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(zhǎng)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。無線組網(wǎng)技術(shù)就是網(wǎng)絡(luò)組建技術(shù)，分為以太網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)和ATM局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)。以太網(wǎng)組網(wǎng)非常靈活和簡(jiǎn)便，可使用多種物理介質(zhì)，以不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)，是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)，已成為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主流。以太網(wǎng)按其傳輸速率又分成10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s。細(xì)纜以太網(wǎng)10 BASE-2 10 BASE-2以太網(wǎng)是采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，它是一種典型的總線型結(jié)構(gòu)。采用細(xì)纜為傳輸介質(zhì)，通過T型接頭與網(wǎng)卡上的BNC接口相連的總線型網(wǎng)絡(luò)。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。

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。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?？茖W(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。

２。 家庭自動(dòng)化

現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等手段，有助于 實(shí)現(xiàn)人們家務(wù)勞動(dòng)和家務(wù)管理的自動(dòng)化，大大減輕人們家庭生活中的操勞，節(jié)省人們的時(shí)間，提高人們的物質(zhì)、文化生活水平。家庭自動(dòng)化已是人類社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。最早進(jìn)入家庭的自動(dòng)化設(shè)備有自動(dòng)洗衣機(jī)和空氣自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置等。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人們生活要求的提高，家庭自動(dòng)化的范圍也在日益擴(kuò)大。家庭安全系統(tǒng)、家庭自動(dòng)控制系統(tǒng)、家庭信息系統(tǒng)和家用機(jī)器人等，有的已達(dá)到實(shí)用水平，有的正處于研究改進(jìn)階段。家庭自動(dòng)化系指利用微處理電子技術(shù)，來集成或控制家中的電子電器產(chǎn)品或系統(tǒng)，例如：照明燈、咖啡爐、電腦設(shè)備、保安系統(tǒng)、暖氣及冷氣系統(tǒng)、視訊及音響系統(tǒng)等。家庭自動(dòng)化系統(tǒng)主要是以一個(gè)中央微處理機(jī)（Central Processor Unit，CPU）接收來自相關(guān)電子電器產(chǎn)品的訊息后，再以既定的程序發(fā)送適當(dāng)?shù)男畔⒔o其它電子電器產(chǎn)品。中央微處理機(jī)必須透過許多界面來控制家中的電器產(chǎn)品，這些界面可以是鍵盤，也可以是觸摸式熒幕、按鈕、電腦、電話機(jī)、遙控器等；消費(fèi)者可發(fā)送信號(hào)至中央微處理機(jī)，或接收來自中央微處理機(jī)的訊號(hào)。

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。

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。

基于藍(lán)牙的局域網(wǎng)（personal area networks）標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15是由 IEEE 制定的一種藍(lán)牙無線通信規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAN）。IEEE 802.15具有以下特征，如短程、低能量、低成本、小型網(wǎng)絡(luò)及通信設(shè)備，適用于個(gè)人操作空間。這是基于藍(lán)牙的個(gè)域網(wǎng)（personal area networks）標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15工作組內(nèi)有四個(gè)任務(wù)組，分別制定適合不同應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。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。

802.15.3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(zhǎng)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。

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

隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了在人自身附近幾米范圍之內(nèi)通信的需求，這樣就出現(xiàn)了個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（personal area network, PAN）和無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（wireless personal area network, WPAN）的概念。WPAN網(wǎng)絡(luò)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無線連接，把幾米范圍內(nèi)的多個(gè)設(shè)備通過無線方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至接入LAN或Internet。1998年3月，IEEE 802.15工作組。這個(gè)工作組致力于WPAN網(wǎng)絡(luò)的物理層（PHY）和媒體訪問層（MAC）的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目標(biāo)是為在個(gè)人操作空間（personal operating space, POS）內(nèi)相互通信的無線通信設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn)。POS一般是指用戶附近10米左右的空間范圍，在這個(gè)范圍內(nèi)用戶可以是固定的，也可以是移動(dòng)的。 802.15.4, 即IEEE用于低速無線個(gè)人域網(wǎng)（LR-WPAN）的物理層和媒體接入控制層規(guī)范 。 該協(xié)議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。支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，即單跳星狀或?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。

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)。

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)。

４。數(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(zhǎng)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。

密碼學(xué)中的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES），又稱高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)Rijndael加密法，是美國(guó)聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)用來替代原先的DES，已經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用。經(jīng)過五年的甄選流程，高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST）于2001年11月26日發(fā)布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成為有效的標(biāo)準(zhǔn)。2006年，高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)已然成為對(duì)稱密鑰加密中最流行的算法之一。該算法為比利時(shí)密碼學(xué)家Joan Daemen和Vincent Rijmen所設(shè)計(jì)，結(jié)合兩位作者的名字，以Rijndael之命名之，投稿高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)的甄選流程。

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(zhǎng)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(zhǎng)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。