無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門面向應(yīng)用的研究領(lǐng)域，在近幾年獲得了飛速發(fā)展。在關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)方面，學(xué)術(shù)界從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、測(cè)試測(cè)量、操作系統(tǒng)、服務(wù)質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步等方面開展了大量研究，取得豐碩的成果；工業(yè)界也在環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事目標(biāo)跟蹤、智能家居、自動(dòng)抄表、燈光控制、建筑物健康監(jiān)測(cè)、電力線監(jiān)控等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用探索。隨著應(yīng)用的推廣，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始暴露出越來(lái)越多的問(wèn)題。不同廠商的設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，且要避免與現(xiàn)行系統(tǒng)的相互干擾，因此要求不同的芯片廠商、方案提供商、產(chǎn)品提供商及關(guān)聯(lián)設(shè)備提供商達(dá)成一定的默契，齊心協(xié)力實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。這就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作的背景。實(shí)際上，由于標(biāo)準(zhǔn)化工作關(guān)系到多方的經(jīng)濟(jì)利益甚至社會(huì)利益，往往受到相關(guān)行業(yè)的普遍重視，如何協(xié)調(diào)好各方利益，達(dá)成共識(shí)，需要參與各方擁有足夠的理解和耐心。
到目前為止，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作受到了許多國(guó)家及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的普遍關(guān)注，已經(jīng)完成了一系列草案甚至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定。其中最出名的就是IEEE 802．15．4／zigbee規(guī)范，它甚至已經(jīng)被一部分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802．15．4定義了短距離無(wú)線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，zigbee則定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、傳輸和應(yīng)用規(guī)范。盡管IEEE802．15．4和zigbee協(xié)議已經(jīng)推出多年，但隨著應(yīng)用的推廣和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其基本協(xié)議內(nèi)容已經(jīng)不能完全適應(yīng)需求，加上該協(xié)議僅定義了聯(lián)網(wǎng)通信的內(nèi)容，沒(méi)有對(duì)傳感器部件提出標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口，所以難以承載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的夢(mèng)想與使命；另外，該標(biāo)準(zhǔn)在落地不同國(guó)家時(shí)，也必然要受到該國(guó)家地區(qū)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的約束。為此，人們開始以IEEE 802．15．4／zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)，推出更多版本以適應(yīng)不同應(yīng)用、不同國(guó)家和地區(qū)。
盡管存在不完善之處，IEEE 802．15．4／zigbee仍然是目前產(chǎn)業(yè)界發(fā)展無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)當(dāng)仁不讓的最佳組合。本文將重點(diǎn)介紹IEEE 802．15．4／zigbee協(xié)議規(guī)范，并適當(dāng)顧及傳感網(wǎng)技術(shù)關(guān)注的其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作任重道遠(yuǎn)：首先，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)畢竟還是一個(gè)新興領(lǐng)域，其研究及應(yīng)用都還顯得相當(dāng)年輕，產(chǎn)業(yè)的需求還不明朗；其次，IEEE 802．15／zigbee并非針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)量身定制，在無(wú)線傳感網(wǎng)環(huán)境下使用有些問(wèn)題需要進(jìn)一步解決；另外，專門針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作還剛剛開始，國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化工作組也還剛剛成立。為此，我們要為標(biāo)準(zhǔn)化工作的順利完成做好充分的準(zhǔn)備。
1． PHY／MAC 層標(biāo)準(zhǔn)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn)一般沿用了無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（IEEE 802．15）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)部分。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，WPAN）的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng)絡(luò)要早，通常定義為提供個(gè)人及消費(fèi)類電子設(shè)備之間進(jìn)行互聯(lián)的無(wú)線短距離專用網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)專注于便攜式移動(dòng)設(shè)備（如：個(gè)人電腦、外圍設(shè)備、PDA、手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品等消費(fèi)類電子設(shè)備）之間的雙向通信技術(shù)問(wèn)題，其典型覆蓋范圍一般在10米以內(nèi)。IEEE 802．15工作組就是為完成這一使命而專門設(shè)置的，且已經(jīng)完成一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802．15．4。
（1） IEEE 802．15．4b規(guī)范
IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Low－Rate Wireless Personal Area Network，LR－WPAN）制定。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)（這和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一致），旨在為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互聯(lián)提供統(tǒng)一接口。由于IEEE 802．15．4定義的LR－WPAN網(wǎng)絡(luò)的特性和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)通信有眾多相似之處，很多研究機(jī)構(gòu)把它作為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理及鏈路層通信標(biāo)準(zhǔn)。
IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層，符合開放系統(tǒng)互連模型（OSI）。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊，介質(zhì)訪問(wèn)控制子層為高層提供了訪問(wèn)物理信道的服務(wù)接口。圖1給出了IEEE 802．15．4層與層之間的關(guān)系以及IEEE 802．15．4／zigbee的協(xié)議架構(gòu)，具體參考［1］
IEEE 802．15．4在物理（PHY）層設(shè)計(jì)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(gè)、10個(gè)、16個(gè)，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(guī)范使用的三個(gè)頻段是國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組 （ITUT， ITU Telecommunication Standardization Sector）定義的用于科研和醫(yī)療的ISM（Industrial Scientific and Medical）開放頻段，被各種無(wú)線通信系統(tǒng)廣泛使用。為減少系統(tǒng)間干擾，協(xié)議規(guī)定在各個(gè)頻段采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）編碼技術(shù)。與其他數(shù)字編碼方式相較，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)可使物理層的模擬電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，且具有更高的容錯(cuò)性能，適合低端系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
IEEE 802．15．4在介質(zhì)訪問(wèn)控制層方面，定義了兩種訪問(wèn)模式。其一為帶沖突避免的載波偵聽多路訪問(wèn)方式（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA／CA）。這種方式參考無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）中IEEE802．11標(biāo)準(zhǔn)定義的DCF 模式，易于實(shí)現(xiàn)與無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN， Wireless LAN）的信道級(jí)共存。所謂的CSMA／CA是在傳輸之前，先偵聽介質(zhì)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(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道。這種介質(zhì)訪問(wèn)控制層方案簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過(guò)程，但在大流量傳輸應(yīng)用時(shí)給提高帶寬利用率帶來(lái)了麻煩；同時(shí)，因?yàn)闆](méi)有功耗管理設(shè)計(jì)，所以要實(shí)現(xiàn)基于睡眠機(jī)制的低功耗網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)定義的PCF 模式，通過(guò)使用同步的超幀機(jī)制提高信道利用率，并通過(guò)在超幀內(nèi)定義休眠時(shí)段，很容易實(shí)現(xiàn)低功耗控制。PCF模式定義了兩種器件：全功能器件（Full－Function Device，F(xiàn)FD）和簡(jiǎn)化功能器件（Reduced－function Device，RFD）。FFD設(shè)備支持所有的49個(gè)基本參數(shù)，而RFD設(shè)備在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數(shù)。在PCF模式下，F(xiàn)FD設(shè)備作為協(xié)調(diào)器控制所有關(guān)聯(lián)的RFD設(shè)備的同步、數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程，可以與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何一種設(shè)備進(jìn)行通信。而RFD設(shè)備只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備互通。在PCF模式下，一個(gè)IEEE 802．15．4網(wǎng)絡(luò)中至少存在一個(gè)FFD設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（PAN Coordinator），起著網(wǎng)絡(luò)主控制器的作用，擔(dān)負(fù)簇間和簇內(nèi)同步、分組轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建立、成員管理等任務(wù)。
IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)支持星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(kuò)展地址，16位段地址用于小型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，或者作為簇內(nèi)設(shè)備的識(shí)別地址。IEEE 802．15．4b標(biāo)準(zhǔn)擁有多個(gè)變種，包括了低速超寬帶的IEEE 802．15．4a，及最近中國(guó)正在著力推進(jìn)的IEEE 802．15．4c和IEEE 802．15．4e，以及日本主要推動(dòng)的IEEE 802．15．4d，在這里就不深入討論了。
（2）藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)
1998年5月，就在IEEE 802．15無(wú)線個(gè)域網(wǎng)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(lián)合宣布了一項(xiàng)叫做“藍(lán)牙（Bluetooth）”的研發(fā)計(jì)劃。1999年7月藍(lán)牙工作組推出了藍(lán)牙協(xié)議1．0版，2001年更新為版本1．1，即我們熟知的IEEE 802．15．1協(xié)議。該協(xié)議旨在設(shè)計(jì)通用的無(wú)線空中接口（Radio Air Interface）及其軟件的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使通信和計(jì)算機(jī)進(jìn)一步結(jié)合，讓不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備具有在沒(méi)有電纜的情況下實(shí)現(xiàn)近距離范圍內(nèi)互通的能力。計(jì)劃一經(jīng)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(nèi)的近2000家廠商的廣泛支持和采納。
藍(lán)牙技術(shù)也是工作在2．4GHz的ISM頻段，采用快速跳頻和短包技術(shù)減少同頻干擾，保證物理層傳輸?shù)目煽啃院桶踩裕哂幸欢ǖ慕M網(wǎng)能力，支持64Kbps的實(shí)時(shí)語(yǔ)音。藍(lán)牙技術(shù)日益普及，市場(chǎng)上的相關(guān)產(chǎn)品也在不斷增多，但隨著超寬帶技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)及zigbee技術(shù)的出現(xiàn)，特別是其安全性、價(jià)格、功耗等方面的問(wèn)題日益顯現(xiàn)，其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)開始下降。2004年藍(lán)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(chǎn)業(yè)界信心。
由于藍(lán)牙技術(shù)與zigbee技術(shù)存在一定的共性，所以它們經(jīng)常被應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
