IEEE 802.15.4標準及其應用

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


圖1 802.15.4標準的結構

圖2 802.15.4的MAC層數據幀

共存組 為所有工作在2.4GHz頻帶上的無(wú)線(xiàn)應用建立一個(gè)標準。

高數據率 WPAN工作組 其802.15.3標準適用于高質(zhì)量要求的多媒體應用領(lǐng)域。

802.15.4工作組 為了滿(mǎn)足低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )要求，IEEE標準委員會(huì )在2000年12月份正式批準并成立了802.15.4工作組，任務(wù)就是開(kāi)發(fā)一個(gè)低數據率的WPAN(LR-WPAN)標準。它具有復雜度低、成本極少、功耗很小的特點(diǎn)，能在低成本設備(固定、便攜或可移動(dòng)的)之間進(jìn)行低數據率的傳輸。表1中概括了一些802.15.4的特點(diǎn)。

目前該標準仍處于不斷改善和修訂階段，預計于2003年初推出正式標準。802.15.4無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收機及網(wǎng)絡(luò )被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell這些國際通信與工業(yè)控制界巨頭們極力推崇。

IEEE 802.15.4 標準及其技術(shù)特點(diǎn)

IEEE 802.15.4 滿(mǎn)足國際標準組織 (ISO)開(kāi)放系統互連(OSI)參考模式。它包括物理層、介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層、網(wǎng)絡(luò )層和高層。圖1是對這些層的描述。

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)作擴大了網(wǎng)絡(luò )應用的范疇。這兩種物理層都采用直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)，降低數字集成電路的成本，并且都使用相同的包結構，以便低作業(yè)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于一個(gè)較好的調制方案：基于DSSS方法(16個(gè)狀態(tài))的準正交調制技術(shù)。來(lái)自PPDU的二進(jìn)制數據被依次(按字節從低到高)組成4位二進(jìn)制數據符號，每種數據符號(對應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)連續的偽噪音CHIP序列被調制(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)調制方式。

868/915MHZ物理層使用簡(jiǎn)單DSSS方法，每個(gè)PPDU數據傳輸位被最大長(cháng)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，然后使用二進(jìn)制相移鍵控技術(shù)調制這個(gè)擴展的位元序列。不同的數據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域所需的節點(diǎn)數。2.4G物理層的較高速率適用于較高的數據吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng)合。

介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層

IEEE 802.15.4 MAC層的特征是：聯(lián)合 ，分離，確認幀傳遞，通道訪(fǎng)問(wèn)機制， 幀確認，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(fǎng)問(wèn)點(diǎn)(SAP)訪(fǎng)問(wèn)高層。通過(guò)MAC通用部分子層SAP(MCPS-SAP)訪(fǎng)問(wèn)MAC數據服務(wù),用MAC層管理實(shí)體SAP(MLME-SAP)訪(fǎng)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幀結構適應了不同的應用及網(wǎng)絡(luò )拓撲的需要，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(shí)，才能判定數據傳輸業(yè)務(wù)成功。幀校驗序列是16位循環(huán)冗余校驗。凈荷(payload)是MAC幀要承載的上層數據。它的字段長(cháng)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(wǎng)絡(luò )層

網(wǎng)絡(luò )層包括邏輯鏈路控制子層。802.2標準定義了LLC,并且通用于諸如802.3,802.11及802.15.1等802系列標準中，而MAC子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同的物理層實(shí)現而變化。網(wǎng)絡(luò )層負責拓撲結構的建立和維護、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)標準的網(wǎng)絡(luò )層被期望能自己組織和維護。

IEEE 802.4標準支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，包括星型和點(diǎn)-點(diǎn)拓撲結構。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(shí)的星型連接，而對于別的，諸如涉及安全要求領(lǐng)域，適合大面積的點(diǎn)-點(diǎn)拓撲結構。

802.15.4 WPAN具有如下的特點(diǎn)：

可升級 卓越的網(wǎng)絡(luò )能力，可對多達254個(gè)的網(wǎng)絡(luò )設備進(jìn)行動(dòng)態(tài)設備尋址。

適應性 與現有控制網(wǎng)絡(luò )標準無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(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。

與藍牙的比較
在過(guò)去的幾年內，藍牙技術(shù)引起了極大的關(guān)注。在文章的第一部分已經(jīng)提到，藍牙被重新定義為802.15.1。大多數了解藍牙的讀者可能會(huì )有一個(gè)共同的問(wèn)題：藍牙 (802.15.1)與802.15.4的本質(zhì)區別是什么？為什么通信、控制工業(yè)會(huì )注重對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)表格中的數據可見(jiàn)：
* 802.15.4和藍牙很相似, 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)注重于低速數據或短操作時(shí)間的控制和通信網(wǎng)絡(luò )；藍牙則是在ad-hoc(peer to peer)網(wǎng)絡(luò )中擅長(cháng)便攜式音頻、便攜式屏幕圖表圖象及文件的傳輸。
* 802.15.4 設計特點(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到2年以上；藍牙的能耗與移動(dòng)電話(huà)類(lèi)似(需定期充電)；

802.15.4技術(shù)的應用和挑戰

產(chǎn)品的方便靈活、易于連接、實(shí)用可靠及可繼承延續是市場(chǎng)的驅動(dòng)力。IEEE 802.15.4的早期客戶(hù)將是高端工業(yè)用戶(hù)，這是由于802.15.4主要應用于工業(yè)控制、遠程監控和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，后期802.15.4的市場(chǎng)將轉向消費者和家庭用戶(hù)，主要應用于家庭自動(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)射接收機的價(jià)格將低于5美元。

對于工業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，感應器網(wǎng)絡(luò )是主要市場(chǎng)對象。將感應器和802.15.4WPAN設備組合，進(jìn)行數據收集、處理和分析，就可以決定是否需要或何時(shí)需要用戶(hù)操作。無(wú)線(xiàn)感應器應用實(shí)例包括惡劣環(huán)境下的檢測，諸如涉及危險的火和化學(xué)物質(zhì)的現場(chǎng)、監測和維護正在旋轉的機器等等。在這些應用上，一個(gè)802.15.4WPAN網(wǎng)絡(luò )可以極大的降低新感應器網(wǎng)絡(luò )的安裝成本并簡(jiǎn)化對現有網(wǎng)絡(luò )的擴充。

802.15.4 網(wǎng)絡(luò )另一個(gè)充滿(mǎn)魅力的應用領(lǐng)域是精作農業(yè)。使用自動(dòng)化的遠程控制網(wǎng)絡(luò )的智能設備實(shí)現農場(chǎng)經(jīng)營(yíng)的信息化和軟件化是精作農業(yè)的新范例。這需要成千上萬(wàn)個(gè)帶傳感器的LR-WPAN設備組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。感應器將收集有關(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)感應器將經(jīng)過(guò)計算的數據傳輸到它相應的LR-WPAN設備，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將其返回到一個(gè)中央數據采集設備。精作農業(yè)的網(wǎng)絡(luò )應用屬802.15.4LR-WPAN的低端應用，僅需通過(guò)已部署的網(wǎng)絡(luò )設備每天進(jìn)行少許數據的傳輸。

針對巨大的中國市場(chǎng)和2008年國際奧林匹克運動(dòng)會(huì )，802.15.4技術(shù)產(chǎn)品將在中國的環(huán)境監測和保護領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。利用該技術(shù)可以對污染源，特別是各工廠(chǎng)廢水，廢氣的排放口進(jìn)行實(shí)時(shí)監測控制，在每個(gè)排放口安裝相應感應器，完成樣本的采集、分析和最終的流量測定。就目前的環(huán)境來(lái)說(shuō)，污染源的數量大的驚人, 僅北京地區的排污口就有幾萬(wàn)個(gè)。

802.15.4 將提供一個(gè)低成本的用于數據采集和傳輸的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )上每個(gè)監測點(diǎn)只需在有限的時(shí)間內發(fā)送幾個(gè)比特的數據，數據流是異步的，并在數據等待時(shí)間上限制極小，這些因素利于電池使用壽命的延長(cháng)。

802.15.4 WPAN應用的挑戰在于它的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。由于實(shí)際應用需用網(wǎng)狀拓撲結構，所以一些節點(diǎn)可使用能量感知來(lái)獲取生存所需能源，同時(shí)充當其他節點(diǎn)的中繼器，以便轉發(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，應該實(shí)現自我配置。

802.15.4 的特點(diǎn)決定了它在個(gè)體消費者和家庭自動(dòng)化市場(chǎng)有著(zhù)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(hù)的有線(xiàn)電子設備，從而提高人們的生活、娛樂(lè )質(zhì)量。之所以成本低，是因為它削減了產(chǎn)品的功能集，同時(shí)提高了產(chǎn)品的專(zhuān)用性和使用效率。 潛在的產(chǎn)品類(lèi)型包括電視、VCRs、 PC 外圍設備和互動(dòng)玩具和游戲, 應用范圍包括監測和控制家庭的安全系統、照明、空調系統和其他設施。在一個(gè)家庭內，可安裝這樣的網(wǎng)絡(luò )設備多達100~150個(gè)，很適合構架一個(gè)星型拓撲網(wǎng)絡(luò )。結語(yǔ)
正當IEEE802無(wú)線(xiàn)工作組把大量精力放在如何提高數據傳輸速率工作的時(shí)候，802.15.4工作組已率先把焦點(diǎn)定位在實(shí)現低能耗、低成本和低速率網(wǎng)絡(luò )設備的連接和目前無(wú)線(xiàn)協(xié)議還沒(méi)定義的應用上。

按照既定計劃，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)的大公司如美國摩托羅拉公司、菲利普公司、Eaton等已經(jīng)巨額投資并開(kāi)發(fā)802.15.4收發(fā)器和網(wǎng)絡(luò )設備。赫立訊科技(北京)有限公司正在著(zhù)手進(jìn)行將802.15.4技術(shù)引進(jìn)中國的工作。作為一個(gè)標準委員會(huì )組織成員，赫立訊站在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域研發(fā)的前沿，有著(zhù)很大的優(yōu)勢，能夠將開(kāi)發(fā)者和用戶(hù)的意見(jiàn)充分結合，以尋求一個(gè)更好的無(wú)線(xiàn)解決方案。