ZigBee 中的超帧结构

      超帧结构是由网络中的主协调器定义的，由网络信标来限定，超帧结构一般有活动区间和和静止区间两个部分组成，下面是一个超帧的结构实例：

 

图1 超帧结构示意图

   在无线个域网网络标准中，允许有选择性地使用超帧结构。超帧格式是由网络中的主协调器定义的。（有网络中的主协调器由网络中的主协调器来定义超帧的格式。）超帧由网络信标来限定，并由主协调器发送，超帧被分为16个大小相等的时隙，其中，第一个时隙为PAN的信标帧。信标帧在每一个超帧的第一个时隙中进行传输。如果主设备不使用超帧结构，那么，它将关掉信标的传输。信标主要用于使各从设备与主协调器同步、识别PAN以及描述超帧的结构。任何从设备如果想在两个信标之间的竞争接入期间（CAP）进行通信，则需要使用具有时隙和冲突载波检测多路接入（CSMA-CA）机制同其他设备进行竞争通信，只有在当前时隙获得信道访问权限的节点才能在该时隙内进行发送或接收帧。需要处理的所有事务将在下一个网络信标时隙前处理完成。在免竞争期(CFP)，数据的传输不使用CSMA-CA机制。只要节点分配了GTS，则节点就可以在该GTS包含时隙内直接进行数据的传输

为减小设备的功耗，将超帧分为两个部分，即活动部分和静止部分。在静止部分时，主协调器与PAN的设备不发生任何联系，进入一个低功率模式，以达到减小设备功耗的目的。

    在网络通信中，在一些特殊（如通信延迟小、数据传输率高）情况下，可采用PAN主协调器的活动超帧中的一部分来完成这些特殊要求。该部分通常称为保护时隙（Guaranteed Time Slot，GTS）。多个保护时隙构成一个免竞争时期（Contention Free Period ，CFP），通常，在活动超帧中，在竞争接入时期（Contention Access Period ，CAP）的时隙结束处后面紧接着CFP，PAN主协调器最多可分配7个GTS，每个GTS至少占用一个时隙。但是，在活动超帧中，必须有足够的CAP空间，以保证为其他网络设备和其他希望加入网络的新设备提供竞争接入的机会，但是所有基于竞争的事务必须在CFP之前执行完成，在一个GTS中，每个设备的信息传输必须保证在下一个GTS出没时隙或CFP结束之间完成。正是由于标准中定义的这种超帧结构，才保证了该协议具有极低的功耗特性。

    每个时隙的长度与超帧序号相关，信标间隙的长度与信标序号相关。超帧长度用SD表示，信标间隙用BI表示，超帧序号与信标序号分别用SO和BO表示。则SD和BI分别与SO和BO之间的关系可以用公式(1)表示。

1. GTS分配机制
    设备节点要使用GTＳ进行数据传输，必须向网络中的PAN协调器进行申请，发送GTS分配请求命令，GTS请求命令帧的GTS特性域的特性类型子域设置为１(表示GTS分配)，根据所需的GTS特性设置GTS时隙长度和方向。
    PAN协调器接收到GTS请求命令帧，将发送确认帧，对接收进行确认。然后，PAN协调器根据CAP中所剩余的长度和请求GTS长度，检查在当前超帧中是否有足够的容量。如果没有达到保护时隙的最大数目(在1超帧中最多分配7个GTS)，并且所需分配长度的GTS不会将CAP的长度减少到小于aMinCAPLength(IEEE 802.15.4规定的CAP最小长度)。只要PAN协调器能有效地提供足够的带宽，就会根据先来先服务(FCFＳ)的原则分配保护时隙。PAN协调器在信标帧中的GTS域说明GTS分配情况。设备节点在4个信标周期内，对接收到的信标帧的GTS域进行分析，判断是否被分配了GTS时隙。
2。GTS数据传输方式
    数据以GTS方式进行传输，MAC层将判断是否存在1个有效的保护时隙。如果设备是1个PＡＮ协调器，那么MAC层将判断协调器是否存在数据目的设备的接收保护时隙；如果不是PAN协调器，那么该设备MAC层将判断是否被分配了发送保护时隙。如果存在有效的保护时隙，MAC层将根据实际情况，产生一个延迟，直到该设备的有效接收保护到来，在保护时隙内，将数据发送到所指定的目标设备。这时，MAC层将以非CSMA-CA方式传输数据，整个传输和应答过程(如需要确认帧)应在该保护时隙内完成。
    假设GTS时隙长度为TS，数据帧的传输时间为Tdate，帧间隙为IFS(与数据帧的大小相关)，确认帧的传输时间为TACK，则它们之间的关系满足如下关系式：