許多設計人員都聽說過 zigbee 與 IEEE 802.15.4 標準，但不清楚到底應該選擇zigbee，還是 802.15.4，抑或是開發自己的專有網絡協議。本文將以專有協議為例，介紹各種協議的優勢，并在性能和應用領域方面進行對比區分。討論不同的網絡拓撲、資源要求以及靈活特性，從而幫助利益相關方（interested party）選擇最適合自己應用需求的開發協議。

　　本文分三部分講述低功耗網絡及在他們之間如何選擇的問題。第一部分論述網絡基礎知識以及低功耗網絡選擇標準；第二部分繼續探討選擇標準，并介紹802.15.4 協議；第三部分介紹 zigbee 和專有網絡協議 SimpliciTI，并根據上述選擇標準衡量這些協議。

　　第一部分

　　電子市場中的最主要趨勢之一就是越來越多的產品都開始添加無線連接功能。水電氣表、家庭安全系統、電視遙控或健身設備等各種產品都添加了無線連接功能，這一方面是為了方便用戶使用，用戶可通過無線遙控在房間任意位置操控，不像紅外線遙控非要瞄準設備才能工作；另一方面，這種無線操控也是為了減少房間重新布線的昂貴成本例如不用重新布線就能安裝家庭安全系統等。此外，自動抄表系統 （AMR） 或高級電表架構 （AMI） 等設備也越來越依賴低功耗協議使設備的電池使用壽命能夠長達數年之久。

　　本文將概括介紹無線網絡協議，不過將重點介紹 zigbee 與 802.15.4 協議，并將其與專有網絡協議進行對比，這些協議根據設計都能滿足低功耗應用的要求。盡管許多工程師對這些網絡協議都已經比較熟悉了，但可能還沒有仔細對其加以評估。即便有人曾經評估過這些協議，但在特定應用時可能仍不清楚到底哪種協議最合適。本文分三部分。第一部分，我們將介紹網絡基礎知識，其中包括常見的網絡術語、開放系統互連 （OSI） 網絡模型等，并探討在為特定應用選擇網絡時應考慮的因素；第二部分，我們將給出一系列網絡選擇標準，根據這些標準對三種網絡協議加以對比；第三部分，我們將詳細介紹 802.15.4、zigbee 以及 SimpliciTI 專有網絡協議，并給出具體實例，說明如何根據選擇標準確定適合特定應用的最佳網絡協議。

　　目前，推出的無線網絡協議種類繁多。下面我們僅列出部分網絡協議：

　　WiFi（802.11b）、藍牙、zigbee、zigbee Pro、802.15.4、RFID 以及 Wireless USB 等標準化協議。

　　芯片廠商、第三方等推出的專有協議，本文稱之為“DIY”網絡協議，僅用于推出該協議的公司自己生產的產品中。

　　圖 1 顯示了多種網絡協議及其重點應用領域和典型資源要求等。我們在比較低功耗協議（如 zigbee/802.15.4 與其它協議）時，應重點關注低功耗無線網絡區別于其它網絡的一些關鍵特性，比如數據速率低、連接距離短、幀開銷低、復雜性低等，還有就是協議本身的電源管理要求。上述各項設計因素都是為了最終實現降低網絡單位節點功耗的目的。如圖 1 所示，zigbee/802.15.4 協議理想適用于環境監控市場領域中的相關應用，不僅可確保電池供電設備能長時間最佳工作，而且相對于支持更大型復雜化協議的硬件來說還能有效降低成本。

　　低功耗網絡主要設計用于為電池供電設備（電池使用壽命達數月或數年之久）間提供無線連接。大多數低功耗無線系統中，以無線電發送和接收數據最為耗電。因此，我們應盡可能降低無線電的功耗，這對延長電池使用壽命至關重要。由于信號發送和接收之間的距離與天線的功率輸入成正比，因此不同節點間的無線網絡覆蓋范圍一般有限。無線協議還應降低自身的復雜性，以降低計算開銷，避免使用大容量存儲器，從而降低成本。

　　網絡基礎知識

　　圖 2 顯示了典型低功耗網絡節點的結構圖。通常，節點中有一個或多個傳感器負責收集數據或狀態和/或向系統提供用戶接口。微控制器連接于傳感器并控制無線電（本例中為 CC1100 或 CC2500），而無線電則負責傳輸和接收狀態。

　　圖 2 — 典型低功耗網絡結構圖（本例顯示的是自動抄表系統應用）

　　不管是有線網絡還是無線網絡，我們在概念上都可將網絡節點通信視為如圖 3 所示的網絡開放系統互連 （OSI） 基本參考模型。這一模型于上世紀 70 年代末由國際標準化組織 （ISO） 制定，該模型將網絡協議實施組件（component）分為不同的軟件層。在不同設備上的兩個應用要想通信，消息必須穿過應用層，經過物理層到達另一側。每一層都只能與其相鄰層通信。

　　怎么理解分層軟件架構呢？我們可以設想一下寄信的過程。信件本身就相當于應用數據。我們把信投在信箱里，等著郵遞員取出，再拿到郵局。郵局根據收信人地址將所有信件分類，再通過航空、海運或陸路方式將信件寄到最終目的地。信件要想達到收信人的手中，在收信人一方的郵局也必須經過相反的一套程序，先是寄到收信人所在的郵局，按目的地分類，再發送到收信人的郵箱，最終達到收信人手里。寄信過程實際反映了一個四層通信協議。寫信是第一層，當地郵局的收發是第二層，郵局對信件分類是第三層，而信件運輸方式則是第四層。每一層都有自身的任務，也只同相鄰層有關。信件只有從整個環節的一端傳送到另一端，信件的內容（或應用數據）才能在雙方之間得到成功交流。

　　OSI 模型涉及 7 個不同的軟件層。應用層是直接針對用戶的界面。表示層將消息格式化為進出網絡的格式，通常體現為消息加密和/或編碼。會話層創建并管理網絡上任何兩個設備間的邏輯鏈接。傳輸層負責提供可靠的端對端通信功能。如果傳輸層的故障過于頻繁，那么通道噪聲可能過大，或鏈接本身質量不佳，這時就要通知會話層在發生故障的節點間建立新的鏈接。網絡層負責網絡路由機制，而不同設備間的消息傳輸則由數據鏈路層負責。數據鏈路層確保消息點對點交付，但消息在物理介質上的實際傳輸則由物理層負責。這樣，消息就能從 OSI 模型的一端傳輸至另一端。

　　設計人員可以選擇實施不同數量層的協議，并能根據應用需要選擇定制其它層。目前大多數網絡實施方案實際上都不能完全實施所有的層，需要根據協議要求將某些層的功能加以混合。事實上，OSI 模型是我們理解協議架構復雜性和不同功能的最佳框架。設計人員應當明白自己的解決放案要實施哪些功能，哪些功能可不予以考慮。

　　為了明確到底在 zigbee、802.15.4 和專有網絡之中選擇何種無線協議，我們列出一些選擇標準：

　　應用考慮事項

　　穩健性與可靠性

　　簡便易用性

　　硬件及 RF 考慮事項

　　下面我們將詳細討論上述各標準。

　　應用考慮事項

　　網絡設計的初始步驟與其它任何系統設計工作一樣，都是定義應用的高級要求。下面我們列出一些最重要的網絡參數，這是在確定任何無線協議作為最終解決方案之前都應加以明確定義的。我們隨后在本文中將根據這些標準來介紹可能的實施方案，而這些選擇標準和協議本身都將得到進一步詳細說明。

　　網絡拓撲

　　應用需要多少個節點？節點采取什么樣的基本組織形式？

　　通信可靠性

　　網絡對每個數據包的接收有多重要？

　　網絡安全性

　　數據是否需要確保安全？如果需要的話，網絡數據傳輸的絕對安全性到底有多重要？

　　定制和設計的靈活性

　　網絡協議解決方案需要進行多大程度的定制化以滿足應用需求，協議是否提供無約束設計？

　　開發時間及協議復雜性

　　這一條與第 4 項密切相關，有關協議本身的復雜性有多高？

　　互操作性

　　與其他廠商技術的互操作性是否能使最終產品受益？最終產品是否會成為完全專有解決方案？

　　圖4給出了四種最常見的無線網絡拓撲實施方案。

　　點對點網絡拓撲支持網絡上不同節點間的單向或雙向鏈接。只有節點處在連接范圍以內時才會相互通信，因為保持直接的物理鏈接是其通信的必要條件；唯一的例外是廣播消息，其可以通過網絡重復廣播傳播。樹狀網絡拓撲中，每個網絡節點都與其父節點相關聯，網絡尋址也會反映出這種節點關系，這與 IP 因特網地址非常類似。這樣，我們就能實施更加有效的路由算法，因為更多的節點網絡地址位數可以反映出某個節點相對于其對等節點的關系。星形網絡可將單個節點視為網絡協調點，負責各種可能的網絡管理控制工作，如節點關聯、節點網絡加入與鏈接許可、消息轉發以及安全交換等。星形網絡依靠協調點來保持網絡通信，如果協調節點出了問題，網絡通信也會受到影響。

　　從最基本的意義上說，網狀網絡是指每個節點至少要有兩條連接路徑的網絡。而全網狀網絡是指每個節點都有到其它節點的直接連接的網絡。全網狀網絡在許多情況下是不合理的，因為這很快就會將網絡規模限制在連接能力最弱的設備所覆蓋的最小網絡范圍內，而網狀網絡的要求又過于嚴格。然而，人們會在兩種情況之間找到某種折中，通過某個中央節點發起網絡，用樹狀尋址技術來定位節點并管理節點間的關聯關系。范圍擴展器也稱路由節點，可在網絡中發送消息，如果一個節點或協調節點出了問題，網絡仍能繼續正常工作，只是會在一定程度上影響操作性。自愈路由發現以及路由過期 （route expiration）等其它優異特性可提高路由算法的可靠性與效率。

　　需要考慮的另一個重要因素是使用某協議所涉及的財務成本。使用某組織提供的專有網絡協議一般要支付會員費或專利使用費。不過使用 zigbee 無需支付專利使用費，但要求加入該聯盟并每年交納象征性的會員費的。此外，驗證過程也需要投入大量的時間和金錢。芯片廠商的專有協議通常要求其產品只許在其特許場所使用。

　　穩健性與可靠性

　　低功耗網絡協議實施的穩健性與可靠性可歸結為三點：消息交付、物理層考慮事項以及消息發送協議。消息交付取決于路由技術來確保數據包的成功傳輸以及網絡交易的安全性。物理層考慮事項涉及工作通道內的噪聲或其它傳輸信號的干擾問題。消息發送協議則定義了通道的分區，確保所有設備都能使用物理介質，而不會在傳輸過程中導致數據包沖突。上述三點均有助于提高網絡服務質量 （QOS），是一系列用以測量數據包通信效率、傳輸速率及故障率的網絡標準。

　　通道掃描即偵聽通道中傳輸量或噪聲大小的能力，屬于物理層考慮事項。網絡協議通過通道掃描來查找特定工作頻帶內最不可能干擾節點間通信的通道。頻率捷變性是指網絡改變網絡上所有節點的工作通道的能力，這樣即便某條通道遭到干擾，網絡仍能繼續工作。我們還能通過確認機制來改善消息交付能力，即讓接收節點在成功接收數據包后向最初的發送節點反饋一個 ACK 確認信息。點對點確認機制配合消息重試次數定義有助于大幅降低數據包丟失的可能性。而端對端確認機制將提供另一層安全性，確保數據包不會丟失，這在采用復雜路由算法的大型多跳轉網絡中尤其重要。

　　消息發送協議定義了網絡帶寬是如何獲得并進行分區的。不同的無線協議可定義不同的帶寬分區，其可能包括頻分、空分、時分或碼分等。頻分可理解為一屋子的人用高低不同的聲音談話；空分可理解成一屋子的人在不同方向上談話；時分可理解成一屋子的人都競爭說話權，但只要有一個人搶先發言，其他人就不再說話了；碼分則可理解為一屋子的人用高低不同的聲音講不同的語言。在本文涉及的協議中只討論時分，也就是時分多址協議，這種協議有同步和異步通信兩種可能的實施方案。

　　協調節點廣播周期性網絡信標并將不同信標間的時間間隔劃分為相同的時隙，從而實現同步通信。單個網絡信標以及出現在下一信標之前的各時隙均稱作超幀。超幀的時隙可進一步分為活動和非活動通信期，這樣協調節點在非活動期的低功耗模式下就能進入休眠狀態。我們可通過通道偵聽多址（CSMA）技術或通信前偵聽算法來確保或讓各方爭用時隙。

　　CSMA 算法定義了多個節點同時嘗試通信時判優RF 通道使用的協議。最常見的實施方案是采用 CSMA/CA 算法，這里的 CA是指防碰撞系統，因為發送節點一旦偵聽到通道繁忙將取消發送消息。CSMA 算法還有其它的實施，如 CSMA/CD（碰撞檢測）和CSMA/CR（碰撞解決）等，但這些在 RF 協議實施中并不常見，也不在本文討論的范圍之內。

　　安全性是影響無線通信穩健性的另一個重要因素，同時也是網絡的主要功能。例如，家庭安全網絡可能包含一個車庫門開啟器，用它來開關車庫門鎖。這種系統需具有高度的安全性，防止偷聽或出現安全漏洞，確保隱私。我們可通過采用不同級別的安全密鑰和加密機制、進行消息驗證與完整性保護、使用安全信任中心（trust center）等方式來確保安全性，也就是說，通過網絡上的單個節點（通常是網絡協調節點）而不是采用分布式安全機制來解決所有安全問題。如果采用分布式安全機制，在創建不同鏈接時會分別交換對稱密鑰，某個攻擊節點會繞開管理節點的直接驗證，很容易進入網絡。