IEEE802.15.4标准及其应用

IEEE802.15.4标准及其应⽤
IEEE 802.15.4标准及其应⽤
2002年，IEEE 802.15 ⼯作组成⽴，专门从事WPAN标准化⼯作。

它的任务是开发⼀套适⽤于短程⽆线通信的标准，通常我们称之为⽆线个⼈局域⽹（WPANs）。

⽬前，IEEE 802.15 WPAN共拥有4个⼯作组：蓝⽛WPAN⼯作组蓝⽛是⽆线个⼈局域⽹的先驱。

在初始阶段，IEEE并没有制定蓝⽛相关的标准，所以经过⼀段快速发展时期后，蓝⽛很快就有了产品兼容性的问题。

现在，IEEE决定制定⾏业标准来开发能够相互兼容的蓝⽛芯⽚、⽹络和产品。

⾼数据率WPAN⼯作组其802.15.3标准适⽤于⾼质量要求的多媒体应⽤领域。

802.15.4⼯作组为了满⾜低功耗、低成本的⽆线⽹络要求，IEEE标准委员会在2000年12⽉份正式批准并成⽴了802.15.4⼯作组，任务就是开发⼀个低数据率的WPAN（LR-WPAN）标准。

它具有复杂度低、成本极少、功耗很⼩的特点，能在低成本设备（固定、便携或可移动的）之间进⾏低数据率的传输。

表1中概括了⼀些802.15.4的特点。

⽬前该标准仍处于不断改善和修订阶段，预计于2003年初推出正式标准。

802.15.4⽆线发射/接收机及⽹络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell这些国际通信与⼯业控制界巨头们极⼒推崇。

IEEE 802.15.4 标准及其技术特点IEEE 802.15.4 满⾜国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模式。

它包括物理层、介质访问层、⽹络层和⾼层。

图1是对这些层的描述。

物理层IEEE 802.15.4 提供两种物理层的选择（868/915 MHz和2.4GHz），物理层与MAC 层的协作扩⼤了⽹络应⽤的范畴。

这两种物理层都采⽤直接序列扩频（DSSS）技术，降低数字集成电路的成本，并且都使⽤相同的包结构，以便低作业周期、低功耗地运作。

2.4G物理层的数据传输率为250kb/s，868/915MHz物理层的数据传输率分别是20 kbps、40 kbps.
2.4GHz物理层的较⾼速率主要归因于⼀个较好的调制⽅案：基于DSSS⽅法（16个状态）的准正交调制技术。

来⾃PPDU的⼆进制数据被依次（按字节从低到⾼）组成4位⼆进制数据符号，每种数据符号（对应16状态组中的⼀组）被映射成32位伪噪⾳CHIP，以便传输。

然后这个连续的伪噪⾳CHIP序列被调制（采⽤最⼩移位键控⽅式MSK）到载波上，即采⽤半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控（O_QPSK）调制⽅式。

868/915MHZ物理层使⽤简单DSSS⽅法，每个PPDU数据传输位被最⼤长为15的CHIP 序列（m-序列）所扩展。

即被多组
+1，-1构成的m-序列编码，然后使⽤⼆进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。

不同的数据传输率适⽤于不同的场合。

举例如下，868/915MHz 物理层的低速率换取了较好的灵敏度（-85dbm/2.4G，-92dbm/868，915MHz）和较⼤的覆盖⾯积，从⽽减少了覆盖给定物理区域所需的节点数。

2.4G物理层的较⾼速率适⽤于较⾼的数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合。

介质访问层IEEE 802.15.4 MAC层的特征是：联合，分离，确认帧传递，通道访问机制，帧确认，保证时隙管理，和信令管理。

MAC⼦层提供两个服务与⾼层联系，即通过两个服务访问点（SAP）访问⾼层。

通过MAC通⽤部分⼦层SAP（MCPS-SAP）访问MAC数据服务，⽤MAC层管理实体SAP（MLME-SAP）访问MAC管理服务。

这两个服务为⽹络层和物理层提供了⼀个接⼝。

灵活的MAC帧结构适应了不同的应⽤及⽹络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。

MAC帧的通⽤格式如图2所⽰。

帧控制说明了如何看待帧的其余部分及它们包含什么。

序列号是传输数据帧及确认帧的序号。

仅当确认帧的序列号与上次数据传输帧的序列号⼀致时，才能判定数据传输业务成功。

帧校验序列是16位循环冗余校验。

净荷（payload）是MAC帧要承载的上层数据。

它的字段长度可变。

MAC数据帧被送⾄物理层，作为物理层帧数据（PPDU）的⼀部分。

⽹络层⽹络层包括逻辑链路控制⼦层。

802.2标准定义了LLC，并且通⽤于诸如802.3，802.11及802.15.1等802系列标准中，⽽MAC⼦层与硬件联系较为紧密，并随不同的物理层实现⽽变化。

⽹络层负责拓扑结构的建⽴和维护、命名和绑定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须的任务。

这个标准的⽹络层被期望能⾃⼰组织和维护。

IEEE 802.4标准⽀持多种⽹络拓扑结构，包括星型和点-点拓扑结构。

应⽤的设计选择决定了拓扑结构；⼀些应⽤，诸如PC外设，适合低延时的星型连接，⽽对于别的，诸如涉及安全要求领域，适合⼤⾯积的点-点拓扑结构。

802.15.4 WPAN具有如下的特点：可升级卓越的⽹络能⼒，可对多达254个的⽹络设备进⾏动态设备寻址。

适应性与现有控制⽹络标准⽆缝集成。

通过⽹络协调器（Coordinator）⾃动建⽴⽹络，采⽤CSMA-CA⽅式进⾏信道存取。

可靠性为了可靠传递，提供全握⼿协议。

与蓝⽛的⽐较在过去的⼏年内，蓝⽛技术引起了极⼤的关注。

在⽂章的第⼀部分已经提到，蓝⽛被重新定义为802.15.1.⼤多数了解蓝⽛的读者可能会有⼀个共同的问题：蓝⽛（802.15.1）与802.15.4的本质区别是什么？为什么通信、控制⼯业会注重对WPAN的新技术802.15.4的投资？表2回答了这个问题。

从上⾯两个表格中的数据可见：* 802.15.4和蓝⽛很相似，⼆者均⽤于WPAN. * 802.15.4适⽤于传感器、玩具和家庭⾃动控制，同时注重于低速数据或短操作时间的控制和通信⽹络；蓝⽛则是在ad-hoc（peer to peer）⽹络中擅长便携式⾳频、便携式屏幕图表图象及⽂件的传输。

* 802.15.4 设计特点是能够合理地优化能源的使⽤。

⼀块正常电池的使⽤寿命可以达到2年以上；蓝⽛的能耗与移动电话类似（需定期充电）；802.15.4技术的应⽤和挑战产品的⽅便灵活、易于连接、实⽤可靠及可继承延续是市场的驱动⼒。

IEEE 802.15.4的早期客户将是⾼端⼯业⽤户，这是由于802.15.4主要应⽤于⼯业控制、远程监控和楼宇⾃动化领域，后期802.15.4的市场将转向消费者和家庭⽤户，主要应⽤于家庭⾃动化、安全和交互式玩具，其市场的动⼒来将⾃其低造价、⼩功耗以及便于使⽤的特点，最终每个802.15.4发射接收机的价格将低于5美元。

对于⼯业市场领域来说，感应器⽹络是主要市场对象。

将感应器和802.15.4WPAN设备组合，进⾏数据收集、处理和分析，就可以决定是否需要或何时需要⽤户操作。

⽆线感应器应⽤实例包括恶劣环境下的检测，诸如涉及危险的⽕和化学物质的现场、监测和维护正在旋转的机器等等。

在这些应⽤上，⼀个802.15.4WPAN⽹络可以极⼤的降低新感应器⽹络的安装成本并简化对现有⽹络的扩充。

802.15.4 ⽹络另⼀个充满魅⼒的应⽤领域是精作农业。

使⽤⾃动化的远程控制⽹络的智能设备实现农场经营的信息化和软件化是精作农业的新范例。

这需要成千上万个带传感器的LR-WPAN设备组成⽹状⽹络。

感应器将收集有关⽥地的信息，⽐如⼟地湿度、氮浓缩量和⼟壤的PH值等，每个感应器将经过计算的数据传输到它相应的LR-WPAN设备，并通过⽹络将其返回到⼀个中央数据采集设备。

精作农业的⽹络应⽤属802.15.4LR-WPAN的低端应⽤，仅需通过已部署的⽹络设备每天进⾏少许数据的传输。

针对巨⼤的中国市场和2008年国际奥林匹克运动会，802.15.4技术产品将在中国的环境监测和保护领域发挥重要的作⽤。

利⽤该技术可以对污染源，特别是各⼯⼚废⽔，废⽓的排放⼝进⾏实时监测控制，在每个排放⼝安装相应感应器，完成样本的采集、分析和最终的流量测定。

就⽬前的环境来说，污染源的数量⼤的惊⼈，仅北京地区的排污⼝就有⼏万个。

802.15.4 将提供⼀个低成本的⽤于数据采集和传输的⽹状⽹络，⽹络上每个监测点只需在有限的时间内发送⼏个⽐特的数据，数据流是异步的，并在数据等待时间上限制极⼩，这些因素利于电池使⽤寿命的延长。

802.15.4 WPAN应⽤的挑战在于它的⽹络拓扑结构。

由于实际应⽤需⽤⽹状拓扑结构，所以⼀些节点可使⽤能量感知来获取⽣存所需能源，同时充当其他节点的中继器，以便转发信息到最终⽬的地。

⽹络配置也不适合采⽤⼿动配置，应该实现⾃我配置。

802.15.4 的特点决定了它在个体消费者和家庭⾃动化市场有着巨⼤的潜能。

802.15.4 LR-WPAN技术产品将低成本地替换⽤户的有线电⼦设备，从⽽提⾼⼈们的⽣活、娱乐质量。

之所以成本低，是因为它削减了产品的功能集，同时提⾼了产品的专⽤性和使⽤效率。

潜在的产品类型包括电视、VCRs、PC 外围设备和互动玩具和游戏，应⽤范围包括监测和控制家庭的安全系统、照明、空调系统和其他设施。

在⼀个家庭内，可安装这样的⽹络设备多达100~150个，很适合构架⼀个星型拓扑⽹络。

结语正当IEEE802⽆线⼯作组把⼤量精⼒放在如何提⾼数据传输速率⼯作的时候，802.15.4⼯作组已率先把焦点定位在实现低能耗、低成本和低速率⽹络设备的连接和⽬前⽆线协议还没定义的应⽤上。

按照既定计划，IEEE802.15.4协议将在2003年1⽉份正式颁布。

⽬前⼀些通信和控制业的⼤公司如美国摩托罗拉公司、菲利普公司、Eaton等已经巨额投资并开发802.15.4收发器和⽹络设备。

赫⽴讯科技（北京）有限公司正在着⼿进⾏将802.15.4技术引进中国的⼯作。

作为⼀个标准委员会组织成员，赫⽴讯站在⽆线领域研发的前沿，有着很⼤的优势，能够将开发者和⽤户的意见充分结合，以寻求⼀个更好的⽆线解决⽅案。