重庆邮电大学 6LoWPAN调研报告
2.4、IEEE 802.15.4结构
IEEE 802.15.4结构分成多个模块来定义，这些模块称为层。每层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。模块的划分基于开放式系统互联七层模式。
各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。
LR-WPAN设备包含物理层和MAC层，物理层包括伴随着低等控制机制的射频收发机，MAC层为各种传输提供到达物理通道的接口。图2.3给这些模块的图解。
图2.3低速无线PAN设备结构
图3所示的高层，包括网络层和应用层，其中，网络层提供网络配置，操作信息路由，应用层提供设备的既定功能。IEEE 802.2 I类型逻辑链路控制层（LLC）能通过服务协议汇聚层（SSCS）访问MAC层。LR-PAN体系结构可以作为嵌入式设备或者要求外部设备（如个人计算机）支持的设备实现其功能。
每一层的服务主要完成两种功能：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。各项服务是通过服务原语来实现的，图2.4描述了原语的概念，在图中，描述了一个具有N个用户的网络中，两个对等用户以及他们与M层（或子层）对等协议实体建立连接的服务原语。
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图2.4服务原语
服务是由N用户和N层之间的信息流的描述来指定的。该信息流由离散的瞬时事件构成，以提供服务为特征。每个事件由服务原语组成，它将在一个用户的某一层，通过该层的服务接入点（SAP）与建立对等连接的用户的相同层之间传送。服务原语通过提供一种特定的服务来传输必需的信息。这些服务原语是一个抽象的概念，它们仅仅指出提供的服务内容，而没有指出由谁来提供这些服务。它的定义与其他任何接口的实现无关。
由代表其特点的服务原语和参数的描述来制定一种服务。一种服务可能有一个或多个相关原语，这些原语构成了与具体服务相关的执行指令。每种服务原语提供服务时，可能不带有传输信息，也可能带有多个传输必须的信息参数。
原语通常分为如下面4种类型：
—Request：请求原语从第N用户发送到它的第N层，请求服务开始。 —Indication：指示原语是从第N层向第N用户发送，指示对于第N用户有重要意义的内部N层的事件。该事件也许与一个远程服务请求逻辑相关，或者可能是由N层的内部事件引起。
—Response：响应原语是从第N用户向它的第N层来表示对用户执行上一条原语调用过程的响应。。
—Confirm：确认原语是由第N层向第N用户发送，用来传送一个或多个前面服务请求原语的执行结果。
2.4.1、物理层
物理层提供两种类型的服务：即通过物理层管理实体接口（PLME-SAP）对物理层数据和物理层管理提供服务。物理层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元来实现。
物理层的特征是启动和关闭无线收发器、能力检测、链路质量、信道选择、清除信道评估（CCA），以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。工作频率为下面不需申请的一个或多个频带上：
868–868.6 MHz (e.g., Europe) 868–868.6 MHz（欧洲）
902–928 MHz (e.g., North America) 902–928 MHz（北美）
2400–2483.5 MHz (worldwide) 2400–2483.5 MHz（全球）
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物理层负责以下工作： — 无线收发器的激活与释放 — 当前信道的能量检测（ED） — 接收链路服务质量指示（LQI）
— 冲突避免载波侦听多路接入（CSMA－CA）机制的清除信道评估（CCA） — 信道频率选择 — 数据发送和接收
IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准，即2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。这两个物理层都基于直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread SpeCTRum），使用相同的物理层数据包格式；区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一、无须申请的ISM频段。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更短的通信时延和工作周期，从而更加省电。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰，868MHz的传输速率为20kb/s，915MHz和40kb/s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较低，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。
2.4.1.1、物理层服务细则
物理层通过射频固件和RF硬件提供了一个从MAC子层到物理层无线信道的接口。在物理层种，包含一个物理层管理实体（PLME），该实体通过调用物理层管理功能函数，为物理层管理服务提供接口。同时，PLME也负责维护由物理层所管理的目标数据库，该数据库包含有物理层个域网络的基本信息（PIB）。
物理层的结构和接口如图2.5所示。
物理层通过两个服务接入点（SAP）提供两种服务：通过物理层数据服务接入点（PD－SAP）为物理层数据提供服务；通过物理层管理实体（PLME）服务接入点（PLME－SAP）为物理层管理提供服务。
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图2.5物理层参考模型
2.4.1.2、物理层协议数据单元的结构
物理层协议数据单元（PPDU）分组的结构中最左边的字段优先发送和接收。在多字节的字段中，优先发送或者接收最低有效字节，而在每一个字节中优先发送最低有效位（LSB）。同样，在物理层与MAC层之间的数据字段的传送也遵循这一规则。
每个物理层协议数据单元数据包都由以下几个基本的部分组成： ——同步包头（SHR）：允许接收设备锁定在比特流上，并与比特流保持同步。
——物理层包头PHR：包含帧长度的信息。
——物理层净荷：长度变化的净荷，携带MAC层的帧信息。 物理层协议数据单元结构将按照图2.6所描述的方式被格式化。
图2.6物理层协议数据单元的格式
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2.4.2、介质访问控制层
MAC层提供两种类型的服务：MAC层管理实体服务接入点(MLME-SAP)向MAC层数据和MAC层管理提供服务。MAC层数据服务可以通过PHY数据服务发送和接收MAC协议数据单元。
介质访问控制层的特征是：信标管理，信道接入，时隙管理，帧确认，发送确认帧，联合与分裂。此外，MAC层为应用合适的安全机制提供一些方法。
MAC层处理所有物理层无线信道的接入,其主要功能为： — 网络协调器产生网络信标； — 与信标同步；
— 支持个域网（PAN）链路的建立和断开； — 为设备的安全提供支持；
— 采用冲突避免的载波检测多路访问（CSMA-CA）机制访问信道； — 处理和维护保护时隙（GTS）机制；
— 在两个同等的MAC层实体之间提供一个可靠的通信链路。
2.4.2.1、 MAC层服务规范
MAC层在服务协议汇聚层和物理层之间提供了一个接口。从概念上说，MAC层包括一个管理实体，通常称为MAC层管理实体（MLME），该实体提供一个服务接口，通过此接口可调用MAC层管理功能。同时，该管理实体还负责维护MAC固有的管理对象的数据库。该数据库包含了MAC层的个域网信息数据库（PIB）。
图2.7描述了MAC层的结构和接口。
图2.7 MAC层参考模型
MAC层通过它的两个服务接入点提供两种不同的服务：
— MAC层数据服务,通过它的公共部分子层数据服务接入点（MCPS-SAP）
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