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1、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
2、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。 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
3、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。 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
4、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。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
5、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 network
6、s）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.
7、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
8、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
9、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
10、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。工作频段和数据速率802.15.4工作在工业科学医疗（IS
11、M）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
12、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。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
13、物理层基本参数和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。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。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
14、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
15、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。安全性安全性是802.15.4的另一
16、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
17、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。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
18、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。