路由及高层标准 - 无线传感器网络标准化进展与协议分析

　　（3）家用射频（HomeRF）技术

　　家用射频工作组（Home Radio Frequency Working Group，HomeRF WG）成立于1998年3月，是由美国家用射频委员会领导的，首批成员包括：英特尔、IBM、康柏、3Com、飞利浦（Philips）、微软、摩托罗拉等公司，其主旨是在消费者能够承受的前提下，建设家庭中的互操作性语音和数据网络。家用射频工作组于1998 年即制定了共享无线访问协议（Shared Wireless Access Protocol SWAP），该协议主要针对家庭无线局域网。该协议的数据通信采用简化的IEEE 802.11协议标准，沿用了以太网载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）技术；其语音通信采用DECT（Digital Enhanced Cordless Telephony）标准，使用时分多址（TDMA）技术。家用射频工作频段是2.4GHz，最初支持数据和音频最大数据的传输速率为2Mbps，在新的家用射频2.x 标准中采用了WBFH（Wide Band Frequency Hopping 宽带跳频）技术，增加跳频调制功能，数据带宽峰值可达10Mbps，已经能够满足大部分应用。

　　2000年左右家用射频技术的普及率一度达到45%，但由于技术标准被控制在数十家公司手中，并没有像红外技术一样开放，特别是802.11b标准的出现，从2001年开始，家用射频的普及率骤然降至30%，2003年家用射频工作组更是宣布停止研发和推广，曾经风光无限的家用射频终于退出无线个域网的历史舞台，尤如昙花一现。

　　3. 路由及高层标准

　　在前面讨论的底层标准的基础之上，已经出现了一些包括了路由及应用层的高层协议标准，主要包括zigbee/IEEE 802.15.4、6LowPAN、IEEE1451.5（无线传感通信接口标准）等，另外，Z-Wave联盟、Cypress （Wireless USB传感器网络）等也推出了类似的标准，但是在专门为无线传感器网络设计的标准出来以前，zigbee无疑是最受宠爱的，也受到了较多的应用厂商的推崇，这里简单介绍一下。

　　（1） zigbee协议规范

　　zigbee联盟成立于2001年8月，最初成员包括：霍尼韦尔（Honeywell）、Invensys、三菱（MITSUBISHI）、摩托罗拉和飞利浦等，目前拥有超过200多个会员。zigbee 1.0（Revision 7）规格正式于2004年12月推出，2006年12月，推出了zigbee 2006（Revision 13），即1.1版，2007年又推出了zigbee 2007 Pro，2008年春天又有一定的更新。zigbee技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等诸多优点，目前是被普遍看好的无线个域网解决方案，也被很多人视为无线传感器网络的事实标准。

　　zigbee联盟对网络层协议和应用程序接口（Application Programming Interfaces，API）进行了标准化。zigbee协议栈架构基于开放系统互连模型七层模型，包含IEEE 802.15.4标准以及由该联盟独立定义的网络层和应用层协议。zigbee所制定的网络层主要负责网络拓扑的搭建和维护，以及设备寻址、路由等，属于通用的网络层功能范畴，应用层包括应用支持子层（Aplication Support Sub-layer，APS）、zigbee设备对象（zigbee Device Object，ZDO）以及设备商自定义的应用组件，负责业务数据流的汇聚、设备发现、服务发现、安全与鉴权等。

　　另外，zigbee联盟也负责zigbee产品的互通性测试与认证规格的制定。zigbee联盟定期举办ZigFest活动，让发展zigbee产品的厂商有一个公开交流的机会，完成设备的互通性测试；而在认证部分，zigbee联盟共定义了3种层级的认证：第一级（Level 1）是认证物理层与介质访问控制层，与芯片厂有最直接的关系；第二级（Level 2）是认证zigbee 协议栈（Stack），又称为zigbee兼容平台认证（Compliant Platform Certification）；第三级（Level 3）是认证zigbee产品，通过第三级认证的产品才允许贴上zigbee的标志，所以也称为zigbee标志认证（Logo Certification）。

　　协议芯片是协议标准的载体，也是最容易体现知识产权的一种形式。目前市场上出现了较多的zigbee芯片产品及解决方案，有代表性的包括：Jennic的JN5121/JN5139，Chipcon的CC2430/CC2431（被TI收购）及Freescale MC13192，Ember的EM250 zigbee等系列的开发工具及芯片，表 1对这些芯片指标进行了比较。

　　（2） IEEE 1451.5标准

　　除了以上两种通用规范以外，在无线传感器网络的不同应用领域，也正在酝酿着特定行业的专用标准，如电力水力、工业控制、消费电子、智能家居等。这里以工控领域为例简单讨论一下IEEE1451.X，当然工业标准纷繁复杂，最近正在制定专门面向工业自动化应用的无线技术标准ISA SP100，有很多中国工业及学术界同仁努力参与了该标准的制定工作。

　　IEEE1451标准族是通过定义一套通用的通信接口，以使工业变送器（传感器+执行器）能够独立于通信网络，并与现有的微处理器系统、仪表仪器和现场总线网络相连，解决不同网络之间的兼容性问题，并最终能够实现变送器到网络的互换性与互操作性。IEEE1451标准族定义了变送器的软硬件接口，将传感器分成两层模块结构。第一层用来运行网络协议和应用硬件，称为网络适配器（Network Capable Application Processor， NCAP）；第二层为智能变送器接口模块（Smart Transducer Interface Module， STIM），其中包括变送器和电子数据表格TEDS。IEEE1451工作组先后提出了五项标准提案（IEEE1451.1—IEEE1451.5），分别针对了不同的工业应用现场需求，其中IEEE1451.5为无线传感通信接口标准。

　　IEEE1451.5标准提案于2001年6月最新推出，在已有的IEEE1451柜架下提出了一个开放的标准无线传感器接口，以满足工业自动化等不同应用领域的需求。IEEE1451.5尽量使用无线的传输介质，描述了智能传感器与网络适配器模块之间的无线连接规范，而不是网络适配器模块与网络之间的无线连接，实现了网络适配器模块与智能传感器的IEEE 802.11、Bluetooth、zigbee无线接口之间的互操作性。IEEE1451.5提案的工作重点在于制定无线数据通信过程中的通信数据模型和通信控制模型。IEEE1451.5建议标准必须对数据模型进行具有一般性的扩展以允许多种无线通信技术可以使用，主要包括两方面：一是为变送器通信定义一个通用的服务质量（QOS）机制，能够对任何无线电技术进行映射服务，另外对每一种无线射频技术都有一个映射层用来把无线发送具体配置参数映射到服务质量机制中。关于该标准具体内容，这里就不再详细讨论了。

　　（3）.6LowPan草案

　　无线传感器网络从诞生开始就与下一代互联网相关联，6LowPan（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network）就是结合这两个领域的标准草案。该草案的目标是制定如何在LowPAN（低功率个域网）上传输IPv6报文。当前LowPAN采用的开放协议主要指前面提到的IEEE802.15.4 介质访问控制层标准，在上层并没有一个真正开放的标准支持路由等功能。由于IPv6是下一代互联网标准，在技术上趋于成熟，并且在LowPan上采用IPv6协议可以与IPv6网络实现无缝连接，因此互联网工程任务组（IETF， Internet Engineering Task Force，）成立了专门的工作组制定如何在802.15.4协议上发送和接收IPv6报文等相关技术标准。

　　在802.15.4上选择传输IPv6报文主要是因为现有成熟的IPv6技术可以很好地满足LowPan互联层的一些要求。首先在LowPan网络里面很多设备需要无状态自动配置技术，在IPv6邻居发现（Neighbor Discovery）协议里基于主机的多样性已经提供了两种自动配置技术：有状态自动配置与无状态自动配置。另外在LowPan网络中可能存在大量的设备，需要很大的IP地址空间，这个问题对于有着128位IP地址的IPv6协议不是问题；其次在包长受限的情况下，可以选择IPv6的地址包含802.15.4介质访问控制层地址。

　　IPv6与802.15.4协议的设计初衷是应用于两个完全不同的网络，这导致了直接在802.15.4上传输IPv6报文会有很多的问题。首先两个协议的报文长度不兼容，IPv6报文允许的最大报文长度是1280字节，而在802.15.4的介质访问控制层最大报文长度是127字节。由于本身的地址域信息（甚至还需要留一些字节给安全设置）占用了25个字节，留给上层的负载域最多102个字节，显然无法直接承载来自IPv6网络的数据包；其次两者采用的地址机制不相同，IPv6采用分层的聚类地址，由多段具有特定含义的地址段前缀与主机号构成；而在802.15.4中直接采用64位或16位的扁平地址；另外，两者设备的协议设计要求不同，在IPv6的协议设计时没有考虑节省能耗问题。而在802.15.4很多设备都是电池供电，能量有限，需要尽量减少数据通信量和通信距离，以延长网络寿命；最后，两个网络协议的优化目标不同，在IPv6中一般关心如何快速地实现报文转发问题，而在802.15.4中，如何在节省设备能量的情况下实现可靠的通信是其核心目标。

　　总之，由于两个协议的设计出发点不同，要IEEE802.15.4支持IPv6数据包的传输还存在很多技术问题需要解决，如报文分片与重组、报头压缩、地址配置、映射与管理、网状路由转发、邻居发现等，在这里就不再一一讨论了。

　　4. 国内标准化及国际化

　　近几年来，国内无线传感器网络领域的标准化工作在全国信息技术标准化技术委员会（简称信标委）推动下，取得了较大进展。信标委经过一年多的酝酿，于2005年11月29日组织国内及海外华人专家，在中国电子技术标准化研究所召开了第一次“无线个域网技术标准研讨会”，讨论了无线个域网标准进展状况、市场分析及标准制定等事宜，会议建议将无线传感器网络纳入无线个域网范畴，并成立了专门的兴趣小组（另外还有低速无线个域网、超宽带等兴趣小组），自此中国无线传感器网络标准化工作迈出了第一步。

　　工作组经过国内三十多个科研及产业实体近两年的共同努力，先后组织了八次全国范围的技术研讨会，提出了低速无线个域网使用的780MHz（779-787 MHz） 专用频段及相关技术标准，获得国家无管委的正式批准（日本使用950MHz、美国使用915MHz）。针对该频段，工作组提出了拥有自主产权的MPSK 调制编码技术，摆脱了国外同类技术的专利束缚。2008年3月3日到4日，工作组对《信息技术 系统间远程通信和信息交换 局域网和城域网特定要求第15.4部分：低速率无线个域网（WPAN）物理层和媒体访问控制层规范》意见函进行了投票，并通过了780MHZ工作频段采用MPSK和O-QPSK 调制编码技术提案作为低速率无线个域网共同可选（Co-alternative）的物理层技术规范（MPSK和O-QPSK分别由中国和美国相关团体提出，并各自拥有知识产权），即LR-WPAN可以采用MPSK和OQPSK其中之一，或共同使用，并最终将形成IEEE 802.15.4c标准。另外，由中国及华人专家主要负责起草的包括了MAC/PHY两层协议的IEEE 802.15.4e也在顺利推进中（在IEEE 802.15.4—2006 介质访问控制中加入工业无线标准支持ISA SP-100.11a，并兼容IEEE 802.15.4c）。这是国内标准化工作的一个重要进展，也是我国参与国际标准制定的重要一步。计算所是这个工作组的正式会员单位之一，参与了其中的一些工作。

　　最近，国内及国际无线传感器网络的标准化工作又取得了新的发展。首先，国标委已正式批复无线传感器网络从无线个域网工作组中分离出来，成立了直属于全国信息技术标准化管理委员会的无线传感器网络标准工作组（秘书处现挂靠微系统所，计算所作为其成员单位之一，将致力于该标准的制定工作）。工作组预计于2008年4月10日左右完成筹备工作，这标志着传感器网络的标准化工作向前迈进了一大步；其次，国际标准化组织也成立了ISO/IEC JTC1/SGSN研究小组，开始了传感器网络相关国际标准的制定。中国和美国、韩国、日本等国家一起作为重要成员单位参与其中。其第一次会议也将于2008年6月底在中国上海隆重召开。会议不但有国内外相关领域专家对其中若干关键问题展开技术讨论，也会有众多从事传感器网络应用的企业携最新产品参加展览。与此同时，各会员国将对传感器网络标准框架开展深入探讨，为标准草案的详细设计奠定基础。

　　标准是连接科研和产业的纽带，而芯片正是标准的最直接的实现形式。参与标准化工作，特别是参与国际标准的制定，对提升我国产品的竞争力和技术水平，占领行业制高点，有着举足轻重的作用。制定标准的最终目的还是为提升产业水平、满足产品国际化、保护自主知识产权、兼容同类或配套产品等方面提供便利。如果我们能参与无线传感器网络相关的国内和国际标准的制定，就会在本领域的芯片设计、方案提供及产品制造等方面获得有力保障。系统芯片作为标准最直接的体现形式，将是无线传感器网络应用系统的关键部件，不但是成本的主要决定因素，更是知识产权的主要体现形式。缺少产业的标准显得苍白无力，只是一纸空文；缺少芯片的标准制定显得有名无实，只是纸上谈兵。但是，目前国内在芯片设计及产业化（特别是射频芯片）方面的水平都较低，能力比较弱，这是无线传感器网络领域亟需取得突破的两个关键环节。标准制定和通信芯片是目前传感器网络领域的两个不可或缺的方面。