過去若干年以來，無線組網技術發(fā)展迅速。但迄今為止，無線組網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)據速率上，高了還要更高。例如，IEEE802.11標準的發(fā)展目標始終是提高數(shù)據速率，從802.11～2Mbit/s到802.11a和802.11g的54Mbit/s(見圖1)，而低速率應用一直談論得較少，但這并不說明低速率應用不重要。事實上，低速率應用比高速率應用更貼近我們的日常生活。本文所要介紹的802.15.4標準就是IEEE802.15工作組為低速率應用專門設計的一種無線組網技術。預期隨著802.15.4標準的頒布以及其他相關技術的發(fā)展，低速率應用將興旺起來，在我們的生活中扮演越來越重要的角色。
圖1 無線組網技術標準
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。例如，家庭、工廠、倉庫的自動化控制；對安全、保健、環(huán)境等的監(jiān)視；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。還有許多其他威脅生命的因素，如火災、水災和地震等。所以，人類一直在構建挽救生命的系統(tǒng)，但目前已有的許多系統(tǒng)實際上是無效的，有些太復雜、太昂貴，難以普及；有些因為電池迅速耗盡而很快不能工作；有些缺乏生命挽救系統(tǒng)最關鍵的聯(lián)網能力。由于具備連接簡單器件(如傳感器和激活器等)的能力，802.15.4系統(tǒng)能監(jiān)視各種事件，當需要時自動采取相應的行動。作為一個為低速率、低成本和低功耗應用而設計的全球標準，802.15.4很有希望應用于上述各種情況。
２． 家庭自動化
為了把人們從日常瑣事中解放出來，家庭自動化是802.15.4最有吸引力的一種應用。有了802.15.4之后，盡管你家里的器具來自不同廠家，但它們都能彼此溝通和合作。你可以如此配置你的家庭網絡：當你打開電視機時，燈光自動減弱；當電話鈴響起時或你拿起話機準備打電話時，電視機自動靜音。利用802.15.4還可以做更多的事。例如，你家里的每一個成員都可以有一個私人的電子輪廓(它可能是一個小小的符合802.15.4標準的器件)，其他器件都可以通過檢測此輪廓而有所反應。現(xiàn)在，假如附近沒有其他輪廓或者你的輪廓具有最高優(yōu)先級，那么家里的燈光、溫度、音樂、電視節(jié)目和網站都將自動按照你的喜好自動設置。如果把你的私人輪廓放在你的口袋里，你還可以把自動化帶到室外或你的辦公室里。為了讓你的輪廓達到上述效果，你并不需要完成復雜的配置，因為你的輪廓可以通過自學程序自動構成。
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覆蓋不到的樓內或隧道內，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。使用這種系統(tǒng)，還可以跟蹤公共交通情況，你可以適時地趕上下一班車，而不至于在寒風中或烈日下在車站等上數(shù)十分鐘。基于這樣的新系統(tǒng)還可以開發(fā)出許多其他功能，例如在不同街道根據不同交通流量動態(tài)調節(jié)紅綠燈，追蹤超速的汽車或被盜的汽車等。應用這一系統(tǒng)的關鍵問題包括成本、功耗和安全性，這正是802.15.4要解決的問題。
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(PAN)而開發(fā)的，但是它們的潛力遠遠不止于此。
802.15.1本質上只是藍牙低層協(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。
802.15.2是對藍牙和802.15.1的一些改變，其目的是減輕與802.11b和802.11g網絡的干擾。這些網絡都使用2.4GHz頻段，如果想同時使用藍牙和WiFi的話，就需要使用802.15.2或其他專有方案。
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802.15.3a產品的廠商成立了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。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。
802.15.5還在制訂之中。其最終目標是使網狀網能夠在媒體接入控制層形成，不再需要ZigBee或IP選路。
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。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
802.15.4包括用于低速無線個人域網（ZigBee）的物理層和媒體接入控制層兩個規(guī)范。它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。802.15.4支持兩種網絡拓撲，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網可以容納最多216個器件。下面分別介紹802.15.4的主要特點。
１．工作頻段和數(shù)據速率
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網可以根據可用性、擁擠狀況和數(shù)據速率在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)。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按三種方式工作，即用作個人域網協(xié)調器、協(xié)調器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應用。
３．信標方式和超幀結構
802.15.4網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。在信標使能方式中使用超幀結構，超幀結構的格式由協(xié)調器來定義，一般包括工作部分和任選的不工作部分。
４．數(shù)據傳輸和低功耗
在802.15.4中，有三種不同的數(shù)據轉移：從器件到協(xié)調器；從協(xié)調器到器件；在對等網絡中從一方到另一方。為了突出低功耗的特點，把數(shù)據傳輸分為以下三種方式：
•直接數(shù)據傳輸：這適用于以上所有三種數(shù)據轉移。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)據傳輸：這僅適用于從協(xié)調器到器件的數(shù)據轉移。在這種方式中，數(shù)據幀由協(xié)調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)據分組。有時，在非信標使能方式中也可能發(fā)生間接數(shù)據傳輸。在數(shù)據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)據傳輸：這僅適用于器件與其協(xié)調器之間的數(shù)據轉移，既可以從器件到協(xié)調器，也可以從協(xié)調器到器件。在GTS數(shù)據傳輸中不需要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。所以在802.15.4的數(shù)據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)調器之收發(fā)信機的開通時間，或者在無數(shù)據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提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉移數(shù)據。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，在這一級不采取加密措施。第三級安全性在數(shù)據轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼。
AES可以用來保護數(shù)據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，但它不能防止攻擊者在通信雙方交換密鑰時通過竊聽來截取對稱密鑰。為了防止這種攻擊，可以采用公鑰加密。
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，而且還允許創(chuàng)建自配置的對等網。在關聯(lián)過程中可以實現(xiàn)各種配置，例如為個人域網選擇信道和識別符（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，802.15.4作為一個全球標準，為我們實現(xiàn)無所不在的網絡創(chuàng)造了條件。
與WiFi和WiMAX相類似，開發(fā)802.15.4產品的廠商成立了ZigBee聯(lián)盟。目前ZigBee聯(lián)盟正在針對網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。
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網狀網最終將由“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生能量。UWB網狀網的應用潛力很大，美國軍方已經在測試UWB在遙測方面的應用，現(xiàn)在主要問題是成本，目前低速低功率的UWB芯片組的價格至少為20美元，而ZigBee的價格目標僅為幾美分。ZigBee聯(lián)盟相信，ZigBee芯片將像微處理器一樣無處不在，其應用將遠不止遙測遙控。