IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用

2002年，IEEE 802.15 工作組成立, 專門從事WPAN標(biāo)準(zhǔn)化工作。它的任務(wù)是開發(fā)一套適用于短程無(wú)線通信的標(biāo)準(zhǔn)，通常我們稱之為無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(WPANs)。目前，IEEE 802.15 WPAN共擁有4個(gè)工作組：
藍(lán)牙WPAN工作組 藍(lán)牙是無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)的先驅(qū)。在初始階段，IEEE并沒(méi)有制定藍(lán)牙相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，所以經(jīng)過(guò)一段快速發(fā)展時(shí)期后，藍(lán)牙很快就有了產(chǎn)品兼容性的問(wèn)題?，F(xiàn)在，IEEE決定制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)開發(fā)能夠相互兼容的藍(lán)牙芯片、網(wǎng)絡(luò)和產(chǎn)品。


圖1 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)

圖2 802.15.4的MAC層數(shù)據(jù)幀

共存組 為所有工作在2.4GHz頻帶上的無(wú)線應(yīng)用建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

高數(shù)據(jù)率 WPAN工作組 其802.15.3標(biāo)準(zhǔn)適用于高質(zhì)量要求的多媒體應(yīng)用領(lǐng)域。

802.15.4工作組 為了滿足低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求，IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)在2000年12月份正式批準(zhǔn)并成立了802.15.4工作組，任務(wù)就是開發(fā)一個(gè)低數(shù)據(jù)率的WPAN(LR-WPAN)標(biāo)準(zhǔn)。它具有復(fù)雜度低、成本極少、功耗很小的特點(diǎn)，能在低成本設(shè)備(固定、便攜或可移動(dòng)的)之間進(jìn)行低數(shù)據(jù)率的傳輸。表1中概括了一些802.15.4的特點(diǎn)。

目前該標(biāo)準(zhǔn)仍處于不斷改善和修訂階段，預(yù)計(jì)于2003年初推出正式標(biāo)準(zhǔn)。802.15.4無(wú)線發(fā)射/接收機(jī)及網(wǎng)絡(luò)被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell這些國(guó)際通信與工業(yè)控制界巨頭們極力推崇。

IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)及其技術(shù)特點(diǎn)

IEEE 802.15.4 滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織 (ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式。它包括物理層、介質(zhì)訪問(wèn)層、網(wǎng)絡(luò)層和高層。圖1是對(duì)這些層的描述。

物理層

IEEE 802.15.4 提供兩種物理層的選擇(868/915 MHz和2.4GHz)，物理層與MAC層的協(xié)作擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的范疇。這兩種物理層都采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，降低數(shù)字集成電路的成本，并且都使用相同的包結(jié)構(gòu)，以便低作業(yè)周期、低功耗地運(yùn)作。2.4G物理層的數(shù)據(jù)傳輸率為250kb/s,868/915MHz物理層的數(shù)據(jù)傳輸率分別是20 kbps、40 kbps。
2.4GHz物理層的較高速率主要?dú)w因于一個(gè)較好的調(diào)制方案：基于DSSS方法(16個(gè)狀態(tài))的準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)。來(lái)自PPDU的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被依次(按字節(jié)從低到高)組成4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)，每種數(shù)據(jù)符號(hào)(對(duì)應(yīng)16狀態(tài)組中的一組)被映射成32位偽噪音CHIP，以便傳輸。然后這個(gè)連續(xù)的偽噪音CHIP序列被調(diào)制(采用最小移位鍵控方式MSK)到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控(O_QPSK)調(diào)制方式。

868/915MHZ物理層使用簡(jiǎn)單DSSS方法，每個(gè)PPDU數(shù)據(jù)傳輸位被最大長(zhǎng)為15的CHIP序列(m-序列)所擴(kuò)展。即被多組+1，-1構(gòu)成的 m-序列編碼，然后使用二進(jìn)制相移鍵控技術(shù)調(diào)制這個(gè)擴(kuò)展的位元序列。不同的數(shù)據(jù)傳輸率適用于不同的場(chǎng)合。舉例如下，868/915MHz物理層的低速率換取了較好的靈敏度(-85dbm/2.4G,-92dbm/868,915MHz)和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定物理區(qū)域所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)。2.4G物理層的較高速率適用于較高的數(shù)據(jù)吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng)合。

介質(zhì)訪問(wèn)層

IEEE 802.15.4 MAC層的特征是：聯(lián)合 ，分離，確認(rèn)幀傳遞，通道訪問(wèn)機(jī)制， 幀確認(rèn)，保證時(shí)隙管理，和信令管理。MAC子層提供兩個(gè)服務(wù)與高層聯(lián)系，即通過(guò)兩個(gè)服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)(SAP)訪問(wèn)高層。通過(guò)MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪問(wèn)MAC數(shù)據(jù)服務(wù),用MAC層管理實(shí)體SAP(MLME-SAP)訪問(wèn)MAC管理服務(wù)。這兩個(gè)服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和物理層提供了一個(gè)接口。

靈活的MAC幀結(jié)構(gòu)適應(yīng)了不同的應(yīng)用及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞男枰?，同時(shí)也保證了協(xié)議的簡(jiǎn)潔。MAC幀的通用格式如圖2所示。

幀控制說(shuō)明了如何看待幀的其余部分及它們包含什么。序列號(hào)是傳輸數(shù)據(jù)幀及確認(rèn)幀的序號(hào)。僅當(dāng)確認(rèn)幀的序列號(hào)與上次數(shù)據(jù)傳輸幀的序列號(hào)一致時(shí)，才能判定數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)成功。幀校驗(yàn)序列是16位循環(huán)冗余校驗(yàn)。凈荷(payload)是MAC幀要承載的上層數(shù)據(jù)。它的字段長(zhǎng)度可變。

MAC數(shù)據(jù)幀被送至物理層，作為物理層幀數(shù)據(jù)(PPDU)的一部分。

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制子層。802.2標(biāo)準(zhǔn)定義了LLC,并且通用于諸如802.3,802.11及802.15.1等802系列標(biāo)準(zhǔn)中，而MAC子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同的物理層實(shí)現(xiàn)而變化。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些必須的任務(wù)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)層被期望能自己組織和維護(hù)。

IEEE 802.4標(biāo)準(zhǔn)支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星型和點(diǎn)-點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。應(yīng)用的設(shè)計(jì)選擇決定了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；一些應(yīng)用，諸如PC外設(shè)，適合低延時(shí)的星型連接，而對(duì)于別的，諸如涉及安全要求領(lǐng)域，適合大面積的點(diǎn)-點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

802.15.4 WPAN具有如下的特點(diǎn)：

可升級(jí) 卓越的網(wǎng)絡(luò)能力，可對(duì)多達(dá)254個(gè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)備尋址。

適應(yīng)性 與現(xiàn)有控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA-CA方式進(jìn)行信道存取。
可靠性 為了可靠傳遞,提供全握手協(xié)議。

與藍(lán)牙的比較
在過(guò)去的幾年內(nèi)，藍(lán)牙技術(shù)引起了極大的關(guān)注。在文章的第一部分已經(jīng)提到，藍(lán)牙被重新定義為802.15.1。大多數(shù)了解藍(lán)牙的讀者可能會(huì)有一個(gè)共同的問(wèn)題：藍(lán)牙 (802.15.1)與802.15.4的本質(zhì)區(qū)別是什么？為什么通信、控制工業(yè)會(huì)注重對(duì)WPAN的新技術(shù)802.15.4的投資？表2回答了這個(gè)問(wèn)題。

從上面兩個(gè)表格中的數(shù)據(jù)可見：
* 802.15.4和藍(lán)牙很相似, 二者均用于WPAN。
* 802.15.4適用于傳感器、玩具和家庭自動(dòng)控制，同時(shí)注重于低速數(shù)據(jù)或短操作時(shí)間的控制和通信網(wǎng)絡(luò)；藍(lán)牙則是在ad-hoc(peer to peer)網(wǎng)絡(luò)中擅長(zhǎng)便攜式音頻、便攜式屏幕圖表圖象及文件的傳輸。
* 802.15.4 設(shè)計(jì)特點(diǎn)是能夠合理地優(yōu)化能源的使用。一塊正常電池的使用壽命可以達(dá)到2年以上；藍(lán)牙的能耗與移動(dòng)電話類似(需定期充電)；

802.15.4技術(shù)的應(yīng)用和挑戰(zhàn)

產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實(shí)用可靠及可繼承延續(xù)是市場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)力。IEEE 802.15.4的早期客戶將是高端工業(yè)用戶，這是由于802.15.4主要應(yīng)用于工業(yè)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，后期802.15.4的市場(chǎng)將轉(zhuǎn)向消費(fèi)者和家庭用戶，主要應(yīng)用于家庭自動(dòng)化、安全和交互式玩具，其市場(chǎng)的動(dòng)力來(lái)將自其低造價(jià)、小功耗以及便于使用的特點(diǎn)，最終每個(gè) 802.15.4發(fā)射接收機(jī)的價(jià)格將低于5美元。

對(duì)于工業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)是主要市場(chǎng)對(duì)象。將感應(yīng)器和802.15.4WPAN設(shè)備組合，進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、處理和分析，就可以決定是否需要或何時(shí)需要用戶操作。無(wú)線感應(yīng)器應(yīng)用實(shí)例包括惡劣環(huán)境下的檢測(cè)，諸如涉及危險(xiǎn)的火和化學(xué)物質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)、監(jiān)測(cè)和維護(hù)正在旋轉(zhuǎn)的機(jī)器等等。在這些應(yīng)用上，一個(gè)802.15.4WPAN網(wǎng)絡(luò)可以極大的降低新感應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的安裝成本并簡(jiǎn)化對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)充。

802.15.4 網(wǎng)絡(luò)另一個(gè)充滿魅力的應(yīng)用領(lǐng)域是精作農(nóng)業(yè)。使用自動(dòng)化的遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)的智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)的信息化和軟件化是精作農(nóng)業(yè)的新范例。這需要成千上萬(wàn)個(gè)帶傳感器的LR-WPAN設(shè)備組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。感應(yīng)器將收集有關(guān)田地的信息，比如土地濕度、氮濃縮量和土壤的PH值等，每個(gè)感應(yīng)器將經(jīng)過(guò)計(jì)算的數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鄳?yīng)的LR-WPAN設(shè)備，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將其返回到一個(gè)中央數(shù)據(jù)采集設(shè)備。精作農(nóng)業(yè)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用屬802.15.4LR-WPAN的低端應(yīng)用，僅需通過(guò)已部署的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備每天進(jìn)行少許數(shù)據(jù)的傳輸。

針對(duì)巨大的中國(guó)市場(chǎng)和2008年國(guó)際奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)，802.15.4技術(shù)產(chǎn)品將在中國(guó)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。利用該技術(shù)可以對(duì)污染源，特別是各工廠廢水，廢氣的排放口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制，在每個(gè)排放口安裝相應(yīng)感應(yīng)器，完成樣本的采集、分析和最終的流量測(cè)定。就目前的環(huán)境來(lái)說(shuō)，污染源的數(shù)量大的驚人, 僅北京地區(qū)的排污口就有幾萬(wàn)個(gè)。

802.15.4 將提供一個(gè)低成本的用于數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)只需在有限的時(shí)間內(nèi)發(fā)送幾個(gè)比特的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流是異步的，并在數(shù)據(jù)等待時(shí)間上限制極小，這些因素利于電池使用壽命的延長(zhǎng)。

802.15.4 WPAN應(yīng)用的挑戰(zhàn)在于它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于實(shí)際應(yīng)用需用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以一些節(jié)點(diǎn)可使用能量感知來(lái)獲取生存所需能源，同時(shí)充當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)的中繼器，以便轉(zhuǎn)發(fā)信息到最終目的地。網(wǎng)絡(luò)配置也不適合采用手動(dòng)配置，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)自我配置。

802.15.4 的特點(diǎn)決定了它在個(gè)體消費(fèi)者和家庭自動(dòng)化市場(chǎng)有著巨大的潛能。802.15.4 LR-WPAN技術(shù)產(chǎn)品將低成本地替換用戶的有線電子設(shè)備，從而提高人們的生活、娛樂(lè)質(zhì)量。之所以成本低，是因?yàn)樗鳒p了產(chǎn)品的功能集，同時(shí)提高了產(chǎn)品的專用性和使用效率。 潛在的產(chǎn)品類型包括電視、VCRs、 PC 外圍設(shè)備和互動(dòng)玩具和游戲, 應(yīng)用范圍包括監(jiān)測(cè)和控制家庭的安全系統(tǒng)、照明、空調(diào)系統(tǒng)和其他設(shè)施。在一個(gè)家庭內(nèi)，可安裝這樣的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多達(dá)100~150個(gè)，很適合構(gòu)架一個(gè)星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。結(jié)語(yǔ)
正當(dāng)IEEE802無(wú)線工作組把大量精力放在如何提高數(shù)據(jù)傳輸速率工作的時(shí)候，802.15.4工作組已率先把焦點(diǎn)定位在實(shí)現(xiàn)低能耗、低成本和低速率網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的連接和目前無(wú)線協(xié)議還沒(méi)定義的應(yīng)用上。

按照既定計(jì)劃，IEEE802.15.4協(xié)議將在2003年1月份正式頒布。目前一些通信和控制業(yè)的大公司如美國(guó)摩托羅拉公司、菲利普公司、Eaton等已經(jīng)巨額投資并開發(fā)802.15.4收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。赫立訊科技(北京)有限公司正在著手進(jìn)行將802.15.4技術(shù)引進(jìn)中國(guó)的工作。作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)組織成員，赫立訊站在無(wú)線領(lǐng)域研發(fā)的前沿，有著很大的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)㈤_發(fā)者和用戶的意見充分結(jié)合，以尋求一個(gè)更好的無(wú)線解決方案。