低速率应用的802.15标准介绍

过去若干年以来，无线组网技术发展迅速。但迄今为止，无线组网技术的应用主要集中在高速率和相对长距离方面；研究重点始终放在提高数据速率上，高了还要更高。无线组网技术就是网络组建技术，分为以太网组网技术和ATM局域网组网技术。以太网组网非常灵活和简便，可使用多种物理介质，以不同拓扑结构组网，是目前国内外应用最为广泛的一种网络，已成为网络技术的主流。以太网按其传输速率又分成10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s。细缆以太网10 BASE-2 10 BASE-2以太网是采用IEEE802.3标准，它是一种典型的总线型结构。采用细缆为传输介质，通过T型接头与网卡上的BNC接口相连的总线型网络。事实上，低速率应用比高速率应用更贴近我们的日常生活。

图1 无线组网技术标准

一、低速率应用场景

有了802.15.4这一新标准，我们可以在各个方面开展许多新的应用。通过情况感知和物资精确定位（PAL）对军事行动、消防队员操作进行指挥，对货单进行自动更新，对库存进行实时跟踪；以及游戏和互动式玩具等娱乐应用。

为了进一步说明802.15.4将来会如何影响我们的生活，下面描述几个可能的应用场景。

１。 挽救生命

人类始终面临着各种威胁生命的因素。科学技术一方面大大提高了我们的生活质量，但另一方面也加大了我们面临的危险。不管你如何小心，总有忘记关煤气炉或者睡前忘锁门的时候。这一疏忽轻则叫你破费，重则危及生命。我们每天都要喝水，在任何时间都要呼吸空气，如果不小心或者有人存心捣乱，水和空气也会使我们受到污染，甚至中毒。

２。 家庭自动化

现代自动控制技术、计算机技术和通信技术等手段，有助于 实现人们家务劳动和家务管理的自动化，大大减轻人们家庭生活中的操劳，节省人们的时间，提高人们的物质、文化生活水平。家庭自动化已是人类社会进步的重要标志之一。最早进入家庭的自动化设备有自动洗衣机和空气自动调节装置等。随着现代科学技术的发展和人们生活要求的提高，家庭自动化的范围也在日益扩大。家庭安全系统、家庭自动控制系统、家庭信息系统和家用机器人等，有的已达到实用水平，有的正处于研究改进阶段。家庭自动化系指利用微处理电子技术，来集成或控制家中的电子电器产品或系统，例如：照明灯、咖啡炉、电脑设备、保安系统、暖气及冷气系统、视讯及音响系统等。家庭自动化系统主要是以一个中央微处理机（Central Processor Unit，CPU）接收来自相关电子电器产品的讯息后，再以既定的程序发送适当的信息给其它电子电器产品。中央微处理机必须透过许多界面来控制家中的电器产品，这些界面可以是键盘，也可以是触摸式荧幕、按钮、电脑、电话机、遥控器等；消费者可发送信号至中央微处理机，或接收来自中央微处理机的讯号。

３。方便安全地行路

如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量路标或其他简单设备，你就不再担心会迷路。安装在你汽车里的器件将告诉你，你现在所处的位置，正向何处去。虽然从全球定位系统（GPS）也能获得类似服务，但是这种新的分布式系统能够向你提供更精确更具体的信息。即使在GPS覆盖不到的楼内或隧道内，你仍能继续使用此系统。事实上，你从这个新系统能够得到比ＧＰＳ多得多的信息，如限速、前面那条街是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。

二、802.15标准简介

在介绍802.15.4之前，先简要介绍一下IEEE802.15工作组正在定义的几种不同的短距离无线技术。短距离无线技术原本是为支持个人域网（PAN）而开发的，但是它们的潜力远远不止于此。

基于蓝牙的局域网（personal area networks）标准。IEEE 802.15是由 IEEE 制定的一种蓝牙无线通信规范标准，应用于无线个人区域网（WPAN）。IEEE 802.15具有以下特征，如短程、低能量、低成本、小型网络及通信设备，适用于个人操作空间。这是基于蓝牙的个域网（personal area networks）标准。IEEE802.15工作组内有四个任务组，分别制定适合不同应用的标准。802.15.1本质上只是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本，大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组（SIG）在做，其成果将由IEEE批准。原始的802.15.1标准基于蓝牙1.1，在目前大多数蓝牙器件中采用的都是这一版本。新的版本802.15.1a将对应于蓝牙1.2，它包括某些QoS增强功能，完全后向兼容。蓝牙是第一个面向低速率应用的标准，但是它的市场情况不太理想，其原因之一是受WiFi（802.11b） 的冲击，WiFi产品的价格大幅度下降在某些应用方面抑制了蓝牙的优势。另一个原因是蓝牙为了覆盖更多的应用和提供QoS使其偏离了原来设计简单的目标，复杂使蓝牙变得昂贵，不再适合那些要求低功率、低成本的简单应用。另外它还存在可扩展性方面的问题。

802.15.3也称WiMedia，旨在实现高速率。最初它瞄准的是消费类器件，如电视机和数码照相机等。其原始版本规定的速率高达55Mbit/s，使用基于802.11但不兼容的物理层。后来多数厂商倾向于使用802.15.3a（见图1），它使用超宽带（UWB）的多频段OFDM联盟（MBOA）的物理层，速率高达480Mbit/s。打算生产802.15.3a产品的厂商成立了WiMedia联盟，其任务是对设备进行测试和贴牌，以保证标准的一致性。

802.15.4也称ZigBee，属于低速率短距离的无线个人域网。它的设计目标是低功耗（长电池寿命）、低成本和低速率。速率可以低至9.6kbit/s，不支持话音。

第6种现在尚未正式列入802.15标准，它将包括基于太赫兹辐射（即T射线）的无线网。T射线结合光和无线电的特性，理论上可达到几个Gbit/s的速率。

三、802.15.4

随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米范围之内通信的需求，这样就出现了个人区域网络（personal area network, PAN）和无线个人区域网络（wireless personal area network, WPAN）的概念。WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。1998年3月，IEEE 802.15工作组。这个工作组致力于WPAN网络的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间（personal operating space, POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。 802.15.4, 即IEEE用于低速无线个人域网（LR-WPAN）的物理层和媒体接入控制层规范 。 该协议能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间（10 m直径或更小）工作的简单器件。支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10 m时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在关联过程中指配的16位短地址。一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。

１。工作频段和数据速率

802.15.4工作在工业科学医疗（ISM）频段，它定义了两个物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。免许可证的2.4GHZ ISM频段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有。在802.15.4中，总共分配了27个具有三种速率的信道：在2.4GHz频段有16个速率为250kbit/s（或62.5k symbol/s）的信道，在915MHz频段有10个40kbit/s（或40k symbol/s）的信道，在868MHz频段有1个20kbit/s（或20 ksymbol/s）的信道。ISM频段全球都有的特点不仅免除了802.15.4器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。在保持简单性的同时，802.15.4还试图提供设计上的灵活性。一个802.15.4网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在２７个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250kbit/s，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20kbit/s这样的低速率就能满足要求。

２。支持简单器件

802.15.4低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在802.15.4中定义了14个物理层基本参数和３５个媒体接入控制层基本参数，总共为49个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在802.15.4中定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。

３。信标方式和超帧结构

802.15.4网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使能方式中，协调器定期广播信标，以达到相关器件同步及其他目的。在非信标使能方式中，协调器不定期地广播信标，而是在器件请求信标时向它单播信标。

４。数据传输和低功耗

在802.15.4中，有三种不同的数据转移：从器件到协调器；从协调器到器件；在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点，把数据传输分为以下三种方式：

直接数据传输：这适用于以上所有三种数据转移。采用无槽载波检测多址与碰撞避免（CSMA-CA）或开槽CSMA-CA的数据传输方法，视使用非信标使能方式还是信标使能方式而定。

间接数据传输：这仅适用于从协调器到器件的数据转移。在这种方式中，数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的器件来提取。通过检查来自协调器的信标帧，器件就能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分组。有时，在非信标使能方式中也可能发生间接数据传输。在数据提取过程中也使用无槽CSMA-CA或开槽CSMA-CA。

有保证时隙（GTS）数据传输：这仅适用于器件与其协调器之间的数据转移，既可以从器件到协调器，也可以从协调器到器件。在GTS数据传输中不需要CSMA-CA。

低功耗是802.15.4最重要的特点。因为对电池供电的简单器件而言，更换电池的花费往往比器件本身的成本还要高。在有些应用中，更换电池不仅麻烦，而且实际上是不可行的，例如嵌在汽车轮胎中的气压传感器或高密度布设的大规模传感器网。所以在802.15.4的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制。多数机制是基于信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间，或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。

５。安全性

安全性是802.15.4的另一个重要问题。为了提供灵活性和支持简单器件，802.15.4在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全性方式，对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全性，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。

密码学中的高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES），又称高级加密标准Rijndael加密法，是美国联邦政府采用的一种区块加密标准。这个标准用来替代原先的DES，已经被多方分析且广为全世界所使用。经过五年的甄选流程，高级加密标准由美国国家标准与技术研究院 （NIST）于2001年11月26日发布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成为有效的标准。2006年，高级加密标准已然成为对称密钥加密中最流行的算法之一。该算法为比利时密码学家Joan Daemen和Vincent Rijmen所设计，结合两位作者的名字，以Rijndael之命名之，投稿高级加密标准的甄选流程。

６。自配置

802.15.4在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持自配置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星状网，而且还允许创建自配置的对等网。在关联过程中可以实现各种配置，例如为个人域网选择信道和识别符（ID），为器件指配16位短地址，设定电池寿命延长选项等。

四、结语

802.15.4标准与IEEE的其他无线标准（如WiFi和UWB）是互为补充的。例如，802.11面向基础设施，蓝牙面向移动电话，而802.15.4是面向网络的，它的明显特点是低速率、低功耗、低成本、自配置和拓扑灵活，主要支持其他标准不适用的低速率应用。它不仅打开了大量新应用之门，而且还能给许多现有的应用增加价值。通过各种非常简单的器件就能够联网，802.15.4作为一个全球标准，为我们实现无所不在的网络创造了条件。

与WiFi和WiMAX相类似，开发802.15.4产品的厂商成立了ZigBee联盟。目前ZigBee联盟正在针对网络层和更上层开展工作。ZigBee可能会成为802.15技术中最重要的一个。预计包含ZigBee的第一批器件将是可以遥控的荧光灯泡，该器件2004年底可以提供，其开关是可移动的，人在暗处的任何地方都可把灯打开。这种应用可能会很受消费者的欢迎，但企业更感兴趣的将是传感器网。

ZigBee还可能提出第三种物理层UWB，但这是一个长远目标，至今尚未标准化。UWB的主要优点是功耗比802.15.4还低，允许器件不用电池。有人预测，UWB网状网最终将由“智能尘粒”组成，是一种精微无线电，它通过纳米技术风车或光电池产生能量。