IEEE 802.15.4标准及其应用

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2011-06-28 20:10

清水绿竹

清清流水 绿色竹林

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概 述

在《电子设计应用》创刊号中，笔者已经介绍了无线个人网络(WPAN)和无线分布式感知/控制网络(WDSCN)。与其他的网络一样，WPAN 和WDSCN 网络中的网络设备可能会由不同的公司进行开发生产，所以一个统一的协议或标准显得尤其重要。

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。

图1 802.15.4标准的结构

图2 802.15.4的MAC 层数据帧

共存组 为所有工作在2.4GHz 频带上的无线应用建立一个标准。

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 k bps 、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/868,9 15MHz)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 SA P(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。