GB/T 42402-2023 信息技术 系统间远程通信和信息交换 6TiSCH网络协议

　　ICS 35 . 1 10 CCS L 79

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 42402—2023

　　信息技术 系统间远程通信和信息交换

　　6TiSCH 网络协议

　　Information technology—Telecommunications and information

　　exchange between systems—6TiSCH network protocol

　　2023-03-17 发布 2023-10-01 实施

　　国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

　　

　　发

　　

　　布

　　GB/T 42402—2023

　　目 次

　　前言 I

　　1 范围 1

　　2 规范性引用文件 1

　　3 术语和定义 1

　　4 缩略语 3

　　5 总体描述 5

　　5 . 1 概述 5

　　5 . 2 6TiscH 网络架构 5

　　5 . 3 6TiscH 协议栈架构 6

　　6 6TiscH 协议栈组件 7

　　6 . 1 物理层 7

　　6 . 2 数据链路层 8

　　6 . 3 网络层 29

　　6 . 4 传输层 33

　　6 . 5 应用层 33

　　7 6TiscH 网络通信机制 34

　　7 . 1 接入与注册 34

　　7 . 2 网络同步 37

　　7 . 3 调度与管理 37

　　附录 A (资料性) 6TiscH 中时隙跳频模式及其设置 44

　　A. 1 时隙跳频信道跳频 44

　　A. 2 6TiscH 时隙跳频模式配置 44

　　A. 3 6TiscH 最小配置模式时隙跳频调度 45

　　参考文献 46

　　GB/T 42402—2023

　　前 言

　　本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

　　本文件由全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC28)提出并归口 。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

　　本文件起草单位:重庆邮电大学 、中国电子技术标准化研究院 、江苏赛西科技发展有限公司 、深圳赛西信息技术有限公司 、中国互联网络信息中心 、重庆邮电大学工业互联网研究院 、北京赛西科技发展有限责任公司 、北京华物科技有限公司 、北京东土科技股份有限公司 、东南大学 。

　　本文件主要起草人:张焱 、王婷 、郭雄 、魏昱 、韩延 、杨宏 、王平 、卓兰 、韦锦驹 、黄庆卿 、董子轩 、汪晶晶 、张弛 、延志伟 、程远 、蒲庞亘 、郭京龙 、冯乔琦 、凌振 、杨明 。

　　I

　　GB/T 42402—2023

　　信息技术 系统间远程通信和信息交换

　　6TiscH 网络协议

　　1 范围

　　本文件定义了基于 IEEE 802 . 15 . 4 时隙跳频模式的 6TisCH 网络结构与通信协议 。

　　本文件适用于工业现场级测量 、监视与控制应用的 IPv6 无线网络系统 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 9387 . 1—1998 信息技术 开放系统互连 基本参考模型 第 1 部分:基本模型

　　IEEE 802 . 15 . 4:2020 低速率无线网(Low-Rate Wireless Networks)

　　IEEE 802 . 15 . 4e: 2012 局域网和城域网 第 15 . 4 部分:低速率无线个域网(LR-WPAN)修订 1 : MAC子层(Local and metropolitan area networks—Part 15 . 4 : Low-Rate Wireless Personal Area Net-

　　works (LR-WPANs)—Amendment 1 : MAC sublayer)

　　IETF RFC 4944:2007 IPv6 包在 IEEE 802 . 15 . 4 网络上的传输(Transmission of IPv6 packets over IEEE 802 . 15 . 4 networks)

　　IETF RFC 6550 : 2012 RPL: IPv6 低功耗有损网络路由协议(RPL: IPv6 routing protocol for Low—Power and lossy networks)

　　IETF RFC 7252:2014 受限应用协议(CoAP)[The Constrained Application Protocol (CoAP)]

　　IETF RFC 8138:2017 低功耗无线个域网上 IPv6(6LoWPAN)路由报头[IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network (6LoWPAN) routing header]

　　IETF RFC8180:2017 6TisCH 网络最小配置模式[Minimal IPv6 over the TsCH mode of IEEE 802 . 15 . 4e (6TisCH) configuration]

　　IETF RFC 8200:2017 互联网协议 版本 6(IPv6)规范[Internet Protocol , version 6 (IPv6)

　　specification]

　　IETF RFC 8480:2018 6TisCH 操作子层(6top)协议(6P)[6TisCH Operation sublayer (6top) Protocol (6P)]

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件 。

　　3.1

　　6TiscH 网络 IPv6 over the TscH Mode of IEEE 802 . 15 .4

　　一种 IEEE 802 . 15 . 4 时隙跳频模式的 IPv6 无线网络 。

　　1

　　GB/T 42402—2023

　　3.2

　　确定性网络 deterministic network

　　能在有限的延迟内最大化数据包传递率以满足任务关键型机器对机器操作的网络 。

　　注 : 6TiscH 网络通过路径的预留以保证端到端的延迟和优化包传递率 。

　　3.3

　　6TiscH 操作子层 6TiscH operation sublayer

　　位于网络层和媒体访问控制层之间的逻辑链路控制子层 。 提供管理接 口 以供管理实体配置调度单元 。

　　3.4

　　时隙 timeslot

　　在工业无线网络中交换数据所采用的基本时间单位 。

　　注 : 工业无线网络中的时隙长度是可配置的 。

　　[GB/T 38618—2020 , 定义 3 . 22] 3.5

　　时隙偏移 timeslot offset

　　标识时隙跳频调度中特定时隙的序号 , 从当前时隙帧起始位置开始经过的时隙数目 。 3.6

　　信道偏移 channel offset

　　标识时隙跳频调度中特定信道的序号 , 取值受限于可用信道数 目 。根据依赖于绝对时间的特定函数 , 信道偏移值可被转换为用于设备通信的通信频率 , 实现跳信道 。

　　3.7

　　调度单元 cell

　　信道分配与使用矩阵中的传输资源单位 , 由时隙偏移和信道偏移共同标识 。

　　3.8

　　软调度单元 soft cell

　　可由 6TiscH 操作子层进行动态配置的调度单元 。

　　3.9

　　硬调度单元 hard cell

　　不能由 6TiscH 操作子层进行动态配置的调度单元 。

　　3 . 10

　　信道分配与使用矩阵 channel distribution and usage matrix

　　6TiscH 中用于描述格式化时间和频率的调度单元位置信息矩阵 。

　　3 . 1 1

　　组块 chunk

　　信道分配与使用矩阵中被全局节点已知 、分布在时间和频率上的调度单元的列表 。

　　3 . 12

　　待入网节点 pledge

　　尝试加入 6TiscH 网络的新设备 。

　　3 . 13

　　接入过程 join process

　　待入网节点发现网络和执行接入协议的整个过程 。

　　2

　　GB/T 42402—2023

　　3 . 14

　　接入协议 join protocol

　　包括身份验证 、授权和参数分配 , 允许待入网节点加入网络的协议 。

　　3 . 15

　　时隙跳频 time slotted channel hopping

　　为了避免干扰和衰减 , 按照一定规律 , 在每个时隙改变收发频率 。

　　[GB/T 26790 . 1—2011 , 定义 3 . 1 . 40]

　　3 . 16

　　轨迹 track

　　从 6TiScH 源节点到目的节点的有向路径 。

　　3 . 17

　　增强信标 enhanced beacon

　　包含信息元素(而不是超帧规范)的信标 , 用于描述网络的各种属性 。

　　3 . 18

　　信息元素 information element

　　媒体访问控制报头末尾由类型—长度—值字段组成 , 并用于在层或设备之间传递数据的域 。

　　3 . 19

　　调度函数 scheduling function

　　控制调度单元的动态属性以适应可变流量的动态变化的调度单元管理实体 。

　　3 . 20

　　入网代理 join proxy

　　为待入网节点和入网注册器间连接提供转发的 6TiScH 网络节点 。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件 。

　　AcK:确认(Acknowledgement)

　　AL:应用层(Application Layer)

　　ALDE:应用层数据实体(Application Layer Data Entity)

　　ALDE-SAP:应用层数据实体服务访问点(ALDE Service Access Point)

　　ALME:应用层管理实体(Application Layer Management Entity)

　　ALME-SAP:应用层管理实体服务访问点(ALME Service Access Point)

　　ASN:绝对时隙号(Absolute Slot Number)

　　BE:回退指数(Backoff Exponent)

　　cDUM:信道分配与使用矩阵(channel Distribution and Usage Matrix)

　　coAP:受限应用协议(constrained Application Protocol)

　　coJP:约束连接协议(constrained Join Protocol)

　　cSMA/cA:带冲 突 避 免 的 载 波 侦 听 多 路 访 问 (carrier Sense Multiple Access with collision Avoidance)

　　DAc:重复地址确认(Duplicate Address confirmation)

　　DAR:重复地址请求(Duplicate Address Request)

　　3

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　　DIO: DODAG信息对象(DODAG Information Object)

　　DLL:数据链路层(Data Link Layer)

　　DODAG: 目标导向的有向无环图(Destination Oriented Directed Acyclic Graph)

　　ECN:显式拥塞指示(Explicit Congestion Notification)

　　ICMPv6:互联网控制报文协议第六版(Internet Control Message Protocol version 6)

　　ID标识(Identifier)

　　IE:信息元素(Information Element)

　　IP互联网协议(Internet Protocol)

　　JRC:入网注册器/协调器(Join Registrar/Coordinator)

　　LLN:低功耗有损网络(Low-power and Lossy Network)

　　MAC:媒体访问控制(Medium Access Control)

　　MLDE: MAC子层数据实体(MAC Sublayer Data Entity)

　　MLDE-SAP: MAC子层数据实体服务访问点(MLDE Service Access Point)

　　MLME: MAC子层管理实体(MAC Sublayer Management Entity)

　　MLME-SAP: MAC子层管理实体服务访问点(MLME Service Access Point)

　　ND:邻居发现(Neighbor Discovery)

　　NL:网络层(Network Layer)

　　NLDE:网络层数据实体(Network Layer Data Entity)

　　NLDE-SAP:网络层数据实体服务访问点(NLDE Service Access Point)

　　NLME:网络层管理实体(Network Layer Management Entity)

　　NLME-SAP:网络层管理实体服务访问点(NLME Service Access Point)

　　NME:网络管理实体(Network Management Entity)

　　OF: 目标函数(Objective Function)

　　OSI:开放系统互连(Open Systems Interconnection)

　　PAN个人域(Personal Area Network)

　　PCE:路径计算单元(Path Computation Element)

　　PHY:物理层(Physical Layer)

　　PIB:个域网信息库(Personal Area Network Information Base)

　　PLDE:物理层数据实体(Physical Layer Data Entity)

　　PLDE-SAP:物理层数据实体服务访问点(PLDE Service Access Point)

　　PLME:物理层管理实体(Physical Layer Management Entity)

　　PLME-SAP:物理层管理实体服务访问点(PLME Service Access Point)

　　PSk:预共享密钥(Pre-Shared key)

　　QoS:服务质量(Quality of Service)

　　RF-SAP:射频服务访问点(Radio Frequency Service Access Point)

　　RPL:低功耗 有 损 网 络 IPv6 路 由 协 议 (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Net- works)

　　SAP:服务访问点(Service Access Point)

　　TL:传输层(Transport Layer)

　　TLDE:传输层数据实体(Transport Layer Data Entity)

　　4

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　　TLDE-sAP:传输层数据实体服务访问点(TLDE service Access Point)

　　TLME:传输层管理实体(Transport Layer Management Entity)

　　TLME-sAP:传输层管理实体服务访问点(TLME service Access Point)

　　TsGI:时间同步全局实例(Time synchronization Global Instance)

　　UDP:用户数据报协议(User Datagram Protocol)

　　6BBR:6LoWPAN骨干路由器(6LoWPAN Backbone Router)

　　6LBR:6LoWPAN边界路由器(6LoWPAN Border Router)

　　6LN:6LoWPAN节点(6LoWPAN Node)

　　6LoWPAN:基于 IPv6 的低功耗无线个域网 (IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Net- work)

　　6LR:6LoWPAN路由器(6LoWPAN Router)

　　6P:6top协议(6top Protocol)

　　6TLDE:6top数据实体(6top Data Entity)

　　6TLDE-sAP:6top数据实体服务访问点(6TLDE service Access Point)

　　6TLME:6top管理实体(6top Management Entity)

　　6TLME-sAP:6top 管理实体服务访问点(6TLME service Access Point)

　　6top:6TiscH 操作子层(6TiscH Operation sublayer)

　　5 总体描述

　　5 . 1 概述

　　6TiscH 网络融合了 IPv6 技术与 IEEE 802 . 15 . 4 时隙跳频模式通信技术 , IPv6 技术支持无线节点连接到基于 IP的网络 , IEEE 802 . 15 . 4 时隙跳频模式可保证链路的确定性 。

　　5 . 2 6TiscH 网络架构

　　6TiscH 网络架构如图 1 所示 , 6TiscH 网络组成需要考虑下列要求:

　　a) 6TiscH 网络从逻辑上包含有一个或多个 MEsH 型 LLN子网 , 这些 LLN 以时隙跳频模式同步运行 ;

　　b) 多个 6TiscH 网络可通过 IPv6 骨干网实现互联以及同步 , 可通过边界路由器接入外部 IPv6网络 , 利用连接到充当 RPL根和/或 6LoWPAN 6LBR节点的路由注册器 , 可将 6TiscH 网络通过骨干网连接到更大的外部网络 ;

　　c) 根据 6TiscH 网络中各设备在网络运行中承担的逻辑角色:

　　1) 加入 6TiscH 网络的无线节点设备 ;

　　2) 网络互联与管理设备 。 6LBR 为特殊的 6TiscH LLN 节点 , 6LBR 充当 RPL根节点 、 6LoWPAN头部压缩终止 、连接外部网络的 LLN边界路由 。 6BBR为代表 6TiscH 节点在骨干网上执行代理 IPv6 ND操作的路由注册器 , 6BBR在沿骨干网的传感网一侧放置 ,并对多个无线链路聚合以形成单一多链路子网 。 多个 6BBR通过骨干网彼此同步 , 以确保 IPv6 子网的多个 LLN保持紧密同步 。PcE 以高效和非冲突的方式协调单个链路上的通信 , NME负责远程监控和设备调度以及资源管理 , 并与 PcE交互从而优化受限设备的交互次数和负载 。

　　5

　　GB/T 42402—2023

　　图 1 6TiscH 网络架构

　　5 . 3 6TiscH协议栈架构

　　6TiscH 网络协议栈参考模型符合 GB/T 9387 . 1—1998 OsI参考模型 , 采用分层设计架构 , 但自底向上只定义 PHY层 、DLL层 、NL层 、TL层和 AL层 。DLL层包括 MAc和 6tOp(6TiscH操作子层) 。图 2 所示为 6TiscH 网络协议栈与 OsI参考模型的映射关系 。

　　6TiscH 规范了一组支持以集中式或分布式方式实现时隙跳频调度相关的协议 , 6TiscH 网络PHY层基于 IEEE 802 . 15 . 4:2020 协议 , MAc子层基于 IEEE 802 . 15 . 4:2020 时隙跳频 MAc, NL层混合 6LOWPAN、IPv6 、RPL、IcMPv6 等协议 , TL层采用 UDP协议 , AL层基于 cOAP协议 。 6tOp 是6TiscH 中定义的逻辑链路控制子层 , 为基于 IEEE 802 . 15 . 4 时隙跳频模式传输的 IPv6 数据包提供适配 。

　　6TiscH 协议栈参考模型给定的协议组件和/或技术选择并不一定最优 , 针对具体应用 , 可对协议组件和/或技术选择进行组合 、替换以构建不同解决方案 。

　　图 2 6TiscH 网络协议层与 OsI 参考模型的映射关系

　　6

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　　6TiSCH 协议栈结构的概念略图见图 3 o 图 3 中白色部分为 6TiSCH 协议栈内容,6TiSCH 协议栈结构包括 :

　　a) 协议层:包括 PHY层 、DLL层(包括 MAC子层和 6top 子层) 、NL层 、TL层 、AL层 ;

　　b) 协议层内部实体:包括各层的数据实体(PLDE、MLDE、6TLDE、NLDE、TLDE、ALDE)和管理实体(PLME、MLME、6TLME、NLME、TLME、ALME) ;

　　c) 协 议 层 接 口 : 包 括 层 与 层 之 间 的 SAP, 具 体 指 数 据 实 体 SAP(PLDE-SAP、MLDE-SAP、 6TLDE-SAP、NLDE-SAP、TLDE-SAP、ALDE-SAP) , 以 及 管 理 实 体 SAP( PLME-SAP、 MLME-SAP、6TLDE-SAP、NLME-SAP、TLME-SAP、ALME-SAP) o 此外, PHY 层有访问物理媒体的 RF-SAPo

　　图 3 6TiscH协议栈结构的概念略图

　　协议栈每一层都实现一部分功能,并向高层提供服务o PHY层通过 RF-SAP访问物理媒体,通过PLDE-SAP向 MAC子层提供数据服务,通过 PLME-SAP 向 MAC子层提供管理服务o DLL层中的MAC子层通过 MLDE-SAP 向 6top 提供数据服务, MAC子层通过 MLME-SAP 向 6top 提供管理服务 o DLL层中的 6top 子层通过 6TLDE-SAP向 NL层提供数据服务,通过 6TLME-SAP向 NL层提供管理服务o NL层通过 NLDE-SAP向 TL层提供数据服务,通过 NLME-SAP向 TL层提供管理服务o TL层通过 TLDE-SAP向 AL层提供数据服务,通过 TLDE-SAP 向 AL层提供管理服务o AL层通过ALDE-SAP向用户应用提供数据服务,通过 ALME-SAP向用户应用提供管理服务o

　　6 6TiscH协议栈组件

　　6 . 1 物理层

　　6 . 1 . 1 概述

　　6TiSCH 协议栈基于 IEEE 802 . 15 . 4:2020 标准构建 PHY层o

　　6 . 1 . 2 物理层功能要求

　　6TiSCH 协议栈的 PHY层应符合 IEEE 802 . 15 . 4:2020 中第 10 章规定的物理层的一般功能要求o PHY层执行射频模块开启和关闭 、通信信道的选择 、链路质量指示以及通过物理媒介发送和接收数据

　　7

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　　等任务 。

　　6 . 1 . 3 物理层服务规范

　　6 . 1 . 3 . 1 物理层参考模型

　　物理层参考模型以及相关的组件和接口如图 4 所示 。

　　图 4 物理层参考模型以及相关的组件和接口

　　6TiSCH 协议栈 PHY层由 PLDE和 PLME构成 。 PHY 层通过射频固件和射频硬件提供 MAC子层和物理媒介之间的接口 , 通过 RF-SAP在物理发射信道上收发 PHY 协议数据单元 。PLDE-SAP支持在点对点 MAC子层的实体之间传输 MAC协议数据单元 。PLME-SAP允许管理命令在 MLME和 PLME之间进行传送 。PLME维护一个与 PHY层相关的数据组成的物理层 PIB。

　　6 . 1 . 3 . 2 物理层常数

　　物理层常数定义了物理层特征 , 物理层常数在 IEEE802 . 15 . 4 : 2020 的 11 . 2 中规范 。这些常数依赖于硬件 , 在运行期间不能更改 。

　　6 . 1 . 3 . 3 物理层 PIB

　　物理层 PIB 包 括 了 管 理 一 个 设 备 的 物 理 层 所 需 的 属 性 , 物 理 层 PIB 中 包 含 的 属 性 定 义 在IEEE 802 . 15 . 4 : 2020 的 11 . 3 中规范 。

　　物理层 PIB属性可通过使用 MLME-GET和 MLME-SET原语对 MLME-SAP进行访问 。PIB只读属性 可 由 上 层 协 议 使 用 MLME-GET. request 原 语 进 行 读 取 , 其 他 PIB 属 性 可 由 上 层 协 议 使 用MLME-GET. request原语进行读操作和使用 MLME-SET. request原语进行写操作 。

　　6 . 2 数据链路层

　　6 . 2 . 1 概述

　　6TiSCH 协议栈的 DLL层基于 IEEE 802 . 15 . 4 : 2020 时隙跳频 MAC子层 , 并对其进行了扩展 , 定义了 6top 子层 。

　　DLL层使用 PHY层提供的服务接口 , 向其用户提供时钟同步 、时隙操作 、数据传输和系统管理服务 , 主要任务是保证 6TiSCH 节点间的可靠 、安全 、无误 、实时地传输 。

　　6 . 2 . 2 数据链路层参考模型

　　数据链路层服务参考模型以及相关的组件和接口如图 5 所示 。

　　8

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　　图 5 数据链路层参考模型以及相关的组件和接口

　　6TiSCH协议栈 DLL层由 MLDE、6TLDE、MLME和 6TLME构成 。DLL层提供了 NL层和 PHY层之间的接口 , DLL层中的 MAC子层负责数据帧的发送和接收 , 6top子层定义了通信资源分配等 。

　　MAC子层通过 MLDE-SAP为 6top 提供数据服务 , 通过 MLME-SAP为数据链路子层提供管理服务 。6top 子层通过 6TLDE-SAP为更高次层提供数据服务 , 通过 6TLME-SAP为更高次层提供管理服务 。MLME维护一个与 MAC子层相关的数据组成的 MAC PIB。

　　6 . 2 . 3 MAC子层

　　6 . 2 . 3 . 1 MAC子层功能要求

　　6TiSCH 网络的 MAC子层采用基于时隙帧的时隙跳频机制 , 支持数据帧无碰撞 、实时可靠地发送与接收 。MAC子层的功能包括信标管理 、信道访问 、时隙管理 、帧验证 、带确认的帧发送 、发送连接和断开请求 , 以及为实现适合于应用程序的安全机制提供服务 。

　　6 . 2 . 3 . 2 时隙跳频 MAC工作机制

　　6 . 2 . 3 . 2 . 1 时隙帧

　　6TiSCH 网络通信采用严格时间同步的时隙通信方式 。 网络中的所有节点都是时间同步的 , 网络时间被格式化成时隙 , 要求每个时隙长度可保证节点间进行一次帧发送和 ACK 回复 。 节点应遵循时分多址方式进行通信 。 时隙化通信方式减少冲突 , 节省能量 , 保证通信确定性 。

　　时隙跳频网络通信采用时隙帧取代超帧 。 时隙帧包含对等方之间的已定义的通信周期 , 与超帧不同 , 时隙帧和设备在时隙帧中分配的时隙最初可通过信标进行通信 , 但是通常在设备加入网络时由上层协议配置 。

　　时隙帧结构如图 6 所示 , 时隙帧是一定数量时隙组成的循环 , 采用 ASN对时隙进行计数 。根据时隙帧长度和 ASN, 可计算出时隙帧内对应的时隙偏移 。

　　图 6 时隙帧结构

　　9

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　　时隙帧长度根据不同应用需求调整 , 根据参与方设备的共享时间 自动重复 , 并且不需要信标来初始化通信 。在特定的时间间隔内 , 时隙数目决定时隙帧的重复速度 , 时隙数目越少 , 则时隙帧长度越短且时隙帧重复越快 , 进而可用带宽增加 , 但功耗也相应增加 。

　　与超帧不同 , 时隙帧没有信标帧界定帧起始 , 时隙内的数据收发按照 IEEE 802 . 15 . 4e: 2012 中5 . 1 . 4. 2a. 1 规定的时隙通信方式进行 。

　　6 . 2 . 3 . 2 . 2 信道跳频

　　信道跳频是一种抗多径衰落和信道干扰的技术 。 节点对的通信频率是绝对时隙和信道偏移的函数 , 通信频率 f 由公式(1)计算 。

　　f =F[(S +CO)%Cn] …………………………( 1 )

　　式中:

　　F — 表查找函数 , 表项由可用信道组成 , 表项长度等于可用信道数目 ;

　　% — 取余 ;

　　S — 绝对时隙 ;

　　CO — 信道偏移 ;

　　Cn — 可用信道数 。

　　被调度节点对的信道偏移和 ASN保持一致 , 其通信频率相同 。在时隙帧下一个周期 , 节点对的通信频率随着绝对时隙和信道偏移的改变而改变 。选取不同的信道偏移 , 同一时隙可同时进行多个通信 。信道跳频示例见附录 A 的 A. 1 。

　　时隙跳频模式在共享链路上通信时采用 CSMA/CA算法进行发送和重传 。 当共享链路中遇到传输失败时 , CSMA/CA设置 BE为最小值 , 然后 MAC子层数据发送以共享链路为单位进行回退 , 回退数目为[0 , 2 BE —1]区间中的一个随机数 。 共享链路重传再次失败时 , BE加 1 , 直到达到最大回退值 。共享链路重传成功时 , BE再次初始化为最小值 。 当重传次数达到设定门限值 , MAC子层停止重传并通知上层 。

　　6 . 2 . 3 . 2 . 3 时隙跳频通信

　　时隙跳频通信模型如图 7 所示 , 融合了时分多址和频分多址两种方式 。 网络中所有节点共享相同时间和信道信息 , 通信资源以 ASN和信道偏移为基础划分 , 信道偏移按照[0 , 1 , 2 , …]依次进行编号 ,信道偏移最大取值受限于可用信道数目 , 可采用黑名单将低质量信道进行屏蔽 。调度单元(cell)分配给MAC子层进行单播或广播通信 , 时隙跳频通信由时隙 、信道偏移以及动作属性表征 , 即安排节点在特定时隙内的动作 , 如发送 、接收或者睡眠 。例如 , 图 7 中 , 在 ASN=2 内 , 发送端 C 与接收端 A在信道 0完成收发动作 , 同时发送端 B 与接收端 D在信道 15 完成收发动作 。

　　图 7 时隙跳频通信模型

　　10

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　　6 . 2 . 3 . 2 . 4 信道分配与使用矩阵

　　6TisCH 可支持 IPv6 在 MAC子层上尽最大努力(随机)传输,该 MAC子层也支持调度(确定性)传输 。 围绕调度传输定义一个时间窗,在该时间窗中,宜尽可能地没有能量争用,以确保当调度传输时刻到来时,没有争用分组 。

　　获得这样一个窗口的一个简单方法是将时间和频率格式化为等时长传输的调度单元 。

　　CDUM 是一个调度单元矩阵,用于描述该格式化的时间和频率,矩阵的高度等于可用信道数(按信道偏移量索引),其宽度(以时隙为单位)等于该 CDUM 的网络调度操作周期(由时隙偏移索引) 。

　　多个模型适用于对调度单元的使用进行调度,这些模型通过中央控制器或设备自身避免冲突,并以额外的能耗代价搜索空闲调度单元 。

　　一个调度单元的大小等于时隙持续时间,10 ms~15 ms是时隙跳频模式运行的 IEEE低速率无线网络适应单轮传输的典型值,该时间包括接收端的安全验证时间 。

　　CDUM 采用跳频序列进行迭代更新 。在特定的网络中,可能有多个不同宽度的 CDUM,它们具有不同的持续时间,表示不同的周期操作 。6TisCH 中所有 CDUM 应采用相同的调度单元持续时间工作并对齐,以减少来自时隙 ALOHA操作的干扰 。CDUM 知识在所有节点之间共享,特别地用于定义时隙帧 。

　　时隙帧是一个通用于所有节点的 MAC级别的抽象概念,它包含一系列具有相同长度和优先级的时隙 。 时隙帧具有时隙帧 ID和时隙帧大小两项特征 。 时隙帧将其参数对齐到 CDUM,如时隙的数量和持续时间 。

　　多个时隙帧可共存于节点调度中,例如,一个节点可在不同的时隙帧中调度多个活动 。 时隙帧关联一个优先级,该优先级与不同 6TisCH 拓扑的优先级相关 。 时隙帧可对齐到不同的 CDUM,因此具有不同的宽度 。通常有一个具有最高优先级的调度流量的时隙帧,以及一个或多个用于 RPL流量时隙帧 。 时隙帧中的时隙由时隙偏移索引,第一个调度单元的时隙偏移为 0 。

　　当对从上层协议接收到数据包进行传输时,6top 将该数据包插入到与数据包最匹配的输出队列中(可使用 IETF RFC2474 : 1998 的差异化服务) 。在每个预定的传输时隙,6top 在所有输出队列中查找与调度单元最匹配的帧 。 时隙跳频 MAC传输查找到的帧 。

　　6 . 2 . 3 . 2 . 5 调度单元预留分配

　　6TisCH 网络以组块方式一次性为整个组的调度单元分配频谱 。CDUM 被格式化为系列组块,每个组块由组块 ID唯一标识 。该格式化信息在 6TisCH 网络中所有节点之间共享 。它可在接入过程中传递,或者编入配置文件,或者采用其他机制获得 。

　　6TisCH 允许占用调度单元所有权, RPL父节点可发现在其干涉域中未使用的组块并声明它 。组块是在该流程中使用的所有权基本单元 。

　　组块所有权占用过程导致 RPL父节点拥有独占权限来决定所占用组块中的特定调度单元可被其干涉域中的特定节点使用 。 即,它被隐式地委托了管理由组块表示的部分 CDUM 的权限 。

　　这些调度单元最初被添加到空闲调度单元的堆中,然后动态地放入现有调度束或者新调度束中,或者适时地分配给单次传输 。PCE在调度单元分配中预期具有优先权,从而 RPL父节点只能获得 PCE未使用的部分 。

　　6 . 2 . 3 . 3 MAC子层服务规范

　　6 . 2 . 3 . 3 . 1 MAC子层常数

　　MAC子层常数定义了 MAC子层特征, MAC子层常数在 IEEE 802 . 15 . 4:2020 的 8 . 4. 2 中规范 。

　　11

　　GB/T 42402—2023

　　6 . 2 . 3 . 3 . 2 MAC子层 PIB

　　MAC子层 PIB包括了管理一个设备的 MAC子层所需的属性 , MAC子层 PIB 中包含的属性定义在 IEEE 802 . 15 . 4:2020 的 8 . 4. 3 中规范 。

　　PIB只读属性为只能由 MAC子层进行设置 , PIB只读属性可由上层协议使用 MLME-get. request原语进行读取 , 其他 PIB属性可由上层协议使用 MLME-GET. request原语进行读操作和使用 MLME- sET. request原语进行写操作 。

　　6 . 2 . 3 . 3 . 3 MAC数据服务

　　MAC子层数据服务规范见 IEEE 802 . 15 . 4e:2012 中的 8 . 3 。

　　6 . 2 . 3 . 3 . 4 MAC管理服务

　　MAC子层管理服务规范见 IEEE 802 . 15 . 4e:2012 中的 8 . 2 。

　　6 . 2 . 4 6top 子层

　　6 . 2 . 4 . 1 6top 功能要求

　　6top 的功能包括:

　　a) 提供 6TisCH 中时隙跳频 MAC上 IP链路的抽象 , 使得上层 6LoWPAN报文 、RPL报文以及IPv6 报文能够在时隙跳频模式下进行传输 。

　　b) 为时隙跳频调度单元构建调度管理实体 , 实现集中式和分布式调度管理:

　　1) 定义邻居节点间调度单元的添加 、删除 、重置等操作 , 在时隙跳频调度单元上进行数据包调度 ;

　　2) 提供一组管理接口 , 以支持上层对时隙跳频调度单元的调度管理 。

　　为实现上述功能 , 6top 执行 6P协议 , 以及一个或多个调度函数 。 6P协议是由 6top 提供的服务之一 , 规定了邻居节点间以协商方式添加 、删除 、或重置调度单元的方式 , 从而实现 6TisCH 网络分布式调度管理 。调度函数定义了关于如何添加 、删除调度单元的规则 。

　　6 . 2 . 4 . 2 调度单元类型

　　网络中通信资源分为时间资源和频率资源 。 以时隙和信道偏移为基本单位 , 整个网络可表示为时分多路复用/频分多路复用矩阵 。

　　IEEE 802 . 15 . 4e:2012 中 6 . 4. 3 . 3 . 2 的 macLinkTable表定义了一组调度单元的可选项 , 即发送调度单元 、接收调度单元 、共享调度单元或计时调度单元 。一个 cell 可使用多个可选项进行限定 , cell 可选项取值为:

　　b0 = 发送