。MFR由16bitFCS构成。
       MPDU传输到物理层后就作为物理层数据静载荷，也就是PSDU。PSDU的前面加上SHR和PHR就形成了PPDU，其中SHR包含前导序列和SFD域；PHR由PSDU的长度值（字节表示）组成。

应用层生成要传输的数据——>逐层数据处理——>MSDU——>添加MHR、MFR——>MPDU——>PSDU——>添加SHR、PHR——>PPDU

SHR = 前导码序列 + SFD域

PHR = PSDU长度值

响应帧

       应答帧由MAC子层发起。为了保证设备之问通信的可靠性，发送设备通常要求接收设各在接收到正确的帧信息后返回一个应答帧，向发送设备表示已经正确的接收了相应的信息。其帧结构如下图所示。

       MAC子层应答帧由MHR和MFR组成。MHR包括MAC帧控制域和数据序列号；MFR由16bit的FCS组形成。

       MPDU传到物理层就形成物理应答帧的净载荷，即PSDU。在PSDU前面加上SHR和PHR就形成PPDU。其中SHR由前导码序列和SFD域构成；PHR由PSDU的长度值域构成。

MAC命令帧

       MAC命令帧由MAC子层发起。在ZigBee网络中，为了对设备的工作状态进行控制，同网络中的其他设备进行通信，MAC层将根据命令类型生成相应的命令帧。其帧结构如下图所示。

       MSDU由命令类域活命令数据域（命令净荷）构成。在MSDU前面加上MHR，后面加上MFR就形成MAC命令帧，也就是MPDU。其中，MHR包含MAC帧控制域、数据序列号和寻址信息域；MFR包含了16bitFCS。接着MPDU传输到物理层形成物理层命令帧静载荷，也就是PSDU。在PSDU的前面加上SHR和PHR就形成物理层命令风阻，也就是PPDU其中，SHR包含前导序列（保证接收机和符号同步）和SFD域构成；PHR包含PSDU的长度值（字节表示）。

MSDU = 命令类型域 + 数据域（命令净载荷）

MHR = MAC帧控制域 +　数据序列号 + 寻址信息域

MFR = 16bitFCS
MPDU = MHR + MSDU + MFR

超帧结构

       LR-WPAN标准中允许使用超帧结构。超帧格式由协调器定义。超帧由协调器发送并受网络信标的限制（如下图图），而且它还被分为16个大小相同的时隙。超帧的第一个时隙用来传输信标帧。如果协调器不希望使用超帧结构，它就不发送信标。

       信标在网络中用于设备之间的同步、区分PAN和描述超帧结构。任何设备想要在两个信标之间的竞争接入期(contention Access period，CAP)进行通信，就必须同其他设备采用时隙免冲突载波检测多路接入CSMA-CA机制进行竞争，所有的处理必须在下一个网络信标的到达之前完成。超帧有活动和不活动部分（网络休眠区和网络活动区）。在不活动部分，协调器与PAN之间不能发生联系，并进入低功耗模式。

       对于应用于低延迟或需要在特定数据带宽的情况下，PAN协调器可以用活动超帧的一部分来实现，这部分称为保证时隙(Guaranteed Time Slot GTS)。保证时隙（可有多个）形成了非竞争期（CFP），它始终出现在CAP之后和活动超帧之前。PAN协调器可分配七个GTS，而每个GTS时间不少于一个时隙。然而CAP的有效部分应当保留，使基于竞争的其它网络设备和新设备能接入网络。所有基于竞争的传输应当在CFP开始之前完成，同时每个工作在GTS时期的设备应当确保它的传输在下一个GTS开始和CFP的结束之前完成。


GTS：保证时隙：是活动超帧的一部分，为实现一些特殊应用开辟的

CAP：竞争接入期：任何设备想在此时通信，必须采用CSMA-CA竞争机制

CFP：非竞争期：由GTS组成，这段时期内不需竞争