過去若干年以來，無線組網(wǎng)技術發(fā)展迅速。但迄今為止，無線組網(wǎng)技術的應用主要集中在高速率和相對長距離方面；研究重點始終放在提高數(shù)據(jù)速率上，高了還要更高。無線組網(wǎng)技術就是網(wǎng)絡組建技術，分為以太網(wǎng)組網(wǎng)技術和ATM局域網(wǎng)組網(wǎng)技術。以太網(wǎng)組網(wǎng)非常靈活和簡便，可使用多種物理介質(zhì)，以不同拓撲結構組網(wǎng)，是目前國內(nèi)外應用最為廣泛的一種網(wǎng)絡，已成為網(wǎng)絡技術的主流。以太網(wǎng)按其傳輸速率又分成10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s。細纜以太網(wǎng)10 BASE-2 10 BASE-2以太網(wǎng)是采用IEEE802.3標準，它是一種典型的總線型結構。采用細纜為傳輸介質(zhì)，通過T型接頭與網(wǎng)卡上的BNC接口相連的總線型網(wǎng)絡。事實上，低速率應用比高速率應用更貼近我們的日常生活。

圖1 無線組網(wǎng)技術標準

一、低速率應用場景

有了802.15.4這一新標準，我們可以在各個方面開展許多新的應用。通過情況感知和物資精確定位（PAL）對軍事行動、消防隊員操作進行指揮，對貨單進行自動更新，對庫存進行實時跟蹤；以及游戲和互動式玩具等娛樂應用。

為了進一步說明802.15.4將來會如何影響我們的生活，下面描述幾個可能的應用場景。

１。 挽救生命

人類始終面臨著各種威脅生命的因素。科學技術一方面大大提高了我們的生活質(zhì)量，但另一方面也加大了我們面臨的危險。不管你如何小心，總有忘記關煤氣爐或者睡前忘鎖門的時候。這一疏忽輕則叫你破費，重則危及生命。我們每天都要喝水，在任何時間都要呼吸空氣，如果不小心或者有人存心搗亂，水和空氣也會使我們受到污染，甚至中毒。

２。 家庭自動化

現(xiàn)代自動控制技術、計算機技術和通信技術等手段，有助于 實現(xiàn)人們家務勞動和家務管理的自動化，大大減輕人們家庭生活中的操勞，節(jié)省人們的時間，提高人們的物質(zhì)、文化生活水平。家庭自動化已是人類社會進步的重要標志之一。最早進入家庭的自動化設備有自動洗衣機和空氣自動調(diào)節(jié)裝置等。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展和人們生活要求的提高，家庭自動化的范圍也在日益擴大。家庭安全系統(tǒng)、家庭自動控制系統(tǒng)、家庭信息系統(tǒng)和家用機器人等，有的已達到實用水平，有的正處于研究改進階段。家庭自動化系指利用微處理電子技術，來集成或控制家中的電子電器產(chǎn)品或系統(tǒng)，例如：照明燈、咖啡爐、電腦設備、保安系統(tǒng)、暖氣及冷氣系統(tǒng)、視訊及音響系統(tǒng)等。家庭自動化系統(tǒng)主要是以一個中央微處理機（Central Processor Unit，CPU）接收來自相關電子電器產(chǎn)品的訊息后，再以既定的程序發(fā)送適當?shù)男畔⒔o其它電子電器產(chǎn)品。中央微處理機必須透過許多界面來控制家中的電器產(chǎn)品，這些界面可以是鍵盤，也可以是觸摸式熒幕、按鈕、電腦、電話機、遙控器等；消費者可發(fā)送信號至中央微處理機，或接收來自中央微處理機的訊號。

３。方便安全地行路

如果沿著街道、高速公路及其他地方分布式地裝有大量路標或其他簡單設備，你就不再擔心會迷路。安裝在你汽車里的器件將告訴你，你現(xiàn)在所處的位置，正向何處去。雖然從全球定位系統(tǒng)（GPS）也能獲得類似服務，但是這種新的分布式系統(tǒng)能夠向你提供更精確更具體的信息。即使在GPS覆蓋不到的樓內(nèi)或隧道內(nèi)，你仍能繼續(xù)使用此系統(tǒng)。事實上，你從這個新系統(tǒng)能夠得到比ＧＰＳ多得多的信息，如限速、前面那條街是單行線還是雙行線、前面每條街的交通情況或事故信息等。

二、802.15標準簡介

在介紹802.15.4之前，先簡要介紹一下IEEE802.15工作組正在定義的幾種不同的短距離無線技術。短距離無線技術原本是為支持個人域網(wǎng)（PAN）而開發(fā)的，但是它們的潛力遠遠不止于此。

基于藍牙的局域網(wǎng)（personal area networks）標準。IEEE 802.15是由 IEEE 制定的一種藍牙無線通信規(guī)范標準，應用于無線個人區(qū)域網(wǎng)（WPAN）。IEEE 802.15具有以下特征，如短程、低能量、低成本、小型網(wǎng)絡及通信設備，適用于個人操作空間。這是基于藍牙的個域網(wǎng)（personal area networks）標準。IEEE802.15工作組內(nèi)有四個任務組，分別制定適合不同應用的標準。802.15.1本質(zhì)上只是藍牙低層協(xié)議的一個正式標準化版本，大多數(shù)標準制定工作仍由藍牙特別興趣組（SIG）在做，其成果將由IEEE批準。原始的802.15.1標準基于藍牙1.1，在目前大多數(shù)藍牙器件中采用的都是這一版本。新的版本802.15.1a將對應于藍牙1.2，它包括某些QoS增強功能，完全后向兼容。藍牙是第一個面向低速率應用的標準，但是它的市場情況不太理想，其原因之一是受WiFi（802.11b） 的沖擊，WiFi產(chǎn)品的價格大幅度下降在某些應用方面抑制了藍牙的優(yōu)勢。另一個原因是藍牙為了覆蓋更多的應用和提供QoS使其偏離了原來設計簡單的目標，復雜使藍牙變得昂貴，不再適合那些要求低功率、低成本的簡單應用。另外它還存在可擴展性方面的問題。

802.15.3也稱WiMedia，旨在實現(xiàn)高速率。最初它瞄準的是消費類器件，如電視機和數(shù)碼照相機等。其原始版本規(guī)定的速率高達55Mbit/s，使用基于802.11但不兼容的物理層。后來多數(shù)廠商傾向于使用802.15.3a（見圖1），它使用超寬帶（UWB）的多頻段OFDM聯(lián)盟（MBOA）的物理層，速率高達480Mbit/s。打算生產(chǎn)802.15.3a產(chǎn)品的廠商成立了WiMedia聯(lián)盟，其任務是對設備進行測試和貼牌，以保證標準的一致性。

802.15.4也稱ZigBee，屬于低速率短距離的無線個人域網(wǎng)。它的設計目標是低功耗（長電池壽命）、低成本和低速率。速率可以低至9.6kbit/s，不支持話音。

第6種現(xiàn)在尚未正式列入802.15標準，它將包括基于太赫茲輻射（即T射線）的無線網(wǎng)。T射線結合光和無線電的特性，理論上可達到幾個Gbit/s的速率。

三、802.15.4

隨著通信技術的迅速發(fā)展，人們提出了在人自身附近幾米范圍之內(nèi)通信的需求，這樣就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡（personal area network, PAN）和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（wireless personal area network, WPAN）的概念。WPAN網(wǎng)絡為近距離范圍內(nèi)的設備建立無線連接，把幾米范圍內(nèi)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。1998年3月，IEEE 802.15工作組。這個工作組致力于WPAN網(wǎng)絡的物理層（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(nèi)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米左右的空間范圍，在這個范圍內(nèi)用戶可以是固定的，也可以是移動的。 802.15.4, 即IEEE用于低速無線個人域網(wǎng)（LR-WPAN）的物理層和媒體接入控制層規(guī)范 。 該協(xié)議能支持消耗功率最少，一般在個人活動空間（10 m直徑或更小）工作的簡單器件。支持兩種網(wǎng)絡拓撲，即單跳星狀或當通信線路超過10 m時的多跳對等拓撲。但是對等拓撲的邏輯結構由網(wǎng)絡層定義。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在關聯(lián)過程中指配的16位短地址。一個802.15.4網(wǎng)可以容納最多216個器件。

１。工作頻段和數(shù)據(jù)速率

802.15.4工作在工業(yè)科學醫(yī)療（ISM）頻段，它定義了兩個物理層，即2.4GHz頻段和868/915MHz頻段物理層。免許可證的2.4GHZ ISM頻段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM頻段分別只在歐洲和北美有。在802.15.4中，總共分配了27個具有三種速率的信道：在2.4GHz頻段有16個速率為250kbit/s（或62.5k symbol/s）的信道，在915MHz頻段有10個40kbit/s（或40k symbol/s）的信道，在868MHz頻段有1個20kbit/s（或20 ksymbol/s）的信道。ISM頻段全球都有的特點不僅免除了802.15.4器件的頻率許可要求，而且還給許多公司提供了開發(fā)可以工作在世界任何地方的標準化產(chǎn)品的難得機會。這將減少投資者的風險，與專門解決方案相比可以明顯降低產(chǎn)品成本。在保持簡單性的同時，802.15.4還試圖提供設計上的靈活性。一個802.15.4網(wǎng)可以根據(jù)可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在２７個信道中選擇一個工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應用提供較好的選擇。例如，對于有些計算機外圍設備與互動式玩具，可能需要250kbit/s，而對于其他許多應用，如各種傳感器、智能標記和家用電器等，20kbit/s這樣的低速率就能滿足要求。

２。支持簡單器件

802.15.4低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c使它非常適宜支持簡單器件。在802.15.4中定義了14個物理層基本參數(shù)和３５個媒體接入控制層基本參數(shù)，總共為49個，僅為藍牙的三分之一。這使它非常適用于存儲能力和計算能力有限的簡單器件。在802.15.4中定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數(shù)。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。

３。信標方式和超幀結構

802.15.4網(wǎng)可以工作于信標使能方式或非信標使能方式。在信標使能方式中，協(xié)調(diào)器定期廣播信標，以達到相關器件同步及其他目的。在非信標使能方式中，協(xié)調(diào)器不定期地廣播信標，而是在器件請求信標時向它單播信標。

４。數(shù)據(jù)傳輸和低功耗

在802.15.4中，有三種不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移：從器件到協(xié)調(diào)器；從協(xié)調(diào)器到器件；在對等網(wǎng)絡中從一方到另一方。為了突出低功耗的特點，把數(shù)據(jù)傳輸分為以下三種方式：

直接數(shù)據(jù)傳輸：這適用于以上所有三種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。采用無槽載波檢測多址與碰撞避免（CSMA-CA）或開槽CSMA-CA的數(shù)據(jù)傳輸方法，視使用非信標使能方式還是信標使能方式而定。

間接數(shù)據(jù)傳輸：這僅適用于從協(xié)調(diào)器到器件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。在這種方式中，數(shù)據(jù)幀由協(xié)調(diào)器保存在事務處理列表中，等待相應的器件來提取。通過檢查來自協(xié)調(diào)器的信標幀，器件就能發(fā)現(xiàn)在事務處理列表中是否掛有一個屬于它的數(shù)據(jù)分組。有時，在非信標使能方式中也可能發(fā)生間接數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)提取過程中也使用無槽CSMA-CA或開槽CSMA-CA。

有保證時隙（GTS）數(shù)據(jù)傳輸：這僅適用于器件與其協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，既可以從器件到協(xié)調(diào)器，也可以從協(xié)調(diào)器到器件。在GTS數(shù)據(jù)傳輸中不需要CSMA-CA。

低功耗是802.15.4最重要的特點。因為對電池供電的簡單器件而言，更換電池的花費往往比器件本身的成本還要高。在有些應用中，更換電池不僅麻煩，而且實際上是不可行的，例如嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設的大規(guī)模傳感器網(wǎng)。所以在802.15.4的數(shù)據(jù)傳輸過程中引入了幾種延長器件電池壽命或節(jié)省功率的機制。多數(shù)機制是基于信標使能的方式，主要是限制器件或協(xié)調(diào)器之收發(fā)信機的開通時間，或者在無數(shù)據(jù)傳輸時使它們處于休眠狀態(tài)。

５。安全性

安全性是802.15.4的另一個重要問題。為了提供靈活性和支持簡單器件，802.15.4在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全性方式，對于某種應用，如果安全性并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對于第二級安全性，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。第三級安全性在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼。

密碼學中的高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES），又稱高級加密標準Rijndael加密法，是美國聯(lián)邦政府采用的一種區(qū)塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES，已經(jīng)被多方分析且廣為全世界所使用。經(jīng)過五年的甄選流程，高級加密標準由美國國家標準與技術研究院 （NIST）于2001年11月26日發(fā)布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成為有效的標準。2006年，高級加密標準已然成為對稱密鑰加密中最流行的算法之一。該算法為比利時密碼學家Joan Daemen和Vincent Rijmen所設計，結合兩位作者的名字，以Rijndael之命名之，投稿高級加密標準的甄選流程。

６。自配置

802.15.4在媒體接入控制層中加入了關聯(lián)和分離功能，以達到支持自配置的目的。自配置不僅能自動建立起一個星狀網(wǎng)，而且還允許創(chuàng)建自配置的對等網(wǎng)。在關聯(lián)過程中可以實現(xiàn)各種配置，例如為個人域網(wǎng)選擇信道和識別符（ID），為器件指配16位短地址，設定電池壽命延長選項等。

四、結語

802.15.4標準與IEEE的其他無線標準（如WiFi和UWB）是互為補充的。例如，802.11面向基礎設施，藍牙面向移動電話，而802.15.4是面向網(wǎng)絡的，它的明顯特點是低速率、低功耗、低成本、自配置和拓撲靈活，主要支持其他標準不適用的低速率應用。它不僅打開了大量新應用之門，而且還能給許多現(xiàn)有的應用增加價值。通過各種非常簡單的器件就能夠聯(lián)網(wǎng)，802.15.4作為一個全球標準，為我們實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡創(chuàng)造了條件。

與WiFi和WiMAX相類似，開發(fā)802.15.4產(chǎn)品的廠商成立了ZigBee聯(lián)盟。目前ZigBee聯(lián)盟正在針對網(wǎng)絡層和更上層開展工作。ZigBee可能會成為802.15技術中最重要的一個。預計包含ZigBee的第一批器件將是可以遙控的熒光燈泡，該器件2004年底可以提供，其開關是可移動的，人在暗處的任何地方都可把燈打開。這種應用可能會很受消費者的歡迎，但企業(yè)更感興趣的將是傳感器網(wǎng)。

ZigBee還可能提出第三種物理層UWB，但這是一個長遠目標，至今尚未標準化。UWB的主要優(yōu)點是功耗比802.15.4還低，允許器件不用電池。有人預測，UWB網(wǎng)狀網(wǎng)最終將由“智能塵粒”組成，是一種精微無線電，它通過納米技術風車或光電池產(chǎn)生能量。