IEEE 802.15

意義

無線個人網路(WPAN)和無線分散式感知/控制網路(WDSC)中的網路設備可能會由不同的公司進行開發生產，所以一個統一的協議或標準顯得尤其重要。

目前，IEEE 802.15 WPAN共擁有4個工作組：

· 藍牙WPAN工作組 藍牙是無線個人區域網的先驅。在初始階段，IEEE並沒有制定藍牙相關的標準，所以經過一段快速發展時期后，藍牙很快就有了產品兼容性的問題。現在，IEEE決定製定行業標準來開發能夠相互兼容的藍牙晶元、網路和產品。

· 共存組 為所有工作在2.4GHz頻帶上的無線應用建立一個標準。

· 高數據率 WPAN工作組 其802.15.3標準適用於高質量要求的多媒體應用領域。

· 802.15.4工作組 為了滿足低功耗、低成本的無線網路要求，IEEE標準委員會在2000年12月份正式批准並成立了802.15.4工作組，任務就是開發一個低數據率的WPAN(LR-WPAN)標準。它具有複雜度低、成本極少、功耗很小的特點，能在低成本設備(固定、便攜或可移動的)之間進行低數據率的傳輸。

目前該標準仍處於不斷改善和修訂階段，預計於2003年初推出正式標準。802.15.4無線發射/接收機及網路被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell這些國際通信與工業控制界巨頭們極力推崇。

IEEE 802.15 TG4 FEATURES

Data rates of 250 kbps, 40 kbps, and 20 kbps.

Two addressing modes; 16-bit short and 64-bit IEEE addressing.

Support for critical latency devices, such as joysticks.

CSMA-CA channel access.

Automatic network establishment by the coordinator.

Fully handshaked protocol for transfer reliability.

Power management to ensure low power consumption.

16 channels in the 2.4GHz ISM band, 10 channels in the 915MHz I and one channel in the 868MHz band.

IEEE 802.15.4 標準及其技術特點

IEEE 802.15.4 滿足國際標準組織 (ISO)開放系統互連(OSI)參考模式。它包括物理層、介質訪問層、網路層和高層。

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層的協作擴大了網路應用的範疇。這兩種物理層都採用直接序列擴頻(DSSS)技術，降低數字集成電路的成本，並且都使用相同的包結構，以便低作業周期、低功耗地運作。2.4G物理層的數據傳輸率為250kb/s,868/915MHz物理層的數據傳輸率分別是20 kbps、40 kbps。

2.4GHz物理層的較高速率主要歸因於一個較好的調製方案：基於DSSS方法(16個狀態)的准正交調製技術。來自PPDU的二進位數據被依次(按位元組從低到高)組成4位二進位數據符號，每種數據符號(對應16狀態組中的一組)被映射成32位偽噪音CHIP，以便傳輸。然後這個連續的偽噪音CHIP序列被調製(採用最小移位鍵控方式MSK)到載波上，即採用半正弦脈衝波形的偏移四相移相鍵控(O_QPSK)調製方式。

868/915MHZ物理層使用簡單DSSS方法，每個PPDU數據傳輸位被最大長為15的CHIP序列(m-序列)所擴展。即被多組+1，-1構成的 m-序列編碼，然後使用二進位相移鍵控技術調製這個擴展的位元序列。不同的數據傳輸率適用於不同的場合。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域所需的節點數。2.4G物理層的較高速率適用於較高的數據吞吐量、低延時或低作業周期的場合。

介質訪問層

IEEE 802.15.4 MAC層的特徵是：聯合，分離，確認幀傳遞，通道訪問機制，幀確認，保證時隙管理，和信令管理。MAC子層提供兩個服務與高層聯繫，即通過兩個服務訪問點(SAP)訪問高層。通過MAC通用部分子層SAP(MLDE-SAP)訪問MAC數據服務，用MAC層管理實體SAP(MLME-SAP)訪問MAC管理服務。這兩個服務為網路層和物理層提供了一個介面。

靈活的MAC幀結構適應了不同的應用及網路拓撲的需要，同時也保證了協議的簡潔。MAC幀的通用格式如圖2所示。

幀控制說明了如何看待幀的其餘部分及它們包含什麼。序列號是傳輸數據幀及確認幀的序號。僅當確認幀的序列號與上次數據傳輸幀的序列號一致時，才能判定數據傳輸業務成功。幀校驗序列是16位循環冗餘校驗。凈荷(payload)是MAC幀要承載的上層數據。它的欄位長度可變。

MAC數據幀被送至物理層，作為物理層幀數據(PPDU)的一部分。

網路層包括邏輯鏈路控制子層。802.2標準定義了LLC,並且通用於諸如802.3,802.11及802.15.1等802系列標準中，而MAC子層與硬體聯繫較為緊密，並隨不同的物理層實現而變化。網路層負責拓撲結構的建立和維護、命名和綁定服務，它們協同完成定址、路由及安全這些必須的任務。這個標準的網路層被期望能自己組織和維護。

IEEE 802.15.4標準支持多種網路拓撲結構，包括星型，樹狀型，簇型。應用的設計選擇決定了拓撲結構；一些應用，諸如PC外設，適合低延時的星型連接，而對於別的，諸如涉及安全要求領域，適合大面積的簇型拓撲結構。

802.15.4 WPAN具有如下的特點：

可升級 卓越的網路能力，可對多達254個的網路設備進行動態設備定址。

適應性 與現有控制網路標準無縫集成。通過網路協調器(Coordinator)自動建立網路，採用CSMA-CA方式進行通道存取。

可靠性 為了可靠傳遞，提供全握手協議。

★與藍牙的比較

在過去的幾年內，藍牙技術引起了極大的關注。在文章的第一部分已經提到，藍牙被重新定義為802.15.1。大多數了解藍牙的讀者可能會有一個共同的問題：藍牙 (802.15.1)與802.15.4的本質區別是什麼？為什麼通信、控制工業會注重對WPAN的新技術802.15.4的投資。

* 802.15.4和藍牙很相似, 二者均用於WPAN。

* 802.15.4適用於感測器、玩具和家庭自動控制，同時注重於低速數據或短操作時間的控制和通信網路；藍牙則是在ad-hoc(peer to peer)網路中擅長攜帶型音頻、攜帶型屏幕圖表圖象及文件的傳輸。

* 802.15.4 設計特點是能夠合理地優化能源的使用。一塊正常電池的使用壽命可以達到2年以上；藍牙的能耗與行動電話類似(需定期充電)；

★802.15.4技術的應用和挑戰

產品的方便靈活、易於連接、實用可靠及可繼承延續是市場的驅動力。IEEE 802.15.4的早期客戶將是高端工業用戶，這是由於802.15.4主要應用於工業控制、遠程監控和樓宇自動化領域，後期802.15.4的市場將轉向消費者和家庭用戶，主要應用於家庭自動化、安全和互動式玩具，其市場的動力來將自其低造價、小功耗以及便於使用的特點，最終每個 802.15.4發射接收機的價格將低於5美元。

對於工業市場領域來說，感應器網路是主要市場對象。將感應器和802.15.4WPAN設備組合，進行數據收集、處理和分析，就可以決定是否需要或何時需要用戶操作。無線感應器應用實例包括惡劣環境下的檢測，諸如涉及危險的火和化學物質的現場、監測和維護正在旋轉的機器等等。在這些應用上，一個802.15.4WPAN網路可以極大的降低新感應器網路的安裝成本並簡化對現有網路的擴充。

802.15.4 網路另一個充滿魅力的應用領域是精作農業。使用自動化的遠程控制網路的智能設備實現農場經營的信息化和軟體化是精作農業的新範例。這需要成千上萬個帶感測器的LR-WPAN設備組成網狀網路。感應器將收集有關田地的信息，比如土地濕度、氮濃縮量和土壤的PH值等，每個感應器將經過計算的數據傳輸到它相應的LR-WPAN設備，並通過網路將其返回到一個中央數據採集設備。精作農業的網路應用屬802.15.4LR-WPAN的低端應用，僅需通過已部署的網路設備每天進行少許數據的傳輸。

針對巨大的中國市場和2008年國際奧林匹克運動會，802.15.4技術產品將在中國的環境監測和保護領域發揮重要的作用。利用該技術可以對污染源，特別是各工廠廢水，廢氣的排放口進行實時監測控制，在每個排放口安裝相應感應器，完成樣本的採集、分析和最終的流量測定。就目前的環境來說，污染源的數量大的驚人, 僅北京地區的排污口就有幾萬個。

802.15.4 將提供一個低成本的用於數據採集和傳輸的網狀網路，網路上每個監測點只需在有限的時間內發送幾個比特的數據，數據流是非同步的，並在數據等待時間上限制極小，這些因素利於電池使用壽命的延長。

802.15.4 WPAN應用的挑戰在於它的網路拓撲結構。由於實際應用需用網狀拓撲結構，所以一些節點可使用能量感知來獲取生存所需能源，同時充當其他節點的中繼器，以便轉發信息到最終目的地。網路配置也不適合採用手動配置，應該實現自我配置。