過去若干年以來，無線組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速。但迄今為止，無線組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用主要集中在高速率和相對(duì)長距離方面；研究重點(diǎn)始終放在提高數(shù)據(jù)速率上，高了還要更高。例如，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展目標(biāo)始終是提高數(shù)據(jù)速率，從802.11～2Mbit/s到802.11a和802.11g的54Mbit/s(見圖1)，而低速率應(yīng)用一直談?wù)摰幂^少，但這并不說明低速率應(yīng)用不重要。事實(shí)上，低速率應(yīng)用比高速率應(yīng)用更貼近我們的日常生活。本文所要介紹的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)就是IEEE802.15工作組為低速率應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的一種無線組網(wǎng)技術(shù)。預(yù)期隨著802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的頒布以及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，低速率應(yīng)用將興旺起來，在我們的生活中扮演越來越重要的角色。

                                                                        
                                                                      圖1 無線組網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

一、低速率應(yīng)用場(chǎng)景

        有了802.15.4這一新標(biāo)準(zhǔn)，我們可以在各個(gè)方面開展許多新的應(yīng)用。例如，家庭、工廠、倉庫的自動(dòng)化控制；對(duì)安全、保健、環(huán)境等的監(jiān)視；通過情況感知和物資精確定位(PAL)對(duì)軍事行動(dòng)、消防隊(duì)員操作進(jìn)行指揮，對(duì)貨單進(jìn)行自動(dòng)更新，對(duì)庫存進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤；以及游戲和互動(dòng)式玩具等娛樂應(yīng)用。

        為了進(jìn)一步說明802.15.4將來會(huì)如何影響我們的生活，下面描述幾個(gè)可能的應(yīng)用場(chǎng)景。

１． 挽救生命

        人類始終面臨著各種威脅生命的因素。科學(xué)技術(shù)一方面大大提高了我們的生活質(zhì)量，但另一方面也加大了我們面臨的危險(xiǎn)。不管你如何小心，總有忘記關(guān)煤氣爐或者睡前忘鎖門的時(shí)候。這一疏忽輕則叫你破費(fèi)，重則危及生命。我們每天都要喝水，在任何時(shí)間都要呼吸空氣，如果不小心或者有人存心搗亂，水和空氣也會(huì)使我們受到污染，甚至中毒。還有許多其他威脅生命的因素，如火災(zāi)、水災(zāi)和地震等。所以，人類一直在構(gòu)建挽救生命的系統(tǒng)，但目前已有的許多系統(tǒng)實(shí)際上是無效的，有些太復(fù)雜、太昂貴，難以普及；有些因?yàn)殡姵匮杆俸谋M而很快不能工作；有些缺乏生命挽救系統(tǒng)最關(guān)鍵的聯(lián)網(wǎng)能力。由于具備連接簡(jiǎn)單器件(如傳感器和激活器等)的能力，802.15.4系統(tǒng)能監(jiān)視各種事件，當(dāng)需要時(shí)自動(dòng)采取相應(yīng)的行動(dòng)。作為一個(gè)為低速率、低成本和低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的全球標(biāo)準(zhǔn)，802.15.4很有希望應(yīng)用于上述各種情況。

２． 家庭自動(dòng)化

        為了把人們從日?，嵤轮薪夥懦鰜?，家庭自動(dòng)化是802.15.4最有吸引力的一種應(yīng)用。有了802.15.4之后，盡管你家里的器具來自不同廠家，但它們都能彼此溝通和合作。你可以如此配置你的家庭網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)你打開電視機(jī)時(shí)，燈光自動(dòng)減弱；當(dāng)電話鈴響起時(shí)或你拿起話機(jī)準(zhǔn)備打電話時(shí)，電視機(jī)自動(dòng)靜音。利用802.15.4還可以做更多的事。例如，你家里的每一個(gè)成員都可以有一個(gè)私人的電子輪廓(它可能是一個(gè)小小的符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的器件)，其他器件都可以通過檢測(cè)此輪廓而有所反應(yīng)?，F(xiàn)在，假如附近沒有其他輪廓或者你的輪廓具有最高優(yōu)先級(jí)，那么家里的燈光、溫度、音樂、電視節(jié)目和網(wǎng)站都將自動(dòng)按照你的喜好自動(dòng)設(shè)置。如果把你的私人輪廓放在你的口袋里，你還可以把自動(dòng)化帶到室外或你的辦公室里。為了讓你的輪廓達(dá)到上述效果，你并不需要完成復(fù)雜的配置，因?yàn)槟愕妮喞梢酝ㄟ^自學(xué)程序自動(dòng)構(gòu)成。

３．方便安全地行路

        如果沿著街道、高速公路及其他地方分布式地裝有大量路標(biāo)或其他簡(jiǎn)單設(shè)備，你就不再擔(dān)心會(huì)迷路。安裝在你汽車?yán)锏钠骷⒏嬖V你，你現(xiàn)在所處的位置，正向何處去。雖然從全球定位系統(tǒng)(GPS)也能獲得類似服務(wù)，但是這種新的分布式系統(tǒng)能夠向你提供更精確更具體的信息。即使在GPS覆蓋不到的樓內(nèi)或隧道內(nèi)，你仍能繼續(xù)使用此系統(tǒng)。事實(shí)上，你從這個(gè)新系統(tǒng)能夠得到比ＧＰＳ多得多的信息，如限速、前面那條街是單行線還是雙行線、前面每條街的交通情況或事故信息等。使用這種系統(tǒng)，還可以跟蹤公共交通情況，你可以適時(shí)地趕上下一班車，而不至于在寒風(fēng)中或烈日下在車站等上數(shù)十分鐘。基于這樣的新系統(tǒng)還可以開發(fā)出許多其他功能，例如在不同街道根據(jù)不同交通流量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)紅綠燈，追蹤超速的汽車或被盜的汽車等。應(yīng)用這一系統(tǒng)的關(guān)鍵問題包括成本、功耗和安全性，這正是802.15.4要解決的問題。

二、802.15標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

        在介紹802.15.4之前，先簡(jiǎn)要介紹一下IEEE802.15工作組正在定義的幾種不同的短距離無線技術(shù)。短距離無線技術(shù)原本是為支持個(gè)人域網(wǎng)(PAN)而開發(fā)的，但是它們的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。 

        802.15.1本質(zhì)上只是藍(lán)牙低層協(xié)議的一個(gè)正式標(biāo)準(zhǔn)化版本，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定工作仍由藍(lán)牙特別興趣組(SIG)在做，其成果將由IEEE批準(zhǔn)。原始的802.15.1標(biāo)準(zhǔn)基于藍(lán)牙1.1，在目前大多數(shù)藍(lán)牙器件中采用的都是這一版本。新的版本802.15.1a將對(duì)應(yīng)于藍(lán)牙1.2，它包括某些QoS增強(qiáng)功能，完全后向兼容。藍(lán)牙是第一個(gè)面向低速率應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，但是它的市場(chǎng)情況不太理想，其原因之一是受WiFi(802.11b) 的沖擊，WiFi產(chǎn)品的價(jià)格大幅度下降在某些應(yīng)用方面抑制了藍(lán)牙的優(yōu)勢(shì)。另一個(gè)原因是藍(lán)牙為了覆蓋更多的應(yīng)用和提供QoS使其偏離了原來設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的目標(biāo)，復(fù)雜使藍(lán)牙變得昂貴，不再適合那些要求低功率、低成本的簡(jiǎn)單應(yīng)用。另外它還存在可擴(kuò)展性方面的問題。 

      802.15.2是對(duì)藍(lán)牙和802.15.1的一些改變，其目的是減輕與802.11b和802.11g網(wǎng)絡(luò)的干擾。這些網(wǎng)絡(luò)都使用2.4GHz頻段，如果想同時(shí)使用藍(lán)牙和WiFi的話，就需要使用802.15.2或其他專有方案。 
 
        802.15.3也稱WiMedia，旨在實(shí)現(xiàn)高速率。最初它瞄準(zhǔn)的是消費(fèi)類器件，如電視機(jī)和數(shù)碼照相機(jī)等。其原始版本規(guī)定的速率高達(dá)55Mbit/s，使用基于802.11但不兼容的物理層。后來多數(shù)廠商傾向于使用802.15.3a(見圖1)，它使用超寬帶(UWB)的多頻段OFDM聯(lián)盟(MBOA)的物理層，速率高達(dá)480Mbit/s。打算生產(chǎn)802.15.3a產(chǎn)品的廠商成立了WiMedia聯(lián)盟，其任務(wù)是對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和貼牌，以保證標(biāo)準(zhǔn)的一致性。
 
        802.15.4也稱ZigBee，屬于低速率短距離的無線個(gè)人域網(wǎng)。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是低功耗(長電池壽命)、低成本和低速率。速率可以低至9.6kbit/s，不支持話音。 

        802.15.5還在制訂之中。其最終目標(biāo)是使網(wǎng)狀網(wǎng)能夠在媒體接入控制層形成，不再需要ZigBee或IP選路。
第6種現(xiàn)在尚未正式列入802.15標(biāo)準(zhǔn)，它將包括基于太赫茲輻射(即T射線)的無線網(wǎng)。T射線結(jié)合光和無線電的特性，理論上可達(dá)到幾個(gè)Gbit/s的速率。

三、802.15.4

        802.15.4包括用于低速無線個(gè)人域網(wǎng)（ZigBee）的物理層和媒體接入控制層兩個(gè)規(guī)范。它能支持消耗功率最少，一般在個(gè)人活動(dòng)空間（10 m直徑或更?。┕ぷ鞯暮?jiǎn)單器件。802.15.4支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌磫翁菭罨虍?dāng)通信線路超過10 m時(shí)的多跳對(duì)等拓?fù)?。但是?duì)等拓?fù)涞倪壿嫿Y(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)層定義。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在關(guān)聯(lián)過程中指配的16位短地址。一個(gè)802.15.4網(wǎng)可以容納最多216個(gè)器件。下面分別介紹802.15.4的主要特點(diǎn)。

１．工作頻段和數(shù)據(jù)速率 

        802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，它定義了兩個(gè)物理層，即2.4GHz頻段和868/915MHz頻段物理層。免許可證的2.4GHZ ISM頻段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM頻段分別只在歐洲和北美有。在802.15.4中，總共分配了27個(gè)具有三種速率的信道：在2.4GHz頻段有16個(gè)速率為250kbit/s（或62.5k symbol/s）的信道，在915MHz頻段有10個(gè)40kbit/s（或40k symbol/s）的信道，在868MHz頻段有1個(gè)20kbit/s（或20 ksymbol/s）的信道。ISM頻段全球都有的特點(diǎn)不僅免除了802.15.4器件的頻率許可要求，而且還給許多公司提供了開發(fā)可以工作在世界任何地方的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的難得機(jī)會(huì)。這將減少投資者的風(fēng)險(xiǎn)，與專門解決方案相比可以明顯降低產(chǎn)品成本。在保持簡(jiǎn)單性的同時(shí)，802.15.4還試圖提供設(shè)計(jì)上的靈活性。一個(gè)802.15.4網(wǎng)可以根據(jù)可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在２７個(gè)信道中選擇一個(gè)工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。例如，對(duì)于有些計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備與互動(dòng)式玩具，可能需要250kbit/s，而對(duì)于其他許多應(yīng)用，如各種傳感器、智能標(biāo)記和家用電器等，20kbit/s這樣的低速率就能滿足要求。

２．支持簡(jiǎn)單器件 

        802.15.4低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡(jiǎn)單器件。在802.15.4中定義了14個(gè)物理層基本參數(shù)和３５個(gè)媒體接入控制層基本參數(shù)，總共為49個(gè)，僅為藍(lán)牙的三分之一。這使它非常適用于存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力有限的簡(jiǎn)單器件。在802.15.4中定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡(jiǎn)化功能器件（RFD）。對(duì)全功能器件，要求它支持所有的49個(gè)基本參數(shù)。而對(duì)簡(jiǎn)化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數(shù)。一個(gè)全功能器件可以與簡(jiǎn)化功能器件和其他全功能器件通話，可以按三種方式工作，即用作個(gè)人域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡(jiǎn)化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡(jiǎn)單的應(yīng)用。

３．信標(biāo)方式和超幀結(jié)構(gòu) 

        802.15.4網(wǎng)可以工作于信標(biāo)使能方式或非信標(biāo)使能方式。在信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器定期廣播信標(biāo)，以達(dá)到相關(guān)器件同步及其他目的。在非信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器不定期地廣播信標(biāo)，而是在器件請(qǐng)求信標(biāo)時(shí)向它單播信標(biāo)。在信標(biāo)使能方式中使用超幀結(jié)構(gòu)，超幀結(jié)構(gòu)的格式由協(xié)調(diào)器來定義，一般包括工作部分和任選的不工作部分。

４．?dāng)?shù)據(jù)傳輸和低功耗

        在802.15.4中，有三種不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移：從器件到協(xié)調(diào)器；從協(xié)調(diào)器到器件；在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中從一方到另一方。為了突出低功耗的特點(diǎn)，把數(shù)據(jù)傳輸分為以下三種方式：

        •直接數(shù)據(jù)傳輸：這適用于以上所有三種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。采用無槽載波檢測(cè)多址與碰撞避免（CSMA-CA）或開槽CSMA-CA的數(shù)據(jù)傳輸方法，視使用非信標(biāo)使能方式還是信標(biāo)使能方式而定。

        •間接數(shù)據(jù)傳輸：這僅適用于從協(xié)調(diào)器到器件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。在這種方式中，數(shù)據(jù)幀由協(xié)調(diào)器保存在事務(wù)處理列表中，等待相應(yīng)的器件來提取。通過檢查來自協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀，器件就能發(fā)現(xiàn)在事務(wù)處理列表中是否掛有一個(gè)屬于它的數(shù)據(jù)分組。有時(shí)，在非信標(biāo)使能方式中也可能發(fā)生間接數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)提取過程中也使用無槽CSMA-CA或開槽CSMA-CA。

        •有保證時(shí)隙（GTS）數(shù)據(jù)傳輸：這僅適用于器件與其協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，既可以從器件到協(xié)調(diào)器，也可以從協(xié)調(diào)器到器件。在GTS數(shù)據(jù)傳輸中不需要CSMA-CA。

        低功耗是802.15.4最重要的特點(diǎn)。因?yàn)閷?duì)電池供電的簡(jiǎn)單器件而言，更換電池的花費(fèi)往往比器件本身的成本還要高。在有些應(yīng)用中，更換電池不僅麻煩，而且實(shí)際上是不可行的，例如嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設(shè)的大規(guī)模傳感器網(wǎng)。所以在802.15.4的數(shù)據(jù)傳輸過程中引入了幾種延長器件電池壽命或節(jié)省功率的機(jī)制。多數(shù)機(jī)制是基于信標(biāo)使能的方式，主要是限制器件或協(xié)調(diào)器之收發(fā)信機(jī)的開通時(shí)間，或者在無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使它們處于休眠狀態(tài)。

５．安全性

        安全性是802.15.4的另一個(gè)重要問題。為了提供靈活性和支持簡(jiǎn)單器件，802.15.4在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)實(shí)際是無安全性方式，對(duì)于某種應(yīng)用，如果安全性并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對(duì)于第二級(jí)安全性，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級(jí)不采取加密措施。第三級(jí)安全性在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）的對(duì)稱密碼。 

        AES可以用來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，但它不能防止攻擊者在通信雙方交換密鑰時(shí)通過竊聽來截取對(duì)稱密鑰。為了防止這種攻擊，可以采用公鑰加密。

６．自配置 

        802.15.4在媒體接入控制層中加入了關(guān)聯(lián)和分離功能，以達(dá)到支持自配置的目的。自配置不僅能自動(dòng)建立起一個(gè)星狀網(wǎng)，而且還允許創(chuàng)建自配置的對(duì)等網(wǎng)。在關(guān)聯(lián)過程中可以實(shí)現(xiàn)各種配置，例如為個(gè)人域網(wǎng)選擇信道和識(shí)別符（ID），為器件指配16位短地址，設(shè)定電池壽命延長選項(xiàng)等。

四、結(jié)語 

        802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與IEEE的其他無線標(biāo)準(zhǔn)（如WiFi和UWB）是互為補(bǔ)充的。例如，802.11面向基礎(chǔ)設(shè)施，藍(lán)牙面向移動(dòng)電話，而802.15.4是面向網(wǎng)絡(luò)的，它的明顯特點(diǎn)是低速率、低功耗、低成本、自配置和拓?fù)潇`活，主要支持其他標(biāo)準(zhǔn)不適用的低速率應(yīng)用。它不僅打開了大量新應(yīng)用之門，而且還能給許多現(xiàn)有的應(yīng)用增加價(jià)值。通過各種非常簡(jiǎn)單的器件就能夠聯(lián)網(wǎng)，802.15.4作為一個(gè)全球標(biāo)準(zhǔn)，為我們實(shí)現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件。

        與WiFi和WiMAX相類似，開發(fā)802.15.4產(chǎn)品的廠商成立了ZigBee聯(lián)盟。目前ZigBee聯(lián)盟正在針對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和更上層開展工作。ZigBee可能會(huì)成為802.15技術(shù)中最重要的一個(gè)。預(yù)計(jì)包含ZigBee的第一批器件將是可以遙控的熒光燈泡，該器件2004年底可以提供，其開關(guān)是可移動(dòng)的，人在暗處的任何地方都可把燈打開。這種應(yīng)用可能會(huì)很受消費(fèi)者的歡迎，但企業(yè)更感興趣的將是傳感器網(wǎng)。 

        ZigBee還可能提出第三種物理層UWB，但這是一個(gè)長遠(yuǎn)目標(biāo)，至今尚未標(biāo)準(zhǔn)化。UWB的主要優(yōu)點(diǎn)是功耗比802.15.4還低，允許器件不用電池。有人預(yù)測(cè)，UWB網(wǎng)狀網(wǎng)最終將由“智能塵粒”組成，是一種精微無線電，它通過納米技術(shù)風(fēng)車或光電池產(chǎn)生能量。UWB網(wǎng)狀網(wǎng)的應(yīng)用潛力很大，美國軍方已經(jīng)在測(cè)試UWB在遙測(cè)方面的應(yīng)用，現(xiàn)在主要問題是成本，目前低速低功率的UWB芯片組的價(jià)格至少為20美元，而ZigBee的價(jià)格目標(biāo)僅為幾美分。ZigBee聯(lián)盟相信，ZigBee芯片將像微處理器一樣無處不在，其應(yīng)用將遠(yuǎn)不止遙測(cè)遙控。