雷震洲
摘要：无线组网技术的低速率应用更贴近我们的生活，相关的技术标准８０２．１５．４（又称ＺｉｇＢｅｅ）与ＩＥＥＥ的其他短距离无线技术，如蓝牙、ＷｉＦｉ、ＵＷＢ互为补充，它的主要特点是低速率、低功耗、低成本、自配置和拓扑灵活。预计ＺｉｇＢｅｅ芯片将像微处理器一样无处不在。
关键词：无线组网，短距离，低速率，８０２．１５．４ ＺｉｇＢｅｅ
过去若干年以来，无线组网技术发展迅速。但迄今为止，无线组网技术的应用主要集中在高速率和相对长距离方面；研究重点始终放在提高数据速率上，高了还要更高。例如，ＩＥＥＥ ８０２．１１标准的发展目标始终是提高数据速率，从８０２．１１的１～２ Ｍｂｉｔ／ｓ一直到８０２．１１ａ和８０２．１１ｇ的５４ Ｍｂｉｔ／ｓ（见图１），而低速率应用一直谈论得较少，但这并不说明低速率应用不重要。事实上，低速率应用比高速率应用更贴近我们的日常生活。本文所要介绍的８０２．１５．４标准就是ＩＥＥＥ ８０２．１５工作组为低速率应用专门设计的一种无线组网技术。预期随着８０２．１５．４标准的颁布以及其他相关技术的发展，低速率应用将兴旺起来，在我们的生活中扮演越来越重要的角色。
图1 无线组网技术标准
一、低速率应用场景
有了８０２．１５．４这一新标准，我们可以在各个方面开展许多新的应用。例如，家庭、工厂、仓库的自动化控制；对安全、保健、环境等的监视；通过情况感知和物资精确定位（ＰＡＬ）对军事行动、消防队员操作进行指挥，对货单进行自动更新，对库存进行实时跟踪；以及游戏和互动式玩具等娱乐应用。
为了进一步说明８０２．１５．４将来会如何影响我们的生活，下面描述几个可能的应用场景。
１． 挽救生命
人类始终面临着各种威胁生命的因素。科学技术一方面大大提高了我们的生活质量，但另一方面也加大了我们面临的危险。不管你如何小心，总有忘记关煤气炉或者睡前忘锁门的时候。这一疏忽轻则叫你破费，重则危及生命。我们每天都要喝水，在任何时间都要呼吸空气，如果不小心或者有人存心捣乱，水和空气也会使我们受到污染，甚至中毒。还有许多其他威胁生命的因素，如火灾、水灾和地震等。所以，人类一直在构建挽救生命的系统，但目前已有的许多系统实际上是无效的，有些太复杂、太昂贵，难以普及；有些因为电池迅速耗尽而很快不能工作；有些缺乏生命挽救系统最关键的联网能力。由于具备连接简单器件（如传感器和激活器等）的能力，８０２．１５．４系统能监视各种事件，当需要时自动采取相应的行动。作为一个为低速率、低成本和低功耗应用而设计的全球标准，８０２．１５．４很有希望应用于上述各种情况。
２． 家庭自动化
为了把人们从日常琐事中解放出来，家庭自动化是８０２．１５．４最有吸引力的一种应用。有了８０２．１５．４之后，尽管你家里的器具来自不同厂家，但它们都能彼此沟通和合作。你可以如此配置你的家庭网络：当你打开电视机时，灯光自动减弱；当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时，电视机自动静音。利用８０２．１５．４你还可以做更多的事。例如，你家里的每一个成员都可以有一个私人的电子轮廓（它可能是一个小小的符合８０２．１５．４标准的器件），其他器件都可以通过检测此轮廓而有所反应。现在，假如附近没有其他轮廓或者你的轮廓具有最高优先级，那么家里的灯光、温度、音乐、电视节目和网站都将自动按照你的喜好自动设置。如果把你的私人轮廓放在你的口袋里，你还可以把自动化带到室外或你的办公室里。为了让你的轮廓达到上述效果，你并不需要完成复杂的配置，因为你的轮廓可以通过自学程序自动构成。
３．方便安全地行路
如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量路标或其他简单设备，你就不再担心会迷路。安装在你汽车里的器件将告诉你，你现在所处的位置，正向何处去。虽然从全球定位系统（ＧＰＳ）也能获得类似服务，但是这种新的分布式系统能够向你提供更精确更具体的信息。即使在ＧＰＳ覆盖不到的楼内或隧道内，你仍能继续使用此系统。事实上，你从这个新系统能够得到比ＧＰＳ多得多的信息，如限速、前面那条街是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。使用这种系统，还可以跟踪公共交通情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。基于这样的新系统还可以开发出许多其他功能，例如在不同街道根据不同交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。应用这一系统的关键问题包括成本、功耗和安全性，这正是８０２．１５．４要解决的问题。
二、802.15标准简介
在介绍８０２．１５．４之前，先简要介绍一下ＩＥＥＥ ８０２．１５工作组正在定义的几种不同的短距离无线技术。短距离无线技术原本是为支持个人域网（ＰＡＮ）而开发的，但是它们的潜力远远不止于此。
８０２．１５．１本质上只是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本，大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组（ＳＩＧ）在做，其成果将由ＩＥＥＥ批准。原始的８０２．１５．１标准基于蓝牙１．１，在目前大多数蓝牙器件中采用的都是这一版本。新的版本８０２．１５．１ａ将对应于蓝牙１．２，它包括某些ＱｏＳ增强功能，完全后向兼容。蓝牙是第一个面向低速率应用的标准，但是它的市场情况不太理想，其原因之一是受ＷｉＦｉ（８０２．１１ｂ） 的冲击，ＷｉＦｉ产品的价格大幅度下降在某些应用方面抑制了蓝牙的优势。另一个原因是蓝牙为了覆盖更多的应用和提供ＱｏＳ使其偏离了原来设计简单的目标，复杂使蓝牙变得昂贵，不再适合那些要求低功率、低成本的简单应用。另外它还存在可扩展性方面的问题。
８０２．１５．２是对蓝牙和８０２．１５．１的一些改变，其目的是减轻与８０２．１１ｂ和８０２．１１ｇ网络的干扰。这些网络都使用２．４ ＧＨｚ频段，如果想同时使用蓝牙和ＷｉＦｉ的话，就需要使用８０２．１５．２或其他专有方案。
８０２．１５．３也称ＷｉＭｅｄｉａ，旨在实现高速率。最初它瞄准的是消费类器件，如电视机和数码照相机等。其原始版本规定的速率高达５５ Ｍｂｉｔ／ｓ，使用基于８０２．１１但不兼容的物理层。后来多数厂商倾向于使用８０２．１５．３ａ（见图１），它使用超宽带（ＵＷＢ）的多频段ＯＦＤＭ联盟（ＭＢＯＡ）的物理层，速率高达
４８０ Ｍｂｉｔ／ｓ。打算生产８０２．１５．３ａ产品的厂商成立了ＷｉＭｅｄｉａ联盟，其任务是对设备进行测试和贴牌，以保证标准的一致性。
８０２．１５．４也称ＺｉｇＢｅｅ，属于低速率短距离的无线个人域网。它的设计目标是低功耗（长电池寿命）、低成本和低速率。速率可以低至９．６ ｋｂｉｔ／ｓ，不支持话音。
８０２．１５．５还在制订之中。其最终目标是使网状网能够在媒体接入控制层形成，不再需要ＺｉｇＢｅｅ或ＩＰ选路。
第６种现在尚未正式列入８０２．１５标准，它将包括基于太赫兹辐射（即Ｔ射线）的无线网。Ｔ射线结合光和无线电的特性，理论上可达到几个Ｇｂｉｔ／ｓ的速率。
三、802.15.4
８０２．１５．４包括用于低速无线个人域网（ＬＲ－ＷＰＡＮ）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２．４ ＧＨｚ频段和８６８／９１５ ＭＨｚ频段物理层。免许可证的２．４ ＧＨｚ ＩＳＭ频段全世界都有，而８６８ ＭＨｚ和９１５ ＭＨｚ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２．４ ＧＨｚ 频段有１６个速率为２５０ ｋｂｉｔ／ｓ（或６２．５ ｋｓｙｍｂｏｌ／ｓ）的信道，在９１５ ＭＨｚ频段有１０个４０ ｋｂｉｔ／ｓ（或４０ ｋｓｙｍｂｏｌ／ｓ）的信道，在８６８ ＭＨｚ频段有１个２０ ｋｂｉｔ／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２５０ ｋｂｉｔ／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，２０ ｋｂｉｔ／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。
摘自 泰尔网
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