面向低速率应用的全球标准ZigBee (下)

( 接面向低速率应用的全球标准ZigBee （上）)

        802.15.4包括用于低速无线个人域网（ZigBee）的物理层和媒体接入控制层两个规范。它能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间（10 m直径或更小）工作的简单器件。802.15.4支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10 m时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在关联过程中指配的16位短地址。一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。下面分别介绍802.15.4的主要特点。

１．工作频段和数据速率 

        802.15.4工作在工业科学医疗（ISM）频段，它定义了两个物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。免许可证的2.4GHZ ISM频段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有。在802.15.4中，总共分配了27个具有三种速率的信道：在2.4GHz频段有16个速率为250kbit/s（或62.5k symbol/s）的信道，在915MHz频段有10个40kbit/s（或40k symbol/s）的信道，在868MHz频段有1个20kbit/s（或20 ksymbol/s）的信道。ISM频段全球都有的特点不仅免除了802.15.4器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。在保持简单性的同时，802.15.4还试图提供设计上的灵活性。一个802.15.4网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在２７个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250kbit/s，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20kbit/s这样的低速率就能满足要求。

２．支持简单器件 

        802.15.4低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在802.15.4中定义了14个物理层基本参数和３５个媒体接入控制层基本参数，总共为49个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在802.15.4中定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按三种方式工作，即用作个人域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。

３．信标方式和超帧结构 

        802.15.4网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使能方式中，协调器定期广播信标，以达到相关器件同步及其他目的。在非信标使能方式中，协调器不定期地广播信标，而是在器件请求信标时向它单播信标。在信标使能方式中使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义，一般包括工作部分和任选的不工作部分。

４．数据传输和低功耗

        在802.15.4中，有三种不同的数据转移：从器件到协调器；从协调器到器件；在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点，把数据传输分为以下三种方式：

        •直接数据传输：这适用于以上所有三种数据转移。采用无槽载波检测多址与碰撞避免（CSMA-CA）或开槽CSMA-CA的数据传输方法，视使用非信标使能方式还是信标使能方式而定。

        •间接数据传输：这仅适用于从协调器到器件的数据转移。在这种方式中，数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的器件来提取。通过检查来自协调器的信标帧，器件就能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分组。有时，在非信标使能方式中也可能发生间接数据传输。在数据提取过程中也使用无槽CSMA-CA或开槽CSMA-CA。

        •有保证时隙（GTS）数据传输：这仅适用于器件与其协调器之间的数据转移，既可以从器件到协调器，也可以从协调器到器件。在GTS数据传输中不需要CSMA-CA。

        低功耗是802.15.4最重要的特点。因为对电池供电的简单器件而言，更换电池的花费往往比器件本身的成本还要高。在有些应用中，更换电池不仅麻烦，而且实际上是不可行的，例如嵌在汽车轮胎中的气压传感器或高密度布设的大规模传感器网。所以在802.15.4的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制。多数机制是基于信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间，或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。

５．安全性

        安全性是802.15.4的另一个重要问题。为了提供灵活性和支持简单器件，802.15.4在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全性方式，对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全性，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。 

        AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，但它不能防止攻击者在通信双方交换密钥时通过窃听来截取对称密钥。为了防止这种攻击，可以采用公钥加密。

６．自配置 

        802.15.4在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持自配置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星状网，而且还允许创建自配置的对等网。在关联过程中可以实现各种配置，例如为个人域网选择信道和识别符（ID），为器件指配16位短地址，设定电池寿命延长选项等。

四、结语 

        802.15.4标准与IEEE的其他无线标准（如WiFi和UWB）是互为补充的。例如，802.11面向基础设施，蓝牙面向移动电话，而802.15.4是面向网络的，它的明显特点是低速率、低功耗、低成本、自配置和拓扑灵活，主要支持其他标准不适用的低速率应用。它不仅打开了大量新应用之门，而且还能给许多现有的应用增加价值。通过各种非常简单的器件就能够联网，802.15.4作为一个全球标准，为我们实现无所不在的网络创造了条件。

        与WiFi和WiMAX相类似，开发802.15.4产品的厂商成立了ZigBee联盟。目前ZigBee联盟正在针对网络层和更上层开展工作。ZigBee可能会成为802.15技术中最重要的一个。预计包含ZigBee的第一批器件将是可以遥控的荧光灯泡，该器件2004年底可以提供，其开关是可移动的，人在暗处的任何地方都可把灯打开。这种应用可能会很受消费者的欢迎，但企业更感兴趣的将是传感器网。 

        ZigBee还可能提出第三种物理层UWB，但这是一个长远目标，至今尚未标准化。UWB的主要优点是功耗比802.15.4还低，允许器件不用电池。有人预测，UWB网状网最终将由"智能尘粒"组成，是一种精微无线电，它通过纳米技术风车或光电池产生能量。UWB网状网的应用潜力很大，美国军方已经在测试UWB在遥测方面的应用，现在主要问题是成本，目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元，而ZigBee的价格目标仅为几美分。ZigBee联盟相信，ZigBee芯片将像微处理器一样无处不在，其应用将远不止遥测遥控。