IEEE 802.15.4-Supframe 演講者：李嘉凱 指導教授：柯開維

Outline 無線感測網路 IEEE 802.15.4 Superframe CSMA/CA Reference

無線感測網路 無線感測網路（Wireless sensor network）是由許多在空間中分布的自動裝置組成的一種無線通訊計算機網路，這些裝置使用感測器協作地監控不同位置的物理或環境狀況（比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或污染物）。 無線感測網路主要包括三個方面：感應、通訊、計算（硬體、軟體、演算法）。 無線感測網路有著許多不同的應用。在工業界和商業界中，它用於監測數據，而如果使用有線感測器，則成本較高且實現起來困難。無線感測器可以長期放置在荒蕪的地區，用於監測環境變數，而不需要將他們重新充電再放回去。 無線感測網路的應用包括視頻監視，交通監視，航空交通控制，機器人學,汽車，家居健康監測和工業自動化。在環境監控中一個典型的應用就是感測網（Sensor Web，或SW）。最近，感測器網路是用來監視有效利用電力，如日本的例子。

IEEE 802.15.4 IEEE 802.15，WPAN為近距離無線通訊標準針對低速無線個人區域網路(Low Rate-Wireless Personal Area Network, LR-WPAN)，並由美國電機電子工程師協會(IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers)在 2003 年的夏天所通過的一項無線通訊協定。並隨即由ZigBee聯盟所認可。 IEEE 802.15.4標準是一個簡單但具彈性的封包資料通訊協定，能滿足簡單的服務品質需求，並為低資料傳輸速率的應用做到最佳化的設計。其主要優勢特徵包含： (1)  更持久的電池使用壽命 (2)  具彈性的網路架構 (3)  低複雜度的軟硬體設計方案。

IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 低速率無線個人區域網路（LR-WPAN） 主要的特點如下： 無線傳播的速率有三種：250kb/s，40kb/s，20kb/s 星狀或是點對點的網路 使用16-bit 的短位址 (short address) 或是64-bit 的延伸位址 (extended address） 具保證傳輸時槽（guarantee time slot，GTS） 配置 CSMA/CA 頻道存取通訊協定 所有訊框皆有錯誤偵測碼 CRC-16 以增加傳輸的可靠性 低功率消耗 能量偵測 連線品質偵測 2450MHz 頻段配置16 個頻道， 915MHz 頻段配置10 個頻道，868MHz 頻段配置1 個頻道

IEEE 802.15.4 、peer-to-peer 跟 mesh network

IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4的裝置種類： 全功能裝置(Full Function Device, FFD)：可使用於任何種類的拓樸網路並可成為網路協調者(PAN coordinator)。 簡化功能裝置(Reduced Function Device, RFD)：不能成為為網路協調者(PAN coordinator) 通常只和一個全功能裝置(FFD)通訊。但價格較便宜。

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4概括定義以下四種訊息架構： Beacon Frame：做為coordinotar與所屬device同步的重要訊息格式。 Data Frame：是用於傳送上層應用程式的資料。 Acknowledgment Frame：決定是否使用Acknowledgment Frame在於 IEEE 802.15.4 的上層應用程式的服務。 MAC Command Frame：除了傳送與接收資料外，如何參與一個網路，如何發出傳送資料的需求等，都需要靠MAC Command Frame來達成。

IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4概括定義以下四種訊息架構： Beacon Frame：做為coordinotar與所屬device同步的重要訊息格式。 Data Frame：是用於傳送上層應用程式的資料。 Acknowledgment Frame：決定是否使用Acknowledgment Frame在於 IEEE 802.15.4 的上層應用程式的服務。 MAC Command Frame：除了傳送與接收資料外，如何參與一個網路，如何發出傳送資料的需求等，都需要靠MAC Command Frame來達成。

Superframe 架構 Superframe 實際上為IEEE 802.15.4 的運作周期。該週期之起始與結束都是以協調者發出的Beacon做為指標。 但在non-Beacon mode下裝置間的資料傳輸就不是以Superframe的流程。 一個Superframe可以分為： 閒置部分(Inactive portion) : 進入省電模式 活躍部分(Active portion) :分成 16 [0~15]時槽(slot) 16 時槽可分為競爭期(Contention access period)與免競爭期(Contention free period) 而免競爭期中又將分割為數個保證(固定)時槽(guarantee time slots, GTS)

Superframe 架構 Superframe 架構由Beacon中的兩參數 (BO) 與 (SO) 控制： BO (Beacon Order)：決定superframe 的長度 SO (Superframe Order)：決定superframe中的活躍部分(active potion) 之長度 BO與SO 滿足不等式：0≦SO≦BO≦14 當SO=15時 ->不使用superframe架構 活躍(active)部分的長度被設定為： aBaseSuperframeDuration* 2 𝑠𝑜 symbols Superframe的長度被設定為： aBaseSuperframeDuration* 2 𝐵𝑂 symbols 應用(application)程式需要低延遲或固定速率時，可要求協調者給予免競爭期中的一些GTS供其使用。(GTS可大於一個slot。)

Superframe 架構(Beacon)

CSMA/CA algorithm 在IEEE 802.15.4中的CSMA/CA 演算法可以依據是否採用Beacon(Superframe)而分成兩種： slotted CSMA/CA slotted CSMA-CA 演算法使用的基本時間單位： Backoff Period (BP) = aUnitBackoffPeriod = 80 bits (0.32 ms) unslotted CSMA/CA

Reference IEEE 802 Working Group, “IEEE 802 Working Group, “Standard for Part 15.4:Wireless Medium Access Control (MAC)and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)”, ANSI/IEEE 802.15.4, April. 2012.