無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門(mén)面向應(yīng)用的研究領(lǐng)域，在近幾年獲得了飛速發(fā)展。在關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)方面，學(xué)術(shù)界從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、測(cè)試測(cè)量、操作系統(tǒng)、服務(wù)質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步等方面開(kāi)展了大量研究，取得豐碩的成果；工業(yè)界也在環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事目標(biāo)跟蹤、智能家居、自動(dòng)抄表、燈光控制、建筑物健康監(jiān)測(cè)、電力線監(jiān)控等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用探索。隨著應(yīng)用的推廣，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)始暴露出越來(lái)越多的問(wèn)題。不同廠商的設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，且要避免與現(xiàn)行系統(tǒng)的相互干擾，因此要求不同的芯片廠商、方案提供商、產(chǎn)品提供商及關(guān)聯(lián)設(shè)備提供商達(dá)成一定的默契，齊心協(xié)力實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。這就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作的背景。實(shí)際上，由于標(biāo)準(zhǔn)化工作關(guān)系到多方的經(jīng)濟(jì)利益甚至社會(huì)利益，往往受到相關(guān)行業(yè)的普遍重視，如何協(xié)調(diào)好各方利益，達(dá)成共識(shí)，需要參與各方擁有足夠的理解和耐心。

　　到目前為止，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作受到了許多國(guó)家及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的普遍關(guān)注，已經(jīng)完成了一系列草案甚至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定。其中最出名的就是IEEE 802.15.4/zigbee規(guī)范，它甚至已經(jīng)被一部分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4定義了短距離無(wú)線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，zigbee則定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、傳輸和應(yīng)用規(guī)范。盡管IEEE802.15.4和zigbee協(xié)議已經(jīng)推出多年，但隨著應(yīng)用的推廣和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其基本協(xié)議內(nèi)容已經(jīng)不能完全適應(yīng)需求，加上該協(xié)議僅定義了聯(lián)網(wǎng)通信的內(nèi)容，沒(méi)有對(duì)傳感器部件提出標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口，所以難以承載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的夢(mèng)想與使命；另外，該標(biāo)準(zhǔn)在落地不同國(guó)家時(shí)，也必然要受到該國(guó)家地區(qū)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的約束。為此，人們開(kāi)始以IEEE 802.15.4/zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)，推出更多版本以適應(yīng)不同應(yīng)用、不同國(guó)家和地區(qū)。

　　盡管存在不完善之處，IEEE 802.15.4/zigbee仍然是目前產(chǎn)業(yè)界發(fā)展無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)當(dāng)仁不讓的最佳組合。本文將重點(diǎn)介紹IEEE 802.15.4/zigbee協(xié)議規(guī)范，并適當(dāng)顧及傳感網(wǎng)技術(shù)關(guān)注的其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作任重道遠(yuǎn)：首先，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)畢竟還是一個(gè)新興領(lǐng)域，其研究及應(yīng)用都還顯得相當(dāng)年輕，產(chǎn)業(yè)的需求還不明朗；其次，IEEE 802.15/zigbee并非針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)量身定制，在無(wú)線傳感網(wǎng)環(huán)境下使用有些問(wèn)題需要進(jìn)一步解決；另外，專(zhuān)門(mén)針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作還剛剛開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化工作組也還剛剛成立。為此，我們要為標(biāo)準(zhǔn)化工作的順利完成做好充分的準(zhǔn)備。

　　1. PHY/MAC 層標(biāo)準(zhǔn)

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn)一般沿用了無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（IEEE 802.15）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)部分。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，WPAN）的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng)絡(luò)要早，通常定義為提供個(gè)人及消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備之間進(jìn)行互聯(lián)的無(wú)線短距離專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)專(zhuān)注于便攜式移動(dòng)設(shè)備（如：個(gè)人電腦、外圍設(shè)備、PDA、手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品等消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備）之間的雙向通信技術(shù)問(wèn)題，其典型覆蓋范圍一般在10米以?xún)?nèi)。IEEE 802.15工作組就是為完成這一使命而專(zhuān)門(mén)設(shè)置的，且已經(jīng)完成一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4。

　　（1） IEEE 802.15.4b規(guī)范

　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Low-Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN）制定。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)（這和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一致），旨在為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互聯(lián)提供統(tǒng)一接口。由于IEEE 802.15.4定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)的特性和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)通信有眾多相似之處，很多研究機(jī)構(gòu)把它作為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理及鏈路層通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層，符合開(kāi)放系統(tǒng)互連模型（OSI）。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊，介質(zhì)訪問(wèn)控制子層為高層提供了訪問(wèn)物理信道的服務(wù)接口。圖1給出了IEEE 802.15.4層與層之間的關(guān)系以及IEEE 802.15.4/zigbee的協(xié)議架構(gòu)，具體參考［1］

　　IEEE 802.15.4在物理（PHY）層設(shè)計(jì)中面向低成本和更高層次的集成需求，采用的工作頻率分為868MHz、915MHz和2.4GHz三種，各頻段可使用的信道分別有1個(gè)、10個(gè)、16個(gè)，各自提供20kb/s、40kb/s和250kb/s的傳輸速率，其傳輸范圍介于10米～100米之間。由于規(guī)范使用的三個(gè)頻段是國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組 （ITUT， ITU Telecommunication Standardization Sector）定義的用于科研和醫(yī)療的ISM（Industrial Scientific and Medical）開(kāi)放頻段，被各種無(wú)線通信系統(tǒng)廣泛使用。為減少系統(tǒng)間干擾，協(xié)議規(guī)定在各個(gè)頻段采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）編碼技術(shù)。與其他數(shù)字編碼方式相較，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)可使物理層的模擬電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，且具有更高的容錯(cuò)性能，適合低端系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

　　IEEE 802.15.4在介質(zhì)訪問(wèn)控制層方面，定義了兩種訪問(wèn)模式。其一為帶沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)方式（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）。這種方式參考無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）中IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的DCF 模式，易于實(shí)現(xiàn)與無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN， Wireless LAN）的信道級(jí)共存。所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，先偵聽(tīng)介質(zhì)中是否有同信道（co-channel）載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道。這種介質(zhì)訪問(wèn)控制層方案簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過(guò)程，但在大流量傳輸應(yīng)用時(shí)給提高帶寬利用率帶來(lái)了麻煩；同時(shí)，因?yàn)闆](méi)有功耗管理設(shè)計(jì)，所以要實(shí)現(xiàn)基于睡眠機(jī)制的低功耗網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要做更多的工作。

　　IEEE 802.15.4定義的另外一種通信模式類(lèi)似于802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的PCF 模式，通過(guò)使用同步的超幀機(jī)制提高信道利用率，并通過(guò)在超幀內(nèi)定義休眠時(shí)段，很容易實(shí)現(xiàn)低功耗控制。PCF模式定義了兩種器件：全功能器件（Full-Function Device，F(xiàn)FD）和簡(jiǎn)化功能器件（Reduced-function Device，RFD）。FFD設(shè)備支持所有的49個(gè)基本參數(shù)，而RFD設(shè)備在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數(shù)。在PCF模式下，F(xiàn)FD設(shè)備作為協(xié)調(diào)器控制所有關(guān)聯(lián)的RFD設(shè)備的同步、數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程，可以與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何一種設(shè)備進(jìn)行通信。而RFD設(shè)備只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備互通。在PCF模式下，一個(gè)IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中至少存在一個(gè)FFD設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（PAN Coordinator），起著網(wǎng)絡(luò)主控制器的作用，擔(dān)負(fù)簇間和簇內(nèi)同步、分組轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建立、成員管理等任務(wù)。

　　IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)支持星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有16位和64位兩種地址格式。其中64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址，16位段地址用于小型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，或者作為簇內(nèi)設(shè)備的識(shí)別地址。IEEE 802.15.4b標(biāo)準(zhǔn)擁有多個(gè)變種，包括了低速超寬帶的IEEE 802.15.4a，及最近中國(guó)正在著力推進(jìn)的IEEE 802.15.4c和IEEE 802.15.4e，以及日本主要推動(dòng)的IEEE 802.15.4d，在這里就不深入討論了。

　　（2）藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)

　　1998年5月，就在IEEE 802.15無(wú)線個(gè)域網(wǎng)工作組成立不久，五家世界著名的IT公司：愛(ài)立信（Ericsson）、IBM、英特爾（Intel）、諾基亞（Nokia）和東芝（Toshiba）聯(lián)合宣布了一項(xiàng)叫做“藍(lán)牙（Bluetooth）”的研發(fā)計(jì)劃。1999年7月藍(lán)牙工作組推出了藍(lán)牙協(xié)議1.0版，2001年更新為版本1.1，即我們熟知的IEEE 802.15.1協(xié)議。該協(xié)議旨在設(shè)計(jì)通用的無(wú)線空中接口（Radio Air Interface）及其軟件的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使通信和計(jì)算機(jī)進(jìn)一步結(jié)合，讓不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備具有在沒(méi)有電纜的情況下實(shí)現(xiàn)近距離范圍內(nèi)互通的能力。計(jì)劃一經(jīng)公布，就得到了包括摩托羅拉（Motorola）、朗訊（Lucent）、康柏（Compaq）、西門(mén)子（Simens）、3Com、TDK以及微軟（Microsoft）等大公司在內(nèi)的近2000家廠商的廣泛支持和采納。

　　藍(lán)牙技術(shù)也是工作在2.4GHz的ISM頻段，采用快速跳頻和短包技術(shù)減少同頻干擾，保證物理層傳輸?shù)目煽啃院桶踩裕哂幸欢ǖ慕M網(wǎng)能力，支持64Kbps的實(shí)時(shí)語(yǔ)音。藍(lán)牙技術(shù)日益普及，市場(chǎng)上的相關(guān)產(chǎn)品也在不斷增多，但隨著超寬帶技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)及zigbee技術(shù)的出現(xiàn)，特別是其安全性、價(jià)格、功耗等方面的問(wèn)題日益顯現(xiàn)，其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)開(kāi)始下降。2004年藍(lán)牙工作組推出2.0版本，帶寬提高三倍，且功耗降低一半，在一定程度上重建了產(chǎn)業(yè)界信心。

　　由于藍(lán)牙技術(shù)與zigbee技術(shù)存在一定的共性，所以它們經(jīng)常被應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

　　2. 其他無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要構(gòu)建從物理層到應(yīng)用層的完整的網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為其提前制定了物理層及介質(zhì)訪問(wèn)控制層規(guī)范。除了前面討論的IEEE 802.15.4及藍(lán)牙技術(shù)外，無(wú)線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)方案還包括：超寬帶（UWB）技術(shù)、紅外（IrDA）技術(shù)、家用射頻（HomeRF）技術(shù)等，其共同的特點(diǎn)是短距離、低功耗、低成本、個(gè)人專(zhuān)用等，它們均在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中被用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議方案，簡(jiǎn)單介紹如下：

　　（1） 超寬帶（UWB）技術(shù)

　　超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末，是一項(xiàng)使用從幾Hz到幾GHz的寬帶電波信號(hào)的技術(shù)，通過(guò)發(fā)射極短暫的脈沖，并接收和分析反射回來(lái)的信號(hào)，就可以得到檢測(cè)對(duì)象的信息。UWB因?yàn)槭褂昧藰O高的帶寬，故其功率譜密度非常平坦，表現(xiàn)為在任何頻點(diǎn)的輸出功率都非常小，甚至低于普通設(shè)備放射的噪聲，故其具有很好的抗干擾性和安全性。超寬帶技術(shù)最初主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)探測(cè)和定位等應(yīng)用領(lǐng)域中使用，美國(guó)FCC（聯(lián)邦通信委員會(huì)）于2002年2月準(zhǔn)許該技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域。除了低功耗外，超寬帶技術(shù)的傳輸速率輕易可達(dá)100Mbps以上，其第二代產(chǎn)品可望達(dá)到500Mbps以上，僅這一項(xiàng)指標(biāo)就讓其他眾多技術(shù)望塵莫及。圍繞UWB的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)從一開(kāi)始就非常激烈，F(xiàn)reescale的DS-UWB和由TI倡導(dǎo)的MBOA逐步脫穎而出，近幾年國(guó)內(nèi)在這方面的研究也非常熱門(mén)。

　　由于其功耗低、帶寬高、抗干擾能力強(qiáng)，超寬帶技術(shù)無(wú)疑具有夢(mèng)幻般的發(fā)展前景，但超寬帶芯片產(chǎn)品卻遲遲未曾面市，這無(wú)疑留給我們一個(gè)大大的遺憾。近年來(lái)開(kāi)始出現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的報(bào)道，不過(guò)這項(xiàng)底蘊(yùn)極深的技術(shù)還需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的共同推動(dòng)。目前超寬帶技術(shù)可謂初露鋒芒，相信它屬于大器晚成、老而彌堅(jiān)的類(lèi)型，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中必會(huì)大有作為。

　　（2） 紅外（IrDA）技術(shù)

　　紅外技術(shù)是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，是由成立于1993 年的非營(yíng)利性組織紅外線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)IrDA（Infrared Data Association）負(fù)責(zé)推進(jìn)的，該協(xié)會(huì)致力于建立無(wú)線傳播連接的世界標(biāo)準(zhǔn)，目前擁有130個(gè)以上的正式企業(yè)會(huì)員。紅外技術(shù)的傳輸速率已經(jīng)從最初FIR的4Mbps上升為現(xiàn)在VFIR的16Mbps，接收角度也由最初的30°擴(kuò)展到120°。由于它僅用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，且具有一定方向性，故數(shù)據(jù)傳輸所受的干擾較少。由于產(chǎn)品體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請(qǐng)等優(yōu)勢(shì)，紅外技術(shù)從誕生到現(xiàn)在一直被廣泛應(yīng)用，可謂無(wú)線個(gè)域網(wǎng)領(lǐng)域的一棵常青樹(shù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其硬件與配套的軟件技術(shù)都已相當(dāng)成熟，目前全世界有至少5000萬(wàn)臺(tái)設(shè)備采用IrDA技術(shù)，并且仍然以年遞增50%的速度在增長(zhǎng)。當(dāng)今有95%的手提電腦都安裝了IrDA 接口，而遙控設(shè)備（電視機(jī)、空調(diào)、數(shù)字產(chǎn)品等）更是普遍采用紅外技術(shù)。

　　但是IrDA是一種視距傳輸技術(shù)，核心部件紅外線LED也不是十分耐用，更無(wú)法構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，造成紅外技術(shù)終究沒(méi)能成為無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的物理層標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，僅在極少數(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中進(jìn)行過(guò)嘗試（如定位跟蹤），并且是與其他無(wú)線技術(shù)配合使用的。