About IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4-2003 was the initial release of the IEEE 802.15.4 standard. It provided for two different PHYs - one for the lower frequency bands of $868$ and $9154$ MHz, and the other for $2.4$ GHz. – ZigBee version

The 2006 release of the IEEE 802.15.4-2006 standard provided for an increase in the data rate achievable on the lower frequency bands. This release of the standard updated the PHY for $868$ and $915$ MHz. It also defined four new modulation schemes that could be used - three for the lower frequency bands, and one for $2.4$ GHz.

Physical Layer Overview

The PHY is responsible for:

Activation and deactivation of the radio transceiver;
ED within the current channel;
LQI for received packets;
CCA tasks for CSMA-CA;
Channel frequency selection;
Data transmission and reception.

The PHY Packet Fields

Preamble ($32$ bits) - synchronization
Start of packet Delimiter ($8$ bit)
PHY Header ($8$ bits) – PPDU length
Data field($0$ to $1016$ bits) – PPDU

Question - Preamble 是如何影响 synchronization 的?

Receiver Energy Detection (`ED`)

Estimation of the received signal power within the bandwidth of an IEEE 802.15.4 channel
No attempt is made to identify or decode signals on the channel;
The ED time should be equal to $8$ symbol periods;
The ED result shall be reported as an $8$ bit integer ranging from $0x00$ to $0xff$;
Intended for use by a network layer as part of channel selection algorithm.

How it takes for $1$ symbol period?

Symbol 是 802.15.4 协议中规定的一种时间单位, IEEE 802.15.4 在 $2.4$G、$915$M、$868$MHz 的 Symbol Rate 分別是 $62.5$(ksymbol/s)、$40$(ksymbol/s)、$20$(ksymbol/s). 数据速率分别是 $250$kb/s、$40$kb/s、$20$kb/s.

速率 $250$ kbps, 换算成 Byte 是 $31.25$ kBps, 换算成半字节就是一个 symbol, 就是 $62.5$ ksymbol.

IEEE 802.15.4 中规定 $32$ chip = $1$ symbol = $4$ bit = $1/2$ byte. 最主要的换算就是 $32$ chip = $4$ bit. 某些 IEEE 802.15.4 芯片可以做到 $1$ chip = $1$ bit, 传输速率可以提高 $8$ 倍.

Link Quality Indication (`LQI`)

Upon reception of a packet, the PHY sends the PSDU length, PSDU itself and link quality (LQ) in the PD-DATA.indication primitive;
LQI measurement is implemented using receiver ED, a signal-to-noise ratio estimation, or a combination of these methods;
The use of LQI result is up to the network or application layers;
reported as an integer ranging from $0x00$ to $0xff$.

Question - How could CC2420 (Contiki-NG) get its LQI?

Clear Channel Assessment (`CCA`)

CCA is performed according at least one of the following three methods:
- CCA Mode1: Energy above threshold.
  - CCA shall report a busy medium upon detecting any energy above the ED threshold;
- CCA Mode 2: Carrier sense only.
  - CCA shall report a busy medium only upon the detection of a signal with the modulation and spreading characteristics of IEEE 802.15.4. This signal may be above or below the ED threshold;
- CCA Mode 3: Carrier sense with energy above threshold.
  - CCA shall report a busy medium only upon the detection of a signal with the modulation and spreading characteristics of IEEE 802.15.4 with energy above the ED threshold.
For any of the CCA modes, if the PLME-CCA.request primitive is received by the PHY during reception of PPDU, CCA shall report a busy medium.
The PHY PIB attribute phyCCAMode indicates the appropriate operation mode
The CCA parameters are subject to the following criteria
- The ED threshold should be at most $10$ dB above the specified receiver sensitivity;
- The CCA detection time should be equal to $8$ symbol periods.

Media Access Layer Overview

The MAC is responsible for:

Supporting PAN association and disassociation.
Supporting device security communication.
Employing the CSMA-CA mechanism for channel access.
Handling and maintaining the GTS mechanism.
Providing a reliable link between two peer MAC entities.

When the MAC protocol is Beacon Enabled:

if the device is a coordinator:
- Generating network beacons;
else:
- Synchronizing to the beacons.

Basic Concepts

There are $2$ types of devices in IEEE 802.15.4:

Reduced function device (RFD)
Full function device (FFD)

FFD 与 RFD 的差别:

FFD 有能力成为协调者并选取一个频道建立新的网络, 而 RFD 只能透过向协调者注册并连结后才能使用网络;
并不是任何节点都有资格向协调者 (Coordinator) 提出 GTS 使用申请, 此节点必须属于 FFD 才可向协调者 (Coordinator) 要求保证传输时槽 (Time Slot) 使用权.

There are $3$ roles in IEEE 802.15.4 communication:

End device (RFD or FFD)
- 只具有简单的收发功能, 不能进行分组的转发;
Coordinator (FFD)
- 通常通过发送信标实现与周围节点的同步, 且具有转发分组的功能;
PAN Coordinator (FFD)
- 为整个网络的主控节点, 并且每个 IEEE 802.15.4 网络只能有一个网络协调点.

Notice - A coordinator must be able to act as both PAN coordinator and end device, even though it is neither. Coordinators can only exist in beacon enabled networks.

There are $2$ types of topologies:

Star topology
- 只存在一个协调点即网络协调点, 其它节点均为普通节点
Peer-to-peer topology
- 除了网络协调点和普通节点外, 还存在协调点, 任意两个在通信范围内的节点都可以相互通信.

There are $4$ types of frame structure. Notice that only the data frame has a close relationship with the upper layer.

Beacon Frame
- 信标帧, 能够实现协调点与周围节点间的同步并对超帧结构进行相应的描述, 同时节点可以通过信标帧识别各个网络.
Data Frame
- 数据帧, MAC 层数据协议单元 MPDU 的通用帧格式. 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.
Acknowledge Frame
- 确认帧, 最简单的 MAC 帧,不包含任何 Payload, 向发送设备表示已经正确的接收了相应的信息. ACK 帧非常小,只有 $5$ 个字节.
MAC Command Frame (Ver 2003)
- MAC 命令帧是细化了通用 MAC 帧的帧载荷域, 是这几种帧格式中较为复杂的. 在 IEEE 802.15.4 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.

There are $3$ types of communication methods:

普通节点到协调点
协调点到普通节点
对等节点间的业务传输

There are $3$ transmission methods:

Direct Transmission methods
Indirect Transmission methods
- 指当协调点要向节点传输数据或 MAC 命令帧时, 将要传输的信息存储到信息列表中, 等待节点发出数据请求命令后才可发送的传输方式.
Guaranteed Time Slot Methods (GTS)
- 对于实时业务, 节点间的通信可在预留时隙内直接进行.

IEEE 802.15.4 Identity & Address

PANID

PanID 唯一标识一个 Pan, 同一个 Pan 中的所有 device 使用同一个 PanID.
PanID 由两个字节组成, 其中 0xFFFF 表示广播地址. 当 MAC 帧首部的目的 PanID 字段为 OxFFFF 时, 表示这个帧是发给所有 Pan 的.
在实际应用中, PanID 一般由 Pan Coordinator 选取. Pan Coordinator 在发起一个 Pan 之前, 首先调用 MAC 层的 scan 原语, 执行 passive scan 和 active scan, 获得了周围节点使用的 PanID. Pan Coordinator 据此选择一个与周围节点不同的 PanID, 发起自己的 Pan.

Address

节点的 长地址 长度为 $64$ bit, 用于唯一标识一个节点. 在实际应用中, 一般把它存放在节点的 ROM 中, 它不会随网络拓扑的改变而改变. 节点的 短地址 长度为 $16$ bit, 它通常是在节点加入网络时, 由父节点分配的.

合法的短地址范围是 $0x0000$—$0xFFFD$.

$0xFFFE$ 表示节点已经加入了网络但没有从父节点处获得短地址, 这时节点只能用自己的长地址收发数据包, $0xFFFF$ 是广播地址, 节点加入网络时, 首先执行 passive scan 或 active scan, 收集周围 Coordinator 的信息.
然后选择一个 Coordinator 作为父节点, 并调用 MAC 层的 MLME-ASSOCIATE.request 原语加入网络.
这时父节点可以根据地址分配算法为子节点分配一个 $16$ 位短地址($0x0000$—$0xFFFD$), 或不分配地址(返回$0xFFFE$).
当子节点获得了短地址之后,就可以使用短地址传输数据包了.

使用短地址的好处在于它可以减少 MAC 报文头部地址字段的数据开销; 同时, 短地址可以提供路由信息. 例如, ZigBee 的短地址是按照树状拓扑来分配的, 因此可以很容易的根据短地址计算出树状路由中 MAC 层的下一跳地址.

与长地址不同, 短地址会因为节点的失效, 退出, 重新加入等原因而改变.

IEEE 802.15.4 MAC Behavior

MAC 层协议支持两种运行模式：

信标使能网络 (Beacon mode)
信标不使能网络 (Non-beacon mode)

信标使能模式下, 协议引入超帧的概念, 实现协调器和设备的时间同步、识别 PAN 及实现设备之间的通信.

PAN 通过定义信标帧的内容来实现对超帧的控制, 并周期性的广播.
网络采用严格的时间同步, 分时隙进行通信. 可以在 CAP (Contention Access Period)采用 Slotted CSMA/CA 协议进行通信, 在 CFP (Contention Free Periods) 采用时隙 GTS 机制进行通信.

在信标不使能模式下, 协议较为简单, 并不采用超帧结构, 设备通过 Unslotted CSMA/CA 机制发送数据.

In Contiki-NG - CSMA is Unslotted CSMA/CA.

Superframe

只有在启动信标的网络中才存在有 superframe. 在 IEEE 802.15.4 中, 可以选用超帧为周期组织 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) 开始, 在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包含超帧结构的信标帧后, 就可以根据其中的配置信息安排自己的任务. 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.
超帧的不活跃期间内, PAN 网络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阶段:
  - 信标帧发送阶段;
  - 竞争访问阶段(contention access period, CAP);
  - 非竞争访问阶段(contention-free access period, CFP).
- 超帧的活跃部分被划分为 $16$ 个等长的时槽 (slot), 每个时槽的长度, 竞争访问时段包含的时槽数等参数, 都由协调器决定, 并通过信标帧广播到整个网络.
在竞争访问时段, IEEE 802.15.4 网络设备使用 带时槽的 CSMA-CA 机制, 并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成.
在非竞争时段, 协调器根据上一个超帧期间 PAN 网络中设备申请 GTS (Guaranteed Time Slots) 的情况, 将非竞争时段划分为若干个 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.

GTS 是类似 TDMA 的技术

Beacon Order（BO）称信标级数, 它决定着信标的发送周期 Beacon Interval (BI)
$$
BI = aBaseSuperframeDuration \times 2^{BO}
$$

Superframe Order (SO) 称超帧级数, 它决定着超帧中活跃期持续的时间 Superframe Duration (SD)
$$
SD＝ aBaseSuperframeDuration \times 2^{SO}
$$

aBaseSuperframeDuration 为 MAC 协议 PIB 中的一个常量值, 它是当超帧级数为 $0$ 时形成一个超帧所占的符号数.

aBaseSuperframeDuration 被规定为 $960$ symbols；BO 的取值范围为 $0$ 到 $14$, 当 BO 为 $15$ 时, 表示不使用超帧结构；SO 的取值范围也是 $0$ 到 $14$, 但必须保证 SO 不大于 BO, 当 SO 等于 BO 时, 表示该超帧中不包含非活跃期.

Contention Access Period (CAP)

CAP开始于beacon帧之后, 结束于CFP开始之前的时隙边界上.
- 如果CFP长度为0, CAP结束于超帧活动区末端.
- CAP长度至少为aMinCAPLength个符号长度, 可以通过调节CFP长度动态的增加或减小CAP长度.
除了确认帧和紧跟因数据请求而发送的确认帧之后的数据帧以外, 所有在CAP内传输的帧都必须使用CSMA/CA机制访问信道.
设备在CAP内发送数据必须保证该传输事务结束时距CAP结束至少还有一个帧间间隔(Interframe spacing), 以保证接收方有时间处理该帧. 如果不能满足此条件, 该设备就应在延迟到下一个超帧的CAP内发送.

Contention-free Access Period (CFP)

CFP是为了保证某个设备的QoS而设置的. 它开始于CAP结束后的时隙边界上, 结束于超帧活动区域尾部.
如果PAN协调者分配了GTS, 这些GTS被放置在CFP内且占用连续的时隙.
CFP扩大或减小取决于所有GTS的总长度.
在GTS内传输数据不需要使用CSMA/CA机制接入信道.
设备在CFP内发送数据必须保证该传输事务结束时距它的GTS结束至少有一个帧间间隔.

Tree Extension

在树状拓扑结构时, 为了确保父节点和子节点的超帧不互相冲突. 子节点的Beacon会在父节点的SD结束后再等待一段基本保护时间(Guard Time), 然后发Beacon, 进入到子节点的SD.
同时子节点的SD必须在父节点的SD开始基本保护时间前结束.

Interframe Spacing (IFS)

MAC 层需要一定的时间来接受处理来自物理层的报文, 所以帧和帧之间必须有一定的间距.

协议中一共定义了三种帧间距, 分别是 AIFS, SIFS, LIFS.

AIFS

当 DATA 帧或者 MAC Command 帧需要 ACK 时, ACK 在至少延时 AlFS ($12$~$32$ symbols) 后发送.

SIFS

当前一个 DATA 或者 MAC Command 帧的长度小于等于 aMaxSIFSFrameSize ($18$) 时, 后一个帧至少延时 SIFS 发送. SIFS 的典型值为 $12$ symbols.

LIFS

当前一个 DATA 或者 MAC Command 帧的长度大于 aMaxSlFSFrameSize ($18$) 时, 后一个帧至少延时 LIFS 发送. LIFS 的典型值为 $40$ symbols.

CSMA/CA退避算法

IEEE 802.15.4 协议规定, 除了 Beacon 帧, ACK 帧和 data request 后面的 data 帧, 其余的帧在 CAF 阶段发送前都要使用 CSMA/CA 退避算法.

在 Beacon 模式下, CSMA/CA 是有时隙的, 发送报文或者 CCA 都应该在时隙的边界上.
在 No Beacon 模式下, CSMA/CA 是无时隙的. 时隙的典型值是 $20$ symbols, 称为 UnitBackoffPeriod.

这两种情况下, 算法都将在一个被称为 backoff 周期的时间单元内执行. 在非时隙模式的 CSMA/CA 中, 某一个结点的退避周期和 PAN 中任何其他的结点的退避周期没有关系.

CSMA/CA 算法将在数据帧发送或 CAP 中的 MAC 命令帧发送之前应用. 除非该帧可以快速的跟在数据请求命令的确认信息后发送.

Notice! CSMA/CA 不用于发送信标帧 Beacon、确认帧 ACK 或 CFP 中的数据帧.

NB (后退次数, Number Of Back)

记录的是已执行 back off 的次數, 每执行一次此值就会加 $1$. 如果遇到使用 CCA 去侦测频道为忙碌时, 就必须要重新去随机取一个 backoff, 而此时 NB 就会增加. NB 最大值为 $4$ 如果在这四次中侦测频道都为忙碌的话就放弃传送此资料, 其是为了避免系统有过大的负担.

CW (碰撞窗口的长度, Content Window Length)

其单位为 backoff period 在 IEEE 802.15.4 中的默认值为 $20$ 个 symbols. 其含义是必须执行几次侦测频道皆为闲置时才可将数据送出, 初始值为 $2$ 会随着侦测到频道闲置而递减.

BE (后退指数, Backoff Exponent)

是用來计算 Backoff 时间的一个参数. 其公式为:
$$
Backoff Time= 2^{BE} – 1.
$$

取值范围为 $0$～$5$, 协议推荐的默认值为 $3$, 最大值为 $5$. 当 BE 设为 $0$ 时, 则只进行一次碰撞检测.

Unslotted CSMA/CA Statues
- 结点初始状态为 IDLE, 如果有包要发送则进人 BACKOFF 状态, 成功发送非广播包后设置等待 ACK 最大时间定时器, 进入 WAITACK 状态；
- 如果结点等待 ACK 超时, 但包重传次数未超过标准规定的最大值, 则重新发送同一包, 进入 BACKOFF 状态；如果结点等待 ACK 超时, 且包重传次数超过标准规定最大值, 则此包发送终止, 进入 IDLE 状态；
- 如果结点在等待 ACK 的最大时间内收到正确的 ACK, 则此包发送过程结束, 进入 IDLE 状态.

非信标使能下数据由装置传送至协调器之模型
- 在非信标致能的网路中, 当装置有数据要传送给协调器时, 则须使用非时槽型的 CSMA/CA 机制(unslotted CSMA/CA)竞争信道的使用权, 当装置取得信道后, 可将数据传送至协调器, 协调器成功接收到数据后, 可选择性的传送确认帧给该装置, 如此即完成数据传送的动作.

在非信标使能下数据由协调器传送至装置的模型
- 在非信标致标致能网路中, 当协调器有数据要传送给装置时, 协调器会先将数据储存起來, 而且装置会使用非时槽型 CSMA/CA 机制传送数据请求命令帧.
- 当协调器成功接收数据请求命令帧后, 会回传一个确认帧告知装置是否有数据等候传送.
- 若有, 则协调器会使用非时槽型 CSMA/CA 机制传送数据给装置.
- 反之, 协调器则会传送零长度酬载 (zero-length payload) 的帧给装置.
- 当装置成功接收到数据后, 会回复一个确认帧给协调器, 如此一來便完成数据传送的动作.

Using CC2420 Auto_ACK to have a faster ACK reaction.

In the project-config.h,

/* 
Disable Contiki-NG's Soft_ACK;
Soft_ACK's length = 3 Byte
*/
#define CSMA_CONF_SEND_SOFT_ACK 0

/* 
Enable Hardware ACK - Page 41
CC2420 Hardware ACK's frame structure.
PHY Header (PHR) 
{frame length = 1} 
+ 
MAC Header (MHR) 
{Frame Control Field = 2, Data Sequence Number = 1}
+ 
MAC Footer (MFR)
{Frame Check Sequence (FCS) = 1}
*/
#define CC2420_CONF_AUTOACK 1

1 2	/* If hardware ACK, using the default value. */ #define CSMA_CONF_ACK_WAIT_TIME RTIMER_SECOND / 2500

1 2	/* If hardware ACK, using the default value. */ #define CSMA_CONF_AFTER_ACK_DETECTED_WAIT_TIME RTIMER_SECOND / 1500

About IEEE 802.15.4

Sihao(Leo) Li 发布于 2024-02-13

Physical Layer Overview

Receiver Energy Detection (`ED`)

Link Quality Indication (`LQI`)

Clear Channel Assessment (`CCA`)

Media Access Layer Overview

Basic Concepts

IEEE 802.15.4 Identity & Address

PANID

Address

IEEE 802.15.4 MAC Behavior

Superframe

Contention Access Period (CAP)

Contention-free Access Period (CFP)

Tree Extension

Interframe Spacing (IFS)

CSMA/CA退避算法

Leo

Physical Layer Overview

Receiver Energy Detection (ED)

Link Quality Indication (LQI)

Clear Channel Assessment (CCA)

Media Access Layer Overview

Basic Concepts

IEEE 802.15.4 Identity & Address

PANID

Address

IEEE 802.15.4 MAC Behavior

Superframe

Contention Access Period (CAP)

Contention-free Access Period (CFP)

Tree Extension

Interframe Spacing (IFS)

CSMA/CA退避算法

Leo

Receiver Energy Detection (`ED`)

Link Quality Indication (`LQI`)

Clear Channel Assessment (`CCA`)