3.1.2　無線傳感器網絡標準化協議分析

近年來，無線傳感器網絡飛速發展。在關鍵技術的研發方面，學術界針對網絡協議、數據融合、測試測量、操作系統、服務質量、節點定位、時間同步等開展了大量研究，取得豐碩的成果；工業界也在環境監測、軍事目標跟蹤、智能家居、自動抄表、燈光控制、建筑物健康監測等領域進行了探索。隨著應用的推廣，無線傳感器網絡暴露了越來越多的問題。不同廠商的設備需要實現互聯互通，且要避免與現行系統相互干擾，因此要求廠商、方案供應商、產品供應商及關聯設備供應商具有一定的默契，齊心協力地實現目標，這就是無線傳感器網絡標準化工作的背景。實際上，由于標準化工作關系到多方的經濟利益與社會利益，往往受到相關行業的普遍重視，協調好各方利益并使其達成共識，需要各方有足夠的理解和耐心。

無線傳感器網絡的標準化工作受到許多國家及國際標準化組織的普遍關注，已經完成了一系列規范和標準的制定。其中，最著名的是基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee，IEEE 802.15.4標準定義了短距離無線通信的物理層及數據鏈路層規范，ZigBee則定義了網絡互聯、傳輸和應用規范。隨著應用的推廣和產業的發展，ZigBee的基本內容已不能完全適應需求，且其僅定義了聯網通信的內容，沒有對傳感器部件定義標準的協議接口，因此其難以承載無線傳感器網絡。另外，ZigBee在不同國家落地時，必然受到該國現行標準的約束。因此，人們開始以ZigBee為基礎推出更多版本，以適用于不同應用、不同國家。

盡管存在不完善的地方，ZigBee仍然是目前產業界應用的主要，本章主要介紹IEEE 802.15.4標準和ZigBee，并適當涉及其他相關標準。無線傳感器網絡的標準化工作任重道遠，無線傳感器網絡是新興領域，需求還不明朗，且IEEE 802.15.4標準和ZigBee并非針對無線傳感器網絡設計，在應用中需要進一步解決衍生問題。

1. PHY/MAC層標準

無線傳感器網絡的底層標準一般沿用無線個域網的相關標準（IEEE 802.15標準）。無線個域網（Wireless Personal Area Network，WPAN）通常定義為提供個人及消費類電子設備之間進行互聯的無線短距離專用網絡。無線個域網專注于解決便攜式移動設備（如外圍設備、PDA、數碼產品等消費類電子設備）之間的雙向通信問題，其覆蓋范圍一般在10米以內。IEEE 802.15工作組已完成了一系列相關標準的制定工作，其中包括廣泛應用于無線傳感器網絡的IEEE 802.15.4標準。

1）IEEE 802.15.4標準

IEEE 802.15.4標準以實現低能耗、低傳輸速率、低成本為目標（與無線傳感器網絡一致），旨在為個人或家庭范圍內的不同設備的低速互聯提供統一接口。因為IEEE 802.15.4標準定義的LR-WPAN的特性與無線傳感器網絡的簇內通信有許多相似之處，所以很多研究機構將其作為無線傳感器網絡的物理層及數據鏈路層通信標準。

IEEE 802.15.4標準定義了物理層和介質訪問控制（MAC）層，符合OSI模型。物理層包括射頻收發器和底層控制模塊，介質訪問控制層為高層提供了訪問物理信道的服務接口。IEEE 802.15.4標準與ZigBee協議架構如圖3-1所示。

IEEE 802.15.4標準在物理層設計中面向低成本和高層次集成需求，采用868MHz、915MHz和2.4GHz 共3種工作頻率，可使用的信道分別為1個、10個和16個，提供的傳輸速率分別為20kbps、40kbps和250kbps，傳輸范圍為10～100米。由于規范使用的頻段是國際電信聯盟電信標準局（Telecommunication Standardization Sector of the International Telecommunications Union，ITU-T）定義的ISM頻段，所以可以被各種無線通信系統廣泛使用。為減少系統間的干擾，在各頻段采用直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）編碼技術。與其他數字編碼技術相比，直接序列擴頻編碼技術可使物理層的模擬電路設計更簡單，且具有更高的容錯能力，易于實現低端系統。

IEEE 802.15.4標準在介質訪問控制層定義了兩種訪問模式。

第一種是帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）模式，該模式參考了無線局域網（WLAN）的IEEE 802.11標準定義的DCF模式，易于實現與無線局域網的信道級共存。其在傳輸前偵聽介質中是否存在同信道載波，如果不存在載波，則表明信道空閑，直接進入數據傳輸狀態；如果存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。這種模式簡化了實現自組織（Ad Hoc）網絡應用的過程，但由于沒有進行功耗管理，要實現基于睡眠機制的低功耗網絡應用需要完成更多工作。

第二種是PCF模式，該模式通過使用同步的超幀機制提高信道利用率，并在超幀內定義休眠時段，易于實現低功耗控制。PCF模式定義了兩種器件：全功能設備（Full-Function Device，FFD）和精簡功能設備（Reduced-function Device，RFD）。FFD支持49個基本參數，而RFD在最小配置時只需要支持38個基本參數。在PCF模式下，FFD控制所有關聯的RFD的同步、數據收發過程，可以和網絡中的任何設備通信，而RFD只能和與其關聯的FFD設備通信。在PCF模式下，一個網絡中至少存在一個FFD（作為網絡協調器），起網絡主控制器的作用，完成簇間和簇內同步、分組轉發、網絡建立、成員管理等任務。

IEEE 802.15.4標準支持星型網絡和點對點網絡拓撲結構，有64位和16位兩種地址格式，64位地址是全球唯一的擴展地址，16位地址用于構建小型網絡或作為簇內設備的識別地址。

2）藍牙技術

1998年5月，愛立信、IBM、英特爾、諾基亞和東芝等公司聯合開展了“藍牙”研究，并于1999年7月推出了藍牙協議1.0版，2001年更新為1.1版，該協議旨在設計通用的無線空中接口（Radio Air Interface）及其軟件的國際標準，使不同廠家生產的便攜式設備在無線情況下實現近距離互聯，該標準得到了摩托羅拉、朗訊、康柏、西門子、3Com、TDK、微軟等近2000家廠商的支持。

藍牙工作在2.4GHz的ISM頻段，通過采用快速跳頻和短包技術減少同頻干擾，保證物理層傳輸的可靠性和安全性，具有一定的組網能力，支持64kbps的實時語音。藍牙的普及使市場上的相關產品不斷增多，但隨著超寬帶技術、無線局域網及ZigBee的出現，其在安全性、價格、功耗等方面的問題日益顯現，藍牙的競爭優勢開始下降。2004年，藍牙工作組推出藍牙協議2.0版，將帶寬提高三倍、功耗降低一半。

2. 無線個域網標準

無線傳感器網絡要構建從物理層到應用層的完整網絡，而無線個域網標準制定了物理層及介質訪問控制層規范。除了前面提到的藍牙技術，無線個域網還包括超寬帶技術、紅外技術、家用射頻技術等，其共同特點是距離短、功耗低、成本低、個人專用等，簡單介紹如下。

1）超寬帶技術

超寬帶（Ultra Wide-Band，UWB）技術可以發射極短暫的脈沖并接收和分析反射回來的信號，以得到檢測信息。超寬帶技術的功率譜密度曲線非常平坦，表現為在任何頻點的輸出功率都非常小，因此其具有很強的抗干擾性和安全性。早期的超寬帶技術主要作為軍事技術，在雷達探測和定位等領域中使用，美國聯邦通信委員會（FCC）于2002年2月準許該技術進入民用領域。超寬帶技術的傳輸速率可達100Mbps以上，其第二代產品的傳輸速率可達500Mbps以上，僅這一項指標就讓眾多技術望塵莫及。超寬帶技術的標準之爭非常激烈，Freescale的DS-UWB和TI的MBOA逐步脫穎而出，近年來中國在這方面的研究也非常熱門。超寬帶技術具有巨大的發展前景，但超寬帶芯片產品卻遲遲未能面市，近年來開始出現相關產品的報道。

2）紅外技術

紅外技術是一種利用紅外線進行點對點通信的技術。因為紅外技術僅用于點對點通信且具有一定的方向性，所以數據傳輸所受的干擾較小。紅外技術具有體積小、成本低、功耗低、不需要進行頻率申請等優勢，得到了廣泛應用。經過多年的發展，其硬件與配套軟件相當成熟，目前全球至少有5000萬臺設備采用紅外技術，并以每年增加50%的速度增長。目前，約95%的手提電腦都安裝了紅外接口，而遙控設備（如電視機、空調、數字產品等）更是普遍采用紅外技術。

然而，紅外技術是一種視距傳輸技術，其核心部件不是十分耐用，也無法構建長時間運行的穩定網絡，因此紅外技術沒能成為無線個域網的物理層標準技術，僅在少數無線傳感器網絡應用中進行過嘗試（如定位跟蹤等），并且是與其他無線技術配合使用的。

3）家用射頻技術

家用射頻（Home Radio Frequency，HomeRF）工作組成立于1998年3月，由美國家用射頻委員會領導，首批成員包括英特爾、IBM、康柏、3Com、飛利浦、微軟、摩托羅拉等公司。家用射頻工作組于1998年制定了共享無線接入協議（Shared Wireless Access Protocol，SWAP），該協議主要針對家庭無線局域網，其數據通信采用簡化的IEEE 802.11標準，沿用了帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）技術；語音通信采用DECT（Digital Enhanced Cordless Telephony）標準，使用時分多址（TDMA）技術。家用射頻技術工作在2.4GHz，支持數據和音頻最大數據的傳輸速率為2Mbps，在新的家用射頻2.x標準中采用了寬帶跳頻（Wide Band Frequency Hopping，WBFH）技術，增加了跳頻調制功能，數據帶寬峰值可達10Mbps，能夠滿足大部分應用。

21世紀初，家用射頻技術的普及率曾達到45%，但由于技術標準被控制在數十家公司手中，其并沒有像紅外技術一樣開放，特別是IEEE 802.11b標準的出現，使家用射頻技術的普及率在2001年驟降至30%；2003年，家用射頻工作組更是宣布停止研發和推廣，曾經風光無限的家用射頻技術退出了無線個域網的歷史舞臺。

3. 路由及高層標準

在底層標準的基礎上，出現了一些路由及高層標準，如ZigBee、6LowPAN標準、IEEE 1451.5等，Z-Wave聯盟、Cypress等也推出了類似的標準，但是在專門為無線傳感器網絡設計的標準推出之前，ZigBee的應用最廣泛。

1）ZigBee

ZigBee聯盟成立于2001年8月，初始成員包括霍尼韋爾、Invensys、三菱、摩托羅拉和飛利浦等，目前擁有超過200個會員。ZigBee 1.0（Revision 7）于2004年12月正式推出，2006年12月推出了ZigBee 2006（Revision 13），即1.1版，2007年又推出了ZigBee 2007 Pro。ZigBee具有功耗低、成本低、網絡容量大、延時短、安全可靠、工作頻段靈活等優點，是目前被普遍看好的無線個域網解決方案，也被很多人視為無線傳感器網絡的實際標準。

ZigBee聯盟對網絡層協議和應用程序接口（Application Programming Interfaces，API）進行了標準化。ZigBee協議棧架構基于OSI模型，包含IEEE 802.15.4標準及由該聯盟獨立定義的網絡層和應用層協議。ZigBee的網絡層主要負責網絡拓撲的搭建和維護，以及設備尋址、路由等，屬于通用的網絡層功能，應用層包括應用支持子層（Application Support Sub-layer，APS）、ZigBee設備對象（ZigBee Device Object，ZDO）及設備商自定義的應用組件，負責業務數據流的匯聚、設備發現、服務發現、安全與鑒權等。

ZigBee聯盟共定義了3級認證：第1級是物理層與介質訪問控制層認證；第2級是ZigBee協議棧（Stack）認證，又稱ZigBee兼容平臺認證（Compliant Platform Certification）；第3級是ZigBee產品認證，只有通過第三級認證的產品能貼上ZigBee的標志，因此第3級認證又稱ZigBee標志認證（Logo Certification）。

2）IEEE 1451.5標準

IEEE 1451標準通過定義一套通用的通信接口，使工業變送器（傳感器+執行器）能夠獨立于通信網絡，并與現有的微處理器系統和現場總線網絡相連，以解決不同網絡的兼容問題，并實現變送器與網絡的互換性和互操作性。IEEE 1451標準定義了變送器的軟硬件接口，并將傳感器分成兩層結構，第一層為網絡適配器（Network Capable Application Processor，NCAP），用于運行網絡協議和硬件；第二層為智能變送器接口模塊（Smart Transducer Interface Module，STIM），包括變送器和變送器電子數據表（Transducer Electronic Data Sheet，TEDS）。IEEE 1451工作組先后提出了五項標準，分別針對不同的工業應用現場需求，其中IEEE 1451.5標準為無線傳感器接口標準。

IEEE 1451.5標準可以滿足工業自動化等應用的需求。IEEE 1451.5標準盡量使用無線傳輸，描述了智能傳感器與網絡適配器模塊之間（而不是網絡適配器模塊與網絡之間）的無線連接規范。IEEE 1451.5標準的重點在于制定無線數據通信過程中的通信數據模型和通信控制模型，其提出必須對模型進行一般性擴展，以允許使用多種無線通信技術，主要包括兩方面：一方面為變送器通信定義一個通用的服務質量（QoS）機制，能夠對無線電技術進行映射；另一方面對于每種無線射頻技術來說，都有用于將無線發送的具體配置參數映射到服務質量機制的映射層。

3）6LowPAN標準

無線傳感器網絡從誕生起就與下一代互聯網關聯，6LowPAN（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network）標準將其結合，目標是在LowPAN（低功率個域網）上傳輸IPv6報文。當前，LowPAN采用的開放協議主要是MAC協議，在上層并沒有一個真正開放的支持路由等功能的標準。IPv6在技術上趨于成熟，在LowPAN上采用IPv6協議可以與IPv6網絡實現無縫連接，因此互聯網工程任務組（Internet Engineering Task Force，IETF）成立了專門的工作組，以制定在MAC協議上發送和接收IPv6報文的相關技術標準。

成熟的IPv6技術可以很好地滿足LowPAN互聯層的一些要求。在LowPAN中，很多設備需要使用無狀態自動配置技術，IPv6 Neighbor Discovery協議基于主機的多樣性提供了兩種自動配置技術：有狀態自動配置技術與無狀態自動配置技術。另外，在LowPAN網絡中可能存在大量設備，需要較大的IP地址空間，具有128位IP地址的IPv6協議可以很好地解決這一問題。在包長受限的情況下，可以使IPv6的地址包含介質訪問控制層地址。

IPv6協議與MAC協議被設計應用于兩個完全不同的網絡，因此直接在介質訪問控制層上傳輸IPv6報文會存在很多問題。首先，兩者的報文長度不兼容，IPv6的報文長度不超過1280B，介質訪問控制層的報文長度不超過127B，由于其本身的地址域信息占用了25B，最多留給上層的負載域102B，顯然無法直接承載來自IPv6的數據包；其次，兩者采用的地址機制不同，IPv6采用分層的聚類地址，由多段具有特定含義的地址段前綴與主機號構成，而介質訪問控制層直接采用64位或16位扁平地址；再次，兩者的協議設計要求不同，IPv6沒有考慮能耗問題，而介質訪問控制層的很多設備都由電池供電，能量有限，需要盡量減小數據通信量、縮短通信距離，以延長網絡壽命；最后，兩者的優化目標不同，IPv6一般關心如何快速實現報文轉發，而介質訪問控制層則關心如何在節省設備能量的情況下實現可靠的通信。

總之，由于兩個協議的設計出發點不同，要使介質訪問控制層支持IPv6數據包的傳輸還存在很多技術問題，如報文分片與重組、報頭壓縮、地址配置、映射與管理、網狀路由轉發等，這里不再一一討論。

4. 國內和國際的標準化工作

近年來，國內無線傳感器網絡的標準化工作在全國信息技術標準化技術委員會（以下簡稱信標委）的推動下，取得了較大進展。2005年11月29日，信標委組織國內及海外華人專家，在中國電子技術標準化研究所召開了第一次無線個域網技術標準研討會，討論了無線個域網標準進展狀況、市場分析及標準制定等事宜，建議將無線傳感器網絡納入無線個域網范疇，并成立了專門的小組，中國無線傳感器網絡標準化工作邁出了第一步。

在國內30多個科研及產業實體的共同努力下，工作組組織了多次技術研討會，提出了低速無線個域網使用的780MHz（779MHz～787MHz）專用頻段及相關技術標準（日本使用950MHz、美國使用915MHz）。針對該頻段，工作組提出了擁有自主產權的MPSK調制編碼技術，擺脫了國外同類技術的專利束縛。2008年3月，工作組通過了780MHz工作頻段采用MPSK和O-QPSK調制編碼技術的提案（MPSK和O-QPSK分別由中國和美國相關團體提出，并各自擁有知識產權），LR-WPAN可以單獨或同時使用MPSK和OQPSK，最終將形成IEEE 802.15.4c標準。另外，由中國主要負責起草的包括MAC和PHY協議的IEEE 802.15.4e標準也在順利推進中。這是國內標準化工作的重要進展，也是我國參與國際標準制定的重要一步。

最近，國內及國際無線傳感器網絡的標準化工作取得了新進展，中國國家標準化管理委員會正式批復無線傳感器網絡從無線個域網工作組中分離出來，成立了直屬于全國信息技術標準化技術委員會的無線傳感器網絡標準工作組。國際標準化組織成立了ISO/IEC JTC1/SGSN研究組，開始制定與傳感器網絡相關的國際標準，中國、美國、韓國、日本等國家作為重要成員參與其中。

標準是連接科研和產業的紐帶，芯片是標準最直接的體現。參與標準化工作，特別是國際標準的制定工作，對于提高我國產品的競爭力和技術水平、占領行業制高點有舉足輕重的作用。制定標準的最終目的是提高產業水平、滿足產品國際化需求、保護自主知識產權、為兼容同類或配套產品等提供便利。如果我們能參與無線傳感器網絡的國際標準制定工作，就能在芯片設計、方案提供及產品制造等方面獲得有力保障。芯片是無線傳感器網絡應用系統的關鍵部件，不僅是成本的主要決定因素，還是知識產權的主要體現形式。缺少產業標準顯得蒼白無力，缺少芯片顯得有名無實，目前國內在芯片設計及產業化（特別是射頻芯片）方面亟須取得突破。