无线传感器网络标准化进展与协议全面分析

无线传感器网络作为一门面向应用于的研究领域，在近几年取得了飞速发展。在关键技术的研发方面，学术界从网络协议、数据融合、测试测量、操作系统、服务质量、节点定位、时间实时等方面积极开展了大量研究，获得令人瞩目的成果；工业界也在环境监测、军事目标追踪、智能家居、自动遗文表格、灯光掌控、建筑物身体健康监测、电力线监控等领域展开应用于探寻。随着应用于的推展，无线传感器网络技术开始暴露出更加多的问题。

有所不同厂商的设备必须构建互联互通，且要防止与现行系统的互相阻碍，因此拒绝有所不同的芯片厂商、方案提供商、产品提供商及关联设备提供商达成协议一定的默契，齐心协力实现目标。这就是无线传感器网络标准化工作的背景。实质上，由于标准化工作关系到多方的经济利益甚至社会利益，往往受到涉及行业的广泛推崇，如何协商好各方利益，达成协议共识，必须参予各方享有充足的解读和冷静。到目前为止，无线传感器网络的标准化工作受到了许多国家及国际标准的组织的广泛注目，早已已完成了一系列草案甚至标准规范的制订。

其中最有名的就是IEEE802．15．4／zigbee规范，它甚至早已被一部分研究及产业界人士视作标准。IEEE802．15．4定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范，zigbee则定义了网络网络、传输和应用于规范。尽管IEEE802．15．4和zigbee协议早已发售多年，但随着应用于的推展和产业的发展，其基本协议内容早已无法几乎适应环境市场需求，再加该协议仅有定义了联网通信的内容，没对传感器部件明确提出标准的协议模块，所以无法支撑无线传感器网络技术的梦想与愿景；另外，该标准在落地有所不同国家时，也必定要受到该国家地区现行标准的约束。

为此，人们开始以IEEE802．15．4／zigbee协议为基础，发售更加多版本以适应环境有所不同应用于、有所不同国家和地区。尽管不存在不完备之处，IEEE802．15．4／zigbee依然是目前产业界发展无线传感网技术当仁不让的最佳人组。本文将重点讲解IEEE802．15．4／zigbee协议规范，并必要考虑到传感网技术注目的其他涉及标准。

当然，无线传感器网络的标准化工作任重道远：首先，无线传感网络却是还是一个新兴领域，其研究及应用于都还变得非常年长，产业的市场需求还不明朗；其次，IEEE802．15／zigbee并非针对无线传感网量身自定义，在无线传感网环境下用于有些问题必须更进一步解决问题；另外，专门针对无线传感网技术的国际标准化工作还刚刚开始，国内的标准化工作组也还刚正式成立。为此，我们要为标准化工作的顺利完成作好充份的打算。1．PHY／MAC层标准无线传感器网络的底层标准一般延用了无线个域网（IEEE802．15）的涉及标准部分。无线个域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）的经常出现比传感器网络要早于，一般来说定义为获取个人及消费类电子设备之间展开网络的无线短距离专用网络。

无线个域网专心于便携式移动设备（如：个人电脑、外围设备、PDA、手机、数码产品等消费类电子设备）之间的双向通信技术问题，其典型覆盖范围一般在10米以内。IEEE802．15工作组就是为已完成这一愿景而专门设置的，且早已已完成一系列涉及标准的制订工作，其中就还包括了被普遍用作传感器网络的底层标准IEEE802．15．4。（1）IEEE802．15．4b规范IEEE802．15．4标准主要针对短距离无线个域网（Low－RateWirelessPersonalAreaNetwork，LR－WPAN）制订。该标准把较低能量消耗、较低速率传输、低成本作为重点目标（这和无线传感器网络完全一致），目的为个人或者家庭范围内有所不同设备之间短距离网络获取统一模块。

由于IEEE802．15．4定义的LR－WPAN网络的特性和无线传感器网络的簇内通信有众多相似之处，很多研究机构把它作为传感器网络节点的物理及链路层通信标准。IEEE802．15．4标准定义了物理层和介质访问控制子层，合乎开放系统点对点模型（OSI）。物理层还包括射频收发器和底层掌控模块，介质访问控制子层为高层获取了采访物理信道的服务模块。图1得出了IEEE802．15．4层与层之间的关系以及IEEE802．15．4／zigbee的协议架构，明确参照［1］IEEE802．15．4在物理（PHY）层设计中面向低成本和更加高层次的构建市场需求，使用的工作频率分成868MHz、915MHz和2．4GHz三种，各频段可用于的信道分别有1个、10个、16个，各自获取20kb／s、40kb／s和250kb／s的传输速率，其传输范围介于10米～100米之间。

由于规范用于的三个频段是国际电信联盟电信标准化组（ITUT，ITUTelecommunicationStandardizationSector）定义的用作科研和医疗的ISM（IndustrialScientificandMedical）对外开放频段，被各种无线通信系统普遍用于。为增加系统间阻碍，协议规定在各个频段使用必要序列扩频（DSSS，DirectSequenceSpreadSpectrum）编码技术。

与其他数字编码方式互为较，必要序列扩频技术可使物理层的仿真电路设计显得非常简单，且具备更高的容错性能，合适低端系统的构建。IEEE802．15．4在介质访问控制层方面，定义了两种采访模式。其一为带上冲突防止的载波侦听多路采访方式（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，CSMA／CA）。

这种方式参照无线局域网（WLAN）中IEEE802．11标准定义的DCF模式，更容易构建与无线局域网（WLAN，WirelessLAN）的信道级并存。所谓的CSMA／CA是在传输之前，再行侦听介质中否有同信道（co－channel）载波，若不不存在，意味著信道空闲，将必要转入数据传输状态；若不存在载波，则在随机退却一段时间后新的检测信道。这种介质访问控制层方案修改了构建自的组织（AdHoc）网络应用的过程，但在大流量传输应用于时给提升比特率利用率带给了困难；同时，因为没功耗管理设计，所以要构建基于睡眠中机制的低功耗网络应用，必须做到更加多的工作。

IEEE802．15．4定义的另外一种通信模式类似于802．11标准定义的PCF模式，通过用于实时的超帧机制提升信道利用率，并通过在超强帧内定义休眠状态时段，很更容易构建低功耗掌控。PCF模式定义了两种器件：全功能器件（Full－FunctionDevice，FFD）和修改功能器件（Reduced－functionDevice，RFD）。FFD设备反对所有的49个基本参数，而RFD设备在大于配备时只拒绝它反对38个基本参数。在PCF模式下，FFD设备作为协商器掌控所有关联的RFD设备的实时、数据发送过程，可以与网络内任何一种设备展开通信。

而RFD设备不能和与其关联的FFD设备互通。在PCF模式下，一个IEEE802．15．4网络中最少不存在一个FFD设备作为网络协商器（PANCoordinator），起着网络主控制器的起到，承担簇间和簇内实时、分组发送、网络创建、成员管理等任务。

IEEE802．15．4标准反对星型和点对点两种网络拓扑结构，有16位和64位两种地址格式。其中64位地址是全球唯一的拓展地址，16位段地址用作小型网络建构，或者作为簇内设备的辨识地址。IEEE802．15．4b标准享有多个变种，还包括了短距离超宽带的IEEE802．15．4a，及最近中国正在着力前进的IEEE802．15．4c和IEEE802．15．4e，以及日本主要推展的IEEE802．15．4d，在这里就不了解辩论了。

（2）蓝牙（Bluetooth）技术1998年5月，就在IEEE802．15无线个域网工作组正式成立旋即，五家世界知名的IT公司：爱立信（Ericsson）、IBM、英特尔（Intel）、诺基亚（Nokia）和东芝（Toshiba）牵头宣告了一项叫作“蓝牙（Bluetooth）”的研发计划。1999年7月蓝牙工作组发售了蓝牙协议1．0版，2001年改版为版本1．1，即我们熟悉的IEEE802．15．1协议。该协议目的设计标准化的无线空中模块（RadioAirInterface）及其软件的国际标准，使通信和计算机更进一步融合，让有所不同厂家生产的便携式设备具备在没电缆的情况下构建近距离范围内互通的能力。

计划日后发布，就获得了还包括摩托罗拉（Motorola）、朗讯（Lucent）、康柏（Compaq）、西门子（Simens）、3Com、TDK以及微软公司（Microsoft）等大公司在内的将近2000家厂商的广泛支持和接纳。蓝牙技术也是工作在2．4GHz的ISM频段，使用较慢跳频和较短包在技术增加同频阻碍，确保物理层传输的可靠性和安全性，具备一定的组网能力，反对64Kbps的动态语音。

蓝牙技术日益普及，市场上的涉及产品也在大大激增，但随着超宽带技术、无线局域网及zigbee技术的经常出现，尤其是其安全性、价格、功耗等方面的问题日益显出，其竞争优势开始上升。2004年蓝牙工作组发售2．0版本，比特率提升三倍，且功耗减少一半，在一定程度上修复了产业界信心。

由于蓝牙技术与zigbee技术不存在一定的共性，所以它们常常被应用于无线传感器网络中。

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