發布日期：2022-05-11 點擊率：75
無線傳感器網絡作為一門面向應用的研究領域，在近幾年獲得了飛速發展。在關鍵技術的研發方面，學術界從網絡協議、數據融合、測試測量、操作系統、服務質量、節點定位、時間同步等方面開展了大量研究，取得豐碩的成果；工業界也在環境監測、軍事目標跟蹤、智能家居、自動抄表、燈光控制、建筑物健康監測、電力線監控等領域進行應用探索。隨著應用的推廣，無線傳感器網絡技術開始暴露出越來越多的問題。不同廠商的設備需要實現互聯互通，且要避免與現行系統的相互干擾，因此要求不同的芯片廠商、方案提供商、產品提供商及關聯設備提供商達成一定的默契，齊心協力實現目標。這就是無線傳感器網絡標準化工作的背景。實際上，由于標準化工作關系到多方的經濟利益甚至社會利益，往往受到相關行業的普遍重視，如何協調好各方利益，達成共識，需要參與各方擁有足夠的理解和耐心。
到目前為止，無線傳感器網絡的標準化工作受到了許多國家及國際標準組織的普遍關注，已經完成了一系列草案甚至標準規范的制定。其中最出名的就是IEEE 802．15．4／zigbee規范，它甚至已經被一部分研究及產業界人士視為標準。IEEE 802．15．4定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規范，zigbee則定義了網絡互聯、傳輸和應用規范。盡管IEEE802．15．4和zigbee協議已經推出多年，但隨著應用的推廣和產業的發展，其基本協議內容已經不能完全適應需求，加上該協議僅定義了聯網通信的內容，沒有對傳感器部件提出標準的協議接口，所以難以承載無線傳感器網絡技術的夢想與使命；另外，該標準在落地不同國家時，也必然要受到該國家地區現行標準的約束。為此，人們開始以IEEE 802．15．4／zigbee協議為基礎，推出更多版本以適應不同應用、不同國家和地區。
盡管存在不完善之處，IEEE 802．15．4／zigbee仍然是目前產業界發展無線傳感網技術當仁不讓的最佳組合。本文將重點介紹IEEE 802．15．4／zigbee協議規范，并適當顧及傳感網技術關注的其他相關標準。當然，無線傳感器網絡的標準化工作任重道遠：首先，無線傳感網絡畢竟還是一個新興領域，其研究及應用都還顯得相當年輕，產業的需求還不明朗；其次，IEEE 802．15／zigbee并非針對無線傳感網量身定制，在無線傳感網環境下使用有些問題需要進一步解決；另外，專門針對無線傳感網技術的國際標準化工作還剛剛開始，國內的標準化工作組也還剛剛成立。為此，我們要為標準化工作的順利完成做好充分的準備。
1． PHY／MAC 層標準
無線傳感器網絡的底層標準一般沿用了無線個域網（IEEE 802．15）的相關標準部分。無線個域網（Wireless Personal Area Network，WPAN）的出現比傳感器網絡要早，通常定義為提供個人及消費類電子設備之間進行互聯的無線短距離專用網絡。無線個域網專注于便攜式移動設備（如：個人電腦、外圍設備、PDA、手機、數碼產品等消費類電子設備）之間的雙向通信技術問題，其典型覆蓋范圍一般在10米以內。IEEE 802．15工作組就是為完成這一使命而專門設置的，且已經完成一系列相關標準的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網絡的底層標準IEEE 802．15．4。
（1） IEEE 802．15．4b規范
IEEE 802．15．4標準主要針對低速無線個域網（Low－Rate Wireless Personal Area Network，LR－WPAN）制定。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標（這和無線傳感器網絡一致），旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間低速互聯提供統一接口。由于IEEE 802．15．4定義的LR－WPAN網絡的特性和無線傳感器網絡的簇內通信有眾多相似之處，很多研究機構把它作為傳感器網絡節點的物理及鏈路層通信標準。
IEEE 802．15．4標準定義了物理層和介質訪問控制子層，符合開放系統互連模型（OSI）。物理層包括射頻收發器和底層控制模塊，介質訪問控制子層為高層提供了訪問物理信道的服務接口。圖1給出了IEEE 802．15．4層與層之間的關系以及IEEE 802．15．4／zigbee的協議架構，具體參考［1］
IEEE 802．15．4在物理（PHY）層設計中面向低成本和更高層次的集成需求，采用的工作頻率分為868MHz、915MHz和2．4GHz三種，各頻段可使用的信道分別有1個、10個、16個，各自提供20kb／s、40kb／s和250kb／s的傳輸速率，其傳輸范圍介于10米～100米之間。由于規范使用的三個頻段是國際電信聯盟電信標準化組 （ITUT， ITU Telecommunication Standardization Sector）定義的用于科研和醫療的ISM（Industrial Scientific and Medical）開放頻段，被各種無線通信系統廣泛使用。為減少系統間干擾，協議規定在各個頻段采用直接序列擴頻（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）編碼技術。與其他數字編碼方式相較，直接序列擴頻技術可使物理層的模擬電路設計變得簡單，且具有更高的容錯性能，適合低端系統的實現。
IEEE 802．15．4在介質訪問控制層方面，定義了兩種訪問模式。其一為帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA／CA）。這種方式參考無線局域網（WLAN）中IEEE802．11標準定義的DCF 模式，易于實現與無線局域網（WLAN， Wireless LAN）的信道級共存。所謂的CSMA／CA是在傳輸之前，先偵聽介質中是否有同信道（co－channel）載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數據傳輸狀態；若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。這種介質訪問控制層方案簡化了實現自組織（Ad Hoc）網絡應用的過程，但在大流量傳輸應用時給提高帶寬利用率帶來了麻煩；同時，因為沒有功耗管理設計，所以要實現基于睡眠機制的低功耗網絡應用，需要做更多的工作。
IEEE 802．15．4定義的另外一種通信模式類似于802．11標準定義的PCF 模式，通過使用同步的超幀機制提高信道利用率，并通過在超幀內定義休眠時段，很容易實現低功耗控制。PCF模式定義了兩種器件：全功能器件（Full－Function Device，FFD）和簡化功能器件（Reduced－function Device，RFD）。FFD設備支持所有的49個基本參數，而RFD設備在最小配置時只要求它支持38個基本參數。在PCF模式下，FFD設備作為協調器控制所有關聯的RFD設備的同步、數據收發過程，可以與網絡內任何一種設備進行通信。而RFD設備只能和與其關聯的FFD設備互通。在PCF模式下，一個IEEE 802．15．4網絡中至少存在一個FFD設備作為網絡協調器（PAN Coordinator），起著網絡主控制器的作用，擔負簇間和簇內同步、分組轉發、網絡建立、成員管理等任務。
IEEE 802．15．4標準支持星型和點對點兩種網絡拓撲結構，有16位和64位兩種地址格式。其中64位地址是全球唯一的擴展地址，16位段地址用于小型網絡構建，或者作為簇內設備的識別地址。IEEE 802．15．4b標準擁有多個變種，包括了低速超寬帶的IEEE 802．15．4a，及最近中國正在著力推進的IEEE 802．15．4c和IEEE 802．15．4e，以及日本主要推動的IEEE 802．15．4d，在這里就不深入討論了。
（2）藍牙（Bluetooth）技術
1998年5月，就在IEEE 802．15無線個域網工作組成立不久，五家世界著名的IT公司：愛立信（Ericsson）、IBM、英特爾（Intel）、諾基亞（Nokia）和東芝（Toshiba）聯合宣布了一項叫做“藍牙（Bluetooth）”的研發計劃。1999年7月藍牙工作組推出了藍牙協議1．0版，2001年更新為版本1．1，即我們熟知的IEEE 802．15．1協議。該協議旨在設計通用的無線空中接口（Radio Air Interface）及其軟件的國際標準，使通信和計算機進一步結合，讓不同廠家生產的便攜式設備具有在沒有電纜的情況下實現近距離范圍內互通的能力。計劃一經公布，就得到了包括摩托羅拉（Motorola）、朗訊（Lucent）、康柏（Compaq）、西門子（Simens）、3Com、TDK以及微軟（Microsoft）等大公司在內的近2000家廠商的廣泛支持和采納。
藍牙技術也是工作在2．4GHz的ISM頻段，采用快速跳頻和短包技術減少同頻干擾，保證物理層傳輸的可靠性和安全性，具有一定的組網能力，支持64Kbps的實時語音。藍牙技術日益普及，市場上的相關產品也在不斷增多，但隨著超寬帶技術、無線局域網及zigbee技術的出現，特別是其安全性、價格、功耗等方面的問題日益顯現，其競爭優勢開始下降。2004年藍牙工作組推出2．0版本，帶寬提高三倍，且功耗降低一半，在一定程度上重建了產業界信心。
由于藍牙技術與zigbee技術存在一定的共性，所以它們經常被應用于無線傳感器網絡中。
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