IEEE 802.15.4

隨著通信技術的迅速發展，人們提出了在人自身附近幾米範圍之內通信的需求，這樣就出現了個人區域網路（personal area network, PAN）和無線個人區域網路（wireless personal area network, WPAN）的概念。WPAN網路為近距離範圍內的設備建立無線連接，把幾米範圍內的多個設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。IEEE 802.15工作組成立於2002年，這個工作組致力於WPAN網路的物理層（PHY）和媒體訪問層（MAC）的標準化工作，目標是為在個人操作空間（personal operating space, POS）內相互通信的無線通信設備提供通信標準。POS一般是指用戶附近10米左右的空間範圍，在這個範圍內用戶可以是固定的，也可以是移動的。

在IEEE 802.15工作組內有四個任務組（task group, TG），分別制定適合不同應用的標準。這些標準在傳輸速率、功耗和支持的服務等方面存在差異。下面是四個任務組各自的主要任務：

（1）任務組TG1：制定IEEE 802.15.1標準，又稱藍牙無線個人區域網路標準。這是一個中等速率、近距離的WPAN網路標準，通常用於手機、PDA等設備的短距離通信。

（2）任務組TG2：制定IEEE 802.15.2標準，研究IEEE 802.15.1與IEEE 802.11（無線區域網標準，WLAN）的共存問題。

（3）任務組TG3：制定IEEE 802.15.3標準，研究高傳輸速率無線個人區域網路標準。該標準主要考慮無線個人區域網路在多媒體方面的應用，追求更高的傳輸速率與服務品質。

（4）任務組TG4：制定IEEE 802.15.4標準，針對低速無線個人區域網路（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭範圍內不同設備之間的低速互連提供統一標準。

任務組TG4定義的LR-WPAN網路的特徵與感測器網路有很多相似之處，很多研究機構把它作為感測器的通信標準。

LR-WPAN網路是一種結構簡單、成本低廉的無線通信網路，它使得在低電能和低吞吐量的應用環境中使用無線連接成為可能。與WLAN相比，LR-WPAN網路只需很少的基礎設施，甚至不需要基礎設施。IEEE 802.15.4標準為LR-WPAN網路制定了物理層和MAC子層協議。

IEEE 802.15.4標準定義的LR-WPAN網路具有如下特點：

（1）在不同的載波頻率下實現了20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率；

（2）支持星型和點對點兩種網路拓撲結構；

（3）有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴展地址；

（4）支持衝突避免的載波多路偵聽技術（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）；

（5）支持確認（ACK）機制，保證傳輸可靠性。

IEEE 802.15.4網路是指在一個POS內使用相同無線通道並通過IEEE 802.15.4標準相互通信的一組設備的集合，又名LR-WPAN網路。在這個網路中，根據設備所具有的通信能力，可以分為全功能設備（Full Function Device , FFD）和精簡功能設備（Reduced Function Device , RFD）。FFD設備之間以及FFD設備與RFD設備之間都可以通信。RFD設備之間不能直接通信，只能與FFD設備通信，或者通過一個FFD設備向外轉發數據。這個與RFD相關聯的FFD設備稱為該RFD的協調器（coordinator）。RFD設備主要用於簡單的控制應用，如燈的開關、被動式紅外線感測器等，傳輸的數據量較少，對傳輸資源和通信資源佔用不多，這樣RFD設備可以採用非常廉價的實現方案。

IEEE 802.15.4網路中，有一個稱為PAN網路協調器（PAN coordinator）的FFD設備，是LR-WPAN網路中的主控制器。PAN網路協調器（以後簡稱網路協調器）除了直接參與應用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等任務。

無線通信通道的特徵是動態變化的。節點位置或天線方向的微小改變、物體移動等周圍環境的變化都有可能引起通信鏈路信號強度和質量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋範圍不是確定的。這就造成了LR-WPAN網路中設備的數量以及它們之間關係的動態變化。

IEEE 802.15.4網路根據應用的需要可以組織成星型網路，也可以組織成點對點網路。在星型結構中，所有設備都與中心設備PAN網路協調器通信。在這種網路中，網路協調器一般使用持續電力系統供電，而其他設備採用電池供電。星型網路適合家庭自動化、個人計算機的外設以及個人健康護理等小範圍的室內應用。

與星型網不同，點對點網路只要彼此都在對方的無線輻射範圍之內，任何兩個設備之都可以直接通信。點對點網路中也需要網路協調器，負責實現管理鏈路狀態信息，認證設備身份等功能。點對點網路模式可以支持ad hoc網路允許通過多跳路由的方式在網路中傳輸數據。不過一般認為自組織問題由網路層來解決，不在IEEE 802.15.4標準討論範圍之內。點對點網路可以構造更複雜的網路結構，適合於設備分佈範圍廣的應用，比如在工業檢測與控制、貨物庫存跟蹤和智能農業等方面有非常好的應用背景。

網路拓撲的形成過程

雖然網路拓撲結構的形成過程屬於網路層的功能，但IEEE 802.15.4為形成各種網路拓撲結構提供了充分支持。這部分主要討論IEEE 802.15.4對形成網路拓撲結構提供的支持，並詳細地描述了星型網路和點對點網路的形成過程。

1、星型網路形成

星型網路以網路協調器為中心，所有設備只能與網路協調器進行通信，因此在星型網路的形成過程中，第一步就是建立網路協調器。任何一個FFD設備都有成為網路協調器的可能，一個網路如何確定自己的網路協調器由上層協議決定。一種簡單的策略是：一個FFD設備在第一次被激活后，首先廣播查詢網路協調器的請求，如果接收到回應說明網路中已經存在網路協調器，再通過一系列認證過程，設備就成為了這個網路中的普通設備。如果沒有收到回應，或者認證過程不成功，這個FFD設備就可以建立自己的網路，並且成為這個網路的網路協調器。當然，這裡還存在一些更深入的問題，一個是網路協調器過期問題，如原有的網路協調器損壞或者能量耗盡；另一個是偶然因素造成多個網路協調器競爭問題，如移動物體阻擋導致一個FFD自己建立網路，當移動物體離開的時候，網路中將出現多個協調器。

網路協調器要為網路選擇一個惟一的標識符，所有該星型網路中的設備都是用這個標識符來規定自己的屬主關係。不同星型網路之間的設備通過設置專門的網關完成相互通信。選擇一個標識符后，網路協調器就允許其他設備加入自己的網路，並為這些設備轉發數據分組。

星型網路中的兩個設備如果需要互相通信，都是先把各自的數據包發送給網路協調器，然後由網路協調器轉發給對方。

2、點對點網路的形成

點對點網路中，任意兩個設備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進行直接通信，不需要其他設備的轉發。但點對點網路中仍然需要一個網路協調器，不過該協調器的功能不再是為其他設備轉發數據，而是完成設備註冊和訪問控制等基本的網路管理功能。網路協調器的產生同樣由上層協議規定，比如把某個通道上第一個開始通信的設備作為該通道上的網路協議器。簇樹網路是點對點網路的一個例子，下面以簇樹網路為例描述點到點網路的形成過程.

在簇樹網路中，絕大多數設備是FFD設備，而RFD設備總是作為簇樹的葉設備連接到網路中。任意一個FFD都可以充當RFD協調器或者網路協調器，為其他設備提供同步信息。在這些協調器中，只有一個可以充當整個點對點網路的網路協調器。網路協調器可能和網路中其他設備一樣，也可能擁有比其他設備更多的計算資源和能量資源。網路協調器首先將自己設為簇頭（cluster header ,CLH），並將簇標識符（cluster identifier, CID）設置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網路標識符，形成網路中的第一個簇。接著，網路協調器開始廣播信標幀。鄰近設備收到信標幀后，就可以申請加入該簇。設備可否成為簇成員，由網路協調器決定。如果請求被允許，則該設備將作為簇的子設備加入網路協調器的鄰居列表。新加入的設備會將簇頭作為它的父設備加入到自己的鄰居列表中。

上面討論的只是一個由單簇構成的最簡單的簇樹。PAN網路協調器可以指定另一個設備成為鄰接的新簇頭，以此形成更多的簇。新簇頭同樣可以選擇其他設備成為簇頭，進一步擴大網路的覆蓋範圍。但是過多的簇頭會增加簇間消息傳遞的延遲和通信開銷。為了減少延遲和通信開銷，簇頭可以選擇最遠的通信設備作為相鄰簇的簇頭，這樣可以最大限度地縮小不同簇間消息傳遞的跳數，達到減少延遲和開銷的目的。

IEEE 802.15.4網路協議棧基於開放系統互連模型（OSI），每一層都實現一部分通信功能，並向高層提供服務。

IEEE 802.15.4標準只定義了PHY層和數據鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發器以及底層的控制模塊構成。MAC子層為高層訪問物理通道提供點到點通信的服務介面。

IEEE 802.15.4是ZigBee，WirelessHART，MiWi等規範的基礎，描述了低速率無線個人區域網的物理層和媒體接入控制協議，屬於IEEE 802.15工作組。在868/915M、2.4GHz的ISM頻段上，數據傳輸速率最高可達250kbps。其低功耗、低成本的優點使它在很多領域獲得了廣泛的應用。在打包提供的免費協議棧代碼中，TI公司的協議棧部分以庫的形式提供，限制了其應用範圍即只能應用於其公司所生產的單片機晶元上，不方便擴展、修改；而Microchip儘管提供了源代碼，但在編程風格、多任務操作系統上運行考慮欠周。鑒於此，設計實現結構清晰、層次分明、移植方便、能運行在多任務環境上的IEEE802.15.4協議代碼，可為架構上層協議及應用擴展建立良好的基礎。