IEEE 802.15.4标准及其应用
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析IEEE 802.15.4是一种无线传感器网络标准，旨在提供低成本、低功耗和低速率的无线连接。
它通常用于监控和控制应用程序，如智能家居、工业自动化和环境监测等。
在本文中，我们将对IEEE 802.15.4无线传感器网络的性能进行分析，包括网络容量、能耗、传输距离、传输速率等方面。
一、网络容量IEEE 802.15.4网络的容量取决于网络拓扑结构、数据包大小、数据传输速率等因素。
通常情况下，IEEE 802.15.4网络的最大容量受到物理层和MAC层的限制。
在物理层，IEEE 802.15.4使用2.4GHz频段进行通信，最大传输距离取决于天线和环境因素，并且存在传输干扰的风险。
在MAC层，IEEE 802.15.4采用CSMA/CA协议来进行信道访问，因此网络容量受到信道竞争和冲突的影响。
二、能耗能耗是无线传感器网络中的重要考量因素。
IEEE 802.15.4在能耗方面有较好的表现，主要是由于其低功耗特性。
具体来说，IEEE 802.15.4采用了低功耗睡眠模式和低功耗待机模式来降低能耗，进而延长节点的电池寿命。
IEEE 802.15.4还支持能源高效的数据传输机制，如数据压缩、碎片化传输等，来减少能耗。
三、传输距离传输距离是指节点之间能够可靠通信的最大距离。
在IEEE 802.15.4标准中，2.4GHz频段的传输距离一般在10-100米之间，取决于环境和天线功率。
为了扩展传输距离，可以采用中继节点或信号放大器来增强信号。
四、传输速率传输速率是指数据从一个节点传输到另一个节点的速度。
在IEEE 802.15.4中，传输速率一般为250kbps，在低功耗模式下可降至20kbps。
这种低速率的设计是为了降低功耗，适用于周期性数据采集和低带宽的应用场景。
传感器网络标准方案—IEEE 802.15.4ZigBee简介
低成本、低功耗、应用简单的IEEE 802.15.4/ZigBee协议的诞生为无线传感器网络及大量基于微控制的应用提供了互联互通的国际标准，也为这些应用及相关产业的发展提供了一个契机。
近两年无线传感器网络的飞速发展，大量无线终端诞生。
这些以传感器和远程控制为代表的无线应用不需要较高的传输带宽，而需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列。
蓝牙技术在这方面有很大的发展空间，但它不是一种符合传感器和低端面向控制等简单应用的专用标准，对那些在功耗或网络性能要求较高的个人无线应用就显得无能为力了。
IEEE 802.15.4/ZigBee协议的出现正好解决了这一问题。
核心内容2003年10月，就在IEEE推出802.15.4协议标准的同时，ZigBee联盟也开始酝酿与之相配套的网络层及应用层的协议，目的并不是为了推出一项具体的技术，而是为了给传感器网络和控制系统推出一个标准的解决方案。
IEEE 802.15.4/ZigBee协议是由IEEE 802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的，其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可*的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。
该标准一出现就引起了业界的广泛重视，短短一年多的时间内便有上百家集成电路、运营商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自发成立了若干联盟。
IEEE 802.15.4/ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构(Star)、簇状结构(Cluster tree)和网状结构(Mesh)，如图1所示。
协议定义了两种相互配合使用的物理设备——全功能设备和削减功能设备：● 全功能设备(Full function device, FFD)，可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信。
● 削减功能设备(Reduced function device, RFD)，只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。
802[1].15.4简介
![802[1].15.4简介](https://img.taocdn.com/s3/m/511624db5022aaea998f0fa8.png)
802.15.4简介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（10m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10m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2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。
免许可证的2.4GHz ISM频段全世界都有，而868MHz和915MHz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2.4GHz频段有16个速率为250Kbit/s(或62.5 K symbol/s)的信道，在915 MHz频段有10个40 Kbit/s（或40 K symbol/s）的信道，在868MHz频段有1个20 Kbit/s（或20 K symbol/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。
ieee15.4标准
ieee15.4标准IEEE 802.15.4标准是一种针对低速、低功耗无线个人局域网（WPAN）的通信技术标准。
它主要应用于物联网、传感器网络、工业自动化等领域，为这些领域提供了一种低成本、低功耗、低速率的无线通信解决方案。
IEEE 802.15.4标准的核心特性包括低功耗、低数据速率、低成本和简单的网络拓扑结构。
这些特性使得它非常适合于需要长时间运行、节点分布广泛、通信距离较短的应用场景。
在物联网中，大量的传感器和执行器需要长时间运行，而且它们通常需要距离较近的通信。
IEEE 802.15.4标准正是为这样的场景而设计的。
在IEEE 802.15.4标准中，定义了两种工作模式，非信标模式和信标模式。
非信标模式下的设备可以在任何时间进行通信，而信标模式下的设备则需要按照信标的时间进行通信。
这种灵活的工作模式设计，使得IEEE 802.15.4标准可以适应不同的应用场景，既可以满足实时性要求较高的应用，也可以满足对功耗要求较高的应用。
IEEE 802.15.4标准还定义了多种物理层和介质访问控制层的选择，包括2.4GHz频段和868/915MHz频段的物理层，以及CSMA/CA和时间分割多址访问的介质访问控制层。
这种灵活的选择机制，使得IEEE 802.15.4标准可以在不同的频段和不同的环境中工作，从而更好地适应不同的应用场景。
除了上述核心特性外，IEEE 802.15.4标准还定义了网络拓扑结构、数据格式、安全机制等内容，为用户提供了完整的通信解决方案。
用户可以根据自己的需求选择合适的网络拓扑结构，可以灵活地定义数据格式，还可以根据需要启用安全机制，保护通信内容的机密性和完整性。
总的来说，IEEE 802.15.4标准是一种非常适合于物联网、传感器网络、工业自动化等领域的无线通信技术标准。
它的低功耗、低成本、灵活的工作模式和丰富的功能特性，使得它可以满足不同应用场景的需求，为各种设备之间的无线通信提供了可靠的解决方案。
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析IEEE 802.15.4是一种低功耗、低速率和短距离无线传感器网络协议，广泛用于物联网和传感应用中。
本文将对其性能进行分析。
IEEE 802.15.4协议具有低功耗的优点。
这是因为传感器网络通常由许多节点组成，并且节点通常是由电池供电。
降低功耗对于延长网络寿命至关重要。
IEEE 802.15.4协议采用了许多功耗优化技术，例如低功耗睡眠模式和定期活动周期，可以在不需要传输数据时将传感器节点置于睡眠状态，从而减少功耗。
IEEE 802.15.4协议具有低速率的特点。
与其他无线通信协议相比，如Wi-Fi和蓝牙，IEEE 802.15.4的传输速率较低。
这是因为传感器网络通常只需要传输小量的感知数据或控制命令，因此速率要求较低。
低速率可以减少网络拥塞和碰撞，并提高整体网络吞吐量。
IEEE 802.15.4协议适用于短距离传输。
传感器网络通常是分布在一个有限的区域内，例如一个建筑物或一个农田。
传感器节点之间的通信距离较短。
IEEE 802.15.4协议的传输距离通常在几十米到几百米之间，因此适用于此类场景。
在性能方面，IEEE 802.15.4协议具有较低的时延。
传感器网络通常对数据传输的时延要求较低，特别是对于实时应用。
IEEE 802.15.4协议通过使用简单的媒体访问控制（MAC）协议和短数据包长度来实现低时延。
这使得它在实时应用中表现良好，例如环境监测、健康监护和自动化控制等。
因为IEEE 802.15.4协议的传输速率较低，对于大量数据传输的应用，性能可能会有所下降。
传感器网络通常由大量的节点组成，并且节点之间可能存在干扰和碰撞，这可能会影响网络的性能和可靠性。
在设计和部署IEEE 802.15.4网络时，需要仔细考虑网络拓扑、节点密度和通信负载等因素。
IEEE_802.15.4协议原理与应用
Master/Slave
Peer-Peer Topology
Peer-to-Peer Cluster tree
Full functional device
Communications flow
Cluster-tree-Topology
Network coordinator
Network coordinator PAN coordinator Non-coordinator FFD
IEEE 802.15.4不同版本
IEEE 802.15.4 Version IEEE 802.15.4 - 2003 Details and comments This was the initial release of the IEEE 802.15.4 standard. It provided for two different PHYs - one for the lower frequency bands of 868 and 915 MHz, and the other for 2.4 GHz. ------ZigBee使用的是这个版本。 This 2006 release of the IEEE 802.15.4 standard provided for an increase in the data rate achievable on the lower frequency bands. This release of the standard updated the PHY for 868 and 915 MHz. It also defined four new modulation schemes that could be used - three for the lower frequency bands, and one for 2.4 GHz. This version of the IEEE 802.15.4 standard defined two new PHYs. One used UWB technology and the other provided for using chirp spread spectrum at 2.4 GHz. Updates for 2.4 GHz, 868 MHz and 915 MHz, UWB and the China 779-787 MHz band. 2.4 GHz, 868 MHz, 915 MHz and Japanese 950 - 956 MHz band. This release defines MAC enhancements to IEEE 802.15.4 in support of the ISA SP100.11a application.
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析无线传感器网络是由大量分散在空间中的微小传感器节点组成，这些节点通过无线通信和处理，可以实现对环境的监测、控制和数据采集等功能。
IEEE 802.15.4是一种为无线传感器网络设计的低功耗、低数据率、短距离的通信协议。
一、覆盖范围IEEE 802.15.4协议采用2.4GHz频段，可达30米至100米的通信范围，具有很强的抗干扰能力。
由于其短距离的特点，更适合在小范围内部署传感器节点。
二、数据传输速率由于无线传感器网络需要低耗电，因此IEEE 802.15.4协议的数据传输速率较低，最大可达250kbps。
这一速率足以满足对低速数据传输的需求，如温度、湿度、光照等传感器数据的采集。
但对于高速数据传输，如视频等，需要采用其他协议。
三、可靠性IEEE 802.15.4协议采用星型拓扑结构，其中每个传感器节点都直接连接到一个中心节点。
这种结构保证了数据传输的可靠性，即使某个节点发生故障，其他节点也不会受到太大影响。
此外，IEEE 802.15.4协议还采用了CSMA/CA（载波监听多路接入/碰撞避免）技术，有效避免了信号的碰撞和丢失，提高了信号传输的可靠性。
四、能耗无线传感器网络的节点需要依靠电池等能量供应，而IEEE 802.15.4协议的设计目标之一就是降低节点的能耗。
该协议采用了子帧、信标、休眠等传输机制，通过对传输过程中的空闲时间进行优化，有效减少了节点的能耗。
此外，IEEE 802.15.4协议还支持多种工作模式，包括低功耗模式、睡眠模式等，可进一步降低节点的能耗。
五、安全性无线传感器网络中，节点通常面临着多种安全威胁，如窃听和欺骗攻击。
而IEEE 802.15.4协议则提供了多种安全机制，如数据加密、身份验证等，能够保证数据在传输过程中的安全性和完整性。
总体来说，IEEE 802.15.4无线传感器网络性能上佳，适合在小范围内进行传感器节点的部署。
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析IEEE 802.15.4无线传感器网络是一种低成本、低能耗、低速率的无线网络技术，广泛应用于物联网、无线传感器网络以及工业控制系统等领域。
本文将对IEEE 802.15.4无线传感器网络的性能进行分析，并探讨其在实际应用中的优势和不足之处。
一、性能分析1. 数据传输速率IEEE 802.15.4无线传感器网络的最大传输速率为250kbps，相对于一般的Wi-Fi网络速率较低，但对于传感器网络来说已经足够。
该速率能够满足传感器网络对于低速率、长距离的数据传输需求。
2. 能耗IEEE 802.15.4无线传感器网络在设计之初就考虑了低能耗的特点，具有较低的待机功耗和传输功耗。
通过采用节能技术，传感器节点可以在不损失数据传输质量的前提下延长电池寿命，有效降低了网络的运行成本。
3. 网络覆盖范围IEEE 802.15.4无线传感器网络具有较大的网络覆盖范围，能够支持上千个节点的接入，并且能够实现网络的自组网和自愈能力。
这使得该网络技术在大规模传感器网络应用中具有很好的适用性。
4. 抗干扰能力IEEE 802.15.4无线传感器网络采用了低速率、窄带宽的调制技术，能够有效地抵抗外部干扰，保证了网络的稳定性和可靠性。
该网络还支持多频道操作，能够在高干扰环境下稳定工作。
5. 实时性能IEEE 802.15.4无线传感器网络能够满足很多实时性要求较高的应用场景，如工业自动化控制系统和实时监测系统。
网络节点之间的通信延迟较低，能够在短时间内完成数据的采集和传输。
二、应用分析1. 物联网在物联网领域，IEEE 802.15.4无线传感器网络可以为各种物联网设备提供连接和数据传输功能。
它能够满足物联网设备对于低功耗、低成本、长距离传输的需求，适用于家庭自动化、智能城市、智能农业等应用场景。
2. 环境监测在环境监测方面，IEEE 802.15.4无线传感器网络可以实现对大范围环境参数的实时监测和数据传输，如气象、土壤、水质等环境参数的监测。
ieee802.15.4 2020标准中文
IEEE 802.15.4是一种用于低功耗、低数据速率的无线个人局域网（WPAN）的标准。
它使用了低功耗、低复杂度的传输技术，能够支持大量的设备之间的数据传输和通信。
该标准在物联网（IoT）和传感器网络中得到了广泛的应用，因为它能够提供可靠的、低成本的无线通信解决方案。
1. 发展历程IEEE 802.15.4标准最初于2003年发布，随后在2011年和2015年进行了修订。
2020年，IEEE 802.15.4标准再次经过大规模的更新和完善，以应对快速发展的物联网需求。
新标准考虑了对更多设备的支持、更高的能效和更强的安全性等方面的要求，使得其在各种应用场景中更加实用和可靠。
2. 技术特点IEEE 802.15.4 2020标准中文版在技术方面进行了多项升级和改进。
首先是数据速率的提升，新标准支持更高的数据传输速率，这对于一些对数据传输速率有要求的应用来说，是一个重大的突破。
其次是能耗的优化，新标准在能耗管理方面进行了更细致的设计，使得设备在低功耗状态下能够更加高效地工作。
在网络拓扑结构方面也进行了优化，支持更加灵活的拓扑结构，能够更好地适应不同场景下的网络布置需求。
3. 应用场景IEEE 802.15.4 2020标准中文版适用于各种物联网和传感器网络的应用场景。
智能家居领域，通过该标准可以实现各种智能设备之间的互联互通，如智能灯具、温控设备、智能家电等。
在工业领域，可以应用于物联网设备的监测和控制，实现生产流程的智能化。
在农业领域，可以用于环境监测、农作物生长监测等方面。
在医疗、交通、环保等各个领域都有广泛的应用前景。
4. 个人观点我认为IEEE 802.15.4 2020标准中文版的发布对于推动物联网和传感器网络的发展具有重要意义。
随着物联网应用的普及和传感器网络的发展，对于低功耗、低数据速率的无线通信解决方案的需求也越来越大。
新标准在提高数据速率和能耗管理的也更加注重安全性和灵活性，能够更好地满足各种应用场景下的需求。
基于ieee802.15.4标准无线传感器网络的应用分析
东南大学硕士学位论文第二章ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准介绍正是由于无线传感器网络与身自来的优点和它广阔的应用领域，推动着它本身不断向前发展，并吸引了很多重量级厂商的关注。
２００２年，英国ｌｎｖｅｎｓｖｓ公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦公司等共同宣布组成ｚｉｇＢ∞技术联盟，共同开发研究针对无线传感器网络低成本、低功耗、低速率特点的ｚｉｇＢ却技术。
目前ｚｉｇＢ∞联盟已发展和壮大为由ｌｏｏ多家芯片制造商、软件开发商、系统集成商和标准化组织组成的技术组织。
世界上各大公司和组织普遍看好ｚｉｇＢｅｃ技术及其未来的应用潜力和价值，在２００３年１１月，ＩＥ髓正式发布了该项技术物理层和媒体接入层所采用的标准协议，即ｍＥＥ８０２．１５．４标准，作为ｚｉｇＢ∞技术的物理层和媒体接入层的标准协议，２００４年１２月，ｚ培Ｂ∞联盟正式公布了该项技术标准…。
２．１标准概述ｍ旺８０２．１５．４标准嘲为低速率无线个域网（ｕｂｗＰＡＮｌｏｗ．ｆ眦ｗｈｌ嚣ｓｐｅｒｓ０彻ｌａ渤ｎｅ咐。
血）定义了物理层（ＰＨＹ）和媒质访问控制层（ＭＡｃ），其分层结构如图２．１所示。
在ＰＨＹ层和ＭＡｃ层之上的层结构中包含网络层及应用层。
网络层提供网络配置、操作、消息路由功能；应用层则提供设备具体要实现的功能。
ＰＨＹ层和ＭＡＣ层之外的层在ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准所含范围之外，ｚｉｇＢｅｅ联盟制定了相关的协议栈则对此部分有详细介绍。
图２—１ＩＥＥＥ妣．１５．４标准定义的无线个域网设备分层结构ＬＲ．ｗ鼢Ｎ是一种低复杂度、低成本、低功耗和低速率的无线连接技术。
ｕｏｗＰＡＮ它包含以下一些特点：——无线数据传输速率可达到２５０Ⅺ，／ｓ，４０Ｋｂ，ｓ，２０Ｋｂ／ｓ——最大网络可含６５５３４个节点——采用载波侦听多路访问，冲突避免（ｃｓＭ＾『ｃ＾）方式访问信道——采用能量检测来进行信道选择——无线链路质量指示——低功耗——２．４Ｇ｝扛频段下含１６个信道，９１５Ｍ｝ｌｚ频段下含ｌＯ个信道，８６８ＭＨｚ频段下含１个信道东南大学硕士学位论文在超帧的的活动部分中又可以取出一部分完成一些特殊要求，该部分通常称为保护时隙（ＧＴＳ即ａｍｔｏｃｄｔｉｍｓｌｏｔ）。
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析IEEE 802.15.4是一种无线传感器网络协议，专门用于低功耗、低速率的无线个人局域网。
它使用在2.4GHz频段的无线电频谱，并且被广泛应用于各种传感器网络系统中，例如智能家居、工业自动化、环境监测等领域。
在传感器网络系统中，性能分析是非常重要的，它可以帮助我们了解系统的稳定性、可靠性以及性能瓶颈，从而优化网络设计和改进系统性能。
本文旨在对IEEE 802.15.4无线传感器网络的性能进行分析，包括其数据传输性能、能耗性能和网络连接性能。
通过深入分析这些方面，可以帮助研究人员和工程师更好地理解IEEE 802.15.4协议的优势和局限性，为未来的传感器网络系统设计和优化提供参考。
1. 数据传输性能分析数据传输性能是衡量IEEE 802.15.4无线传感器网络的重要指标之一。
在这一方面，我们关注的主要是数据传输速率、传输时延和数据丢失率等指标。
首先是数据传输速率。
IEEE 802.15.4无线传感器网络在物理层和数据链路层的技术支持下，可以实现最高250 kbps的数据传输速率。
在实际应用中，由于网络拓扑结构、信道干扰等因素的影响，数据传输速率往往无法达到最大值。
对于具体的传感器网络系统，需要经过实际测试和评估，得出其真实的数据传输速率。
其次是数据传输时延。
数据传输时延是指从数据发送到数据接收所经过的时间，它直接影响着数据的实时性和对网络的响应速度。
IEEE 802.15.4协议支持低延迟的数据传输，通常情况下数据传输时延在数十毫秒至数百毫秒之间，适用于对实时性要求较高的传感器网络应用。
最后是数据丢失率。
数据丢失率是指在数据传输过程中丢失的数据包的比例。
通过对IEEE 802.15.4协议的性能测试，研究人员发现，由于局部信道干扰和网络拓扑结构的影响，数据丢失率可能较高。
在实际应用中，需要针对具体的传感器网络系统进行数据丢失率的测试和评估，从而保证系统的可靠性和稳定性。
IEEE 802.15.4关键技术及标准进展
标准。本文将在下面详细介绍其主要技术和标准进 三种机制来保证数据的安全性。
・
免数据被恶意攻击者得到。
・
该工作组负责制订 ８２１．标准 ，研究 ＷＰ Ｎ ０． ５ ５ Ａ
ＭＥ Ｈ组 网 的 ＷＰ Ｓ ＡＮ的物 理层 与 ＭＡ Ｃ层 的必要 的 机 制 。在 本 标 准 中 ， Ｅ Ｈ 网络有 两 种组 网方 式 ： Ｍ Ｓ 全 网状 拓扑 和部 分 网状 拓 扑 。 全 网状 拓扑 结构 中 ， 在 每
进行加密和完整性保护 ，因此 Ｃ Ｍ 对此进行了扩 Ｃ ＊
展， 能提供只加密和只保证完整性的功能 ， 增加了算
法 的灵 活性 。 这也是 为什 么在 ８２１． ２０ ０ ． ４ ０ ３中安全 ５— 性保 护 提供 Ｃ Ｃ ＭＡ ／Ｔ ／ Ｃ 三种 Ａ Ｓ模 式 ， Ｂ — ＣＣ ＲＣ Ｍ Ｅ 而
计 数 器模 型两 者 的优 点 。 （ ）Ｃ ４ Ｃ Ｍ＊模 式 ：Ｃ Ｃ Ｍ＊为 Ｃ Ｍ 模 式 的扩 展 ， Ｃ 包 括 了所有 Ｃ Ｍ的 功能 ，同 时考虑 到 Ｃ Ｍ 只能 同 时 Ｃ Ｃ
发设备 ，这样就减少了收发设备 的活动时间从而大 大的减少了设备的功耗 。 在超帧中 ，Ａ Ｐ Ｎ协调器节点首先发 出一个信标
护 是则 通 过在 安全 头域 中的 ｆ ｍｅ ｏｎｅ 字段 进行 ｌ ｕｔ ａ ｃ ｒ
送， 这时节点就可以关闭 自己的收发信机 ， 进入休眠
状态。
在超帧的 Ｃ Ｐ Ａ 阶段采用基于时隙的 Ｃ Ｍ — Ａ Ｓ ＡＣ 竞争机制 ， 当节点竞争失败后 ， 需要 回退一段时间 ， 在这段时间内， 阶段无需发送或监听信道 ， 这样就节
２３ 抗 干扰 技术 ．
由 于 ８２１． ０ ． ４工 作 在 ＩＭ 频 段 ，尤 其 是 ５ Ｓ 在 ２ Ｇ ｚ将与 Ｗｉｉ ． Ｈ， ４ Ｆ、 蓝牙等工作在相 同的频段 ， 故 需 要 考 虑 抗 干 扰 特 性 ，以 保 证 通 信 质 量 。 ８ ２ ５ — ０６ ０ ． ． ２０ 通过以下机制来保证其通信质量 ， １４ 尽 量免受其他技术或设备的干扰 。 （） １动态信道选择 Ｐ Ｎ协调器在创建新的 Ｐ Ｎ网络时， Ａ Ａ 首先扫描
IEEE802.15.4标准的概念,应用,特征;
IEEE802.15.4标准的概念，应用，特征；1 IEEE802.15.4标准的概念2002年，IEEE 802.15 工作组成立，专门从事WPAN标准化工作。
目标是为在个人操作空间（personal operating space, POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标准。
POS一般是指用户附近10米左右的空间范围，在这个范围内用户可以是固定的，也可以是移动的。
在IEEE 802.15工作组内有四个任务组（task group, TG），分别制定适合不同应用的标准。
这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。
下面是四个任务组各自的主要任务：（1）任务组TG1：制定IEEE 802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。
这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。
（2）任务组TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与IEEE 802.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。
（3）任务组TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网络标准。
该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。
（4）任务组TG4：制定IEEE 802.15.4标准，针对低速无线个人区域网络（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定标准。
该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。
任务组TG4定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的通信标准。
LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。
与WLAN相比，LR-WPAN网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。
（完整版）IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层
（完整版）IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层IEEE.802.15.4网络协议栈及物理层IEEE 802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型（OSI），如图5-4所示，每一层都；实现一部分通信功能，并向高层提供服务。
IEEE 802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。
PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。
MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。
MAC子层以上的几个层次，包括特定服务的聚合子层（service specific convergence sublayer, SSCS），链路控制子层（logical link control , LLC）等，只是IEEE 802.15.4标准可能的上层协议，并不在IEEE 802.15.4标准的定义范围之内。
SSCS为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的LLC子层提供聚合服务。
LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE 802.15.4网络，为应用层提供链路层服务。
5.3.1物理层物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。
物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
物理层数据服务包括以下五方面的功能：（1）激活和休眠射频收发器；（2）信道能量检测（energy detect）；（3）检测接收数据包的链路质量指示（link quality indication , LQI）；（4）空闲信道评估（clear channel assessment, CCA）；（5）收发数据。
信道能量检测为网络层提供信道选择依据。
它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。
链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。
IEEE802_15_4标准及其应用
通信与计算机概述在《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。
¥ 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。
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Ｅａｔｏｎ、Ｉｎｖｅｎｓｙｓ和Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ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ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准及其应用■ 赫立讯科技 郦亮 博士图１ ８０２．１５．４标准的结构表１ ＬＲ－ＷＰＡＮ ８０２．１５．４标准所期望达到的特性：通信与计算机式。
第2章 IEEE 802.15.4无线传感器网络通信标准
IEEE 802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模 型（OSI），每一层都实现一部分通信功能，并 向高层提供服务。
发送数据给协调器、协调器发送数据给设备、对等 设备之间的数据传输。星型拓扑网络中只存在前两 种数据传输方式，因为数据只在协调器和设备之间 交换；而在点对点拓扑网络中，三种数据传输方式 都存在。
每个MAC子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组
成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。 帧负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。帧 尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。如表所 示
物理层数据服务包括以下五方面的功能： （1）激活和取消射频收发器。 （2）检测当前信道能量。 （3）发送链路质量指示。 （4）评估CSMA/CA的空闲信道。 （5）选择信道频率。 （6）发送和接收数据。
MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和 MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单
Ocets：2 帧控制域（Frame Control）
1
0/ 0/2/ 0/
28
2
帧序 目
列号 标
（ Se PA
q
N
Num ） ID
目标 源 地址 PA
N
ID
地址域
0/2/ 0/5/6/10/
址
部
负
载
M AC
负 载
2 FCS校验
帧尾（MFR）
无线网关的通信模型如图所示。
在IEEE 802系列标准中，OSI参考模型的数据链 路层进一步划分为MAC和LLC两个子层。MAC子
802.15.4技术详解
100,000
ZigBee/802.15.4协议结构
ZigBee 协议栈
应用层 网络层 MAC 层 物理层
ZigBee 联盟定义 IEEE 802.15.4 定义
ZigBee与IEEE 802.15.4之间的关系
ZigBee使用IEEE 802.15.4所定义的物理层和MAC层技术。 ZigBee在IEEE 802.15.4的基础上添加网络层、应用层、安全等
ZigBee
LOW DATA-RATE RADIO DEVICES
PC & PERIPHERAL
S
mouse keyboard joystick
consoles portables educational
TOYS & GAMES
HOME AUTOMATION
security HVAC lighting closures
实现起来非常简单，适合于能量和资源受限的设备
星型拓扑结构
网络协调器
主/从关系
全功能设备(FFD) 简化功能设备(RFD) 数据流
点到点拓扑结构
点到点（Mesh型）
树型
全功能设备(FFD) 数据流
混合拓扑结构
簇型拓扑 – 例如在一个酒店部署无线 控制系统，每个房间里有一个簇头， 房间里的无线设备通过星型网连接到 簇头，各个房间的簇头再通过树型网 或Mesh网相互连接。
无线个域网各项技术对比
各种无线标准的市场定位
SHORT < RANGE > LONG
TEXT GRAPHICS INTERNET HI-FI STREAMING DIGITAL MULTI-CHANNEL
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析IEEE 802.15.4是一种低功耗、短距离的无线通信标准，被广泛应用于无线传感器网络中。
本文将对IEEE 802.15.4无线传感器网络的性能进行分析。
1. 数据传输速率IEEE 802.15.4的数据传输速率可以达到250kbps、100kbps、50kbps和20kbps。
但是，实际应用中，由于无线信号的干扰和衰减等因素，数据传输速率往往较低。
在实际场景中，传输速率大概在10kbps到50kbps之间。
同时，网络拓扑结构、路由协议和传输协议等因素也会对数据传输速率产生影响。
2. 能耗IEEE 802.15.4标准对低功耗无线传感器网络应用非常友好。
通过使用各种省电技术，如休眠、时钟节拍、数据压缩等，可以将设备的能耗降到最低。
在传输数据时，设备会将数据缓存到本地，直到网络可用时才进行传输，这样可以减少能耗。
3. 网络拓扑结构IEEE 802.15.4标准支持多种网络拓扑结构，包括星型拓扑、树型拓扑和网状拓扑。
不同的拓扑结构适用于不同的应用场景。
例如，星型拓扑适用于集中管理的场景，网状拓扑适用于分布式管理的场景。
4. 路由协议路由协议是无线传感器网络中的重要组成部分，它负责决定数据包的传输路径。
IEEE 802.15.4标准支持多种路由协议，例如基于距离的路由协议（如LEACH）和基于能量的路由协议（如TEEN）等。
不同的路由协议适用于不同的应用场景。
例如，LEACH适用于密集型传感器网络，TEEN适用于稀疏型传感器网络。
5. 安全性IEEE 802.15.4标准提供了多种安全机制，包括加密、认证、密钥管理等。
这些安全机制可以保护数据的机密性、完整性和可用性。
同时，IEEE 802.15.4标准还支持多种认证方式，例如预共享密钥认证、公钥基础设施认证等。
综上所述，IEEE 802.15.4标准是无线传感器网络中非常重要的一部分。
通过对其性能进行分析，可以更好地了解该标准的局限性和应用场景，为无线传感器网络的设计和实现提供参考。
Zigbee IEEE802.15.4技术简介
Zigbee IEEE802.15.4技术简介Zigbee是一种短距离、低功耗的无线通信技术名称。
这一名称来源与蜜蜂的八字舞。
其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本。
主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
Zigbee自身的技术优势：①低功耗。
在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。
这是Zigbee的突出优势。
相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
②低成本。
通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。
每块芯片的价格大约为2 美元。
③低速率。
Zigbee工作在20～250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。
④近距离。
传输范围一般介于10～100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到1～3 km。
这指的是相邻节点间的距离。
如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
⑤短时延。
Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。
相比较,蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。
⑥高容量。
Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。
⑦高安全。
Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。
⑧免执照频段。
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析
IEEE 802.15.4无线传感器网络性能分析
在无线传感器网络中，IEEE 802.15.4是一种常用的无线通信协议。
它不仅能够提供低功耗、低数据率的通信，还能够支持多种网络拓扑结构和应用场景。
本文将对IEEE 802.15.4的性能进行详细的分析。
IEEE 802.15.4具有较低的功耗特性。
由于无线传感器网络中的节点通常依靠电池供电，因此功耗是一个非常重要的指标。
IEEE 802.15.4协议采用了低功耗设计，通过在节点间设置睡眠和唤醒周期，使得节点在不需要工作时能够进入低功耗的睡眠状态，以减少能耗。
IEEE 802.15.4支持多种网络拓扑结构。
在无线传感器网络中，常见的拓扑结构包括星型、树型、网状等。
IEEE 802.15.4协议支持这些拓扑结构，并通过设备接入协议（Device Access Protocol，DAP）实现节点的加入和离开，以及网络中节点的路由。
IEEE 802.15.4提供多种应用场景支持。
无线传感器网络的应用场景多种多样，包括环境监测、医疗健康、工业自动化等。
IEEE 802.15.4协议通过定义不同类型的设备和应用配置文件，为不同的应用场景提供了灵活的支持。
IEEE 802.15.4还具有较好的传输距离和传输速率。
根据IEEE 802.15.4标准，无线传感器网络的传输距离可以达到100米以上，而传输速率可以达到250kbps。
这使得IEEE 802.15.4协议适用于大部分无线传感器网络应用，满足各种数据传输需求。
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查看文章 IEEE 802.15.4标准及其应用
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。
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IEEE.802.15.4发表评论。