3.1.2　无线传感器网络标准化协议分析

近年来，无线传感器网络飞速发展。在关键技术的研发方面，学术界针对网络协议、数据融合、测试测量、操作系统、服务质量、节点定位、时间同步等开展了大量研究，取得丰硕的成果；工业界也在环境监测、军事目标跟踪、智能家居、自动抄表、灯光控制、建筑物健康监测等领域进行了探索。随着应用的推广，无线传感器网络暴露了越来越多的问题。不同厂商的设备需要实现互联互通，且要避免与现行系统相互干扰，因此要求厂商、方案供应商、产品供应商及关联设备供应商具有一定的默契，齐心协力地实现目标，这就是无线传感器网络标准化工作的背景。实际上，由于标准化工作关系到多方的经济利益与社会利益，往往受到相关行业的普遍重视，协调好各方利益并使其达成共识，需要各方有足够的理解和耐心。

无线传感器网络的标准化工作受到许多国家及国际标准化组织的普遍关注，已经完成了一系列规范和标准的制定。其中，最著名的是基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee，IEEE 802.15.4标准定义了短距离无线通信的物理层及数据链路层规范，ZigBee则定义了网络互联、传输和应用规范。随着应用的推广和产业的发展，ZigBee的基本内容已不能完全适应需求，且其仅定义了联网通信的内容，没有对传感器部件定义标准的协议接口，因此其难以承载无线传感器网络。另外，ZigBee在不同国家落地时，必然受到该国现行标准的约束。因此，人们开始以ZigBee为基础推出更多版本，以适用于不同应用、不同国家。

尽管存在不完善的地方，ZigBee仍然是目前产业界应用的主要，本章主要介绍IEEE 802.15.4标准和ZigBee，并适当涉及其他相关标准。无线传感器网络的标准化工作任重道远，无线传感器网络是新兴领域，需求还不明朗，且IEEE 802.15.4标准和ZigBee并非针对无线传感器网络设计，在应用中需要进一步解决衍生问题。

1. PHY/MAC层标准

无线传感器网络的底层标准一般沿用无线个域网的相关标准（IEEE 802.15标准）。无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）通常定义为提供个人及消费类电子设备之间进行互联的无线短距离专用网络。无线个域网专注于解决便携式移动设备（如外围设备、PDA、数码产品等消费类电子设备）之间的双向通信问题，其覆盖范围一般在10米以内。IEEE 802.15工作组已完成了一系列相关标准的制定工作，其中包括广泛应用于无线传感器网络的IEEE 802.15.4标准。

1）IEEE 802.15.4标准

IEEE 802.15.4标准以实现低能耗、低传输速率、低成本为目标（与无线传感器网络一致），旨在为个人或家庭范围内的不同设备的低速互联提供统一接口。因为IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN的特性与无线传感器网络的簇内通信有许多相似之处，所以很多研究机构将其作为无线传感器网络的物理层及数据链路层通信标准。

IEEE 802.15.4标准定义了物理层和介质访问控制（MAC）层，符合OSI模型。物理层包括射频收发器和底层控制模块，介质访问控制层为高层提供了访问物理信道的服务接口。IEEE 802.15.4标准与ZigBee协议架构如图3-1所示。

IEEE 802.15.4标准在物理层设计中面向低成本和高层次集成需求，采用868MHz、915MHz和2.4GHz 共3种工作频率，可使用的信道分别为1个、10个和16个，提供的传输速率分别为20kbps、40kbps和250kbps，传输范围为10～100米。由于规范使用的频段是国际电信联盟电信标准局（Telecommunication Standardization Sector of the International Telecommunications Union，ITU-T）定义的ISM频段，所以可以被各种无线通信系统广泛使用。为减少系统间的干扰，在各频段采用直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）编码技术。与其他数字编码技术相比，直接序列扩频编码技术可使物理层的模拟电路设计更简单，且具有更高的容错能力，易于实现低端系统。

IEEE 802.15.4标准在介质访问控制层定义了两种访问模式。

第一种是带有冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）模式，该模式参考了无线局域网（WLAN）的IEEE 802.11标准定义的DCF模式，易于实现与无线局域网的信道级共存。其在传输前侦听介质中是否存在同信道载波，如果不存在载波，则表明信道空闲，直接进入数据传输状态；如果存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种模式简化了实现自组织（Ad Hoc）网络应用的过程，但由于没有进行功耗管理，要实现基于睡眠机制的低功耗网络应用需要完成更多工作。

第二种是PCF模式，该模式通过使用同步的超帧机制提高信道利用率，并在超帧内定义休眠时段，易于实现低功耗控制。PCF模式定义了两种器件：全功能设备（Full-Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduced-function Device，RFD）。FFD支持49个基本参数，而RFD在最小配置时只需要支持38个基本参数。在PCF模式下，FFD控制所有关联的RFD的同步、数据收发过程，可以和网络中的任何设备通信，而RFD只能和与其关联的FFD设备通信。在PCF模式下，一个网络中至少存在一个FFD（作为网络协调器），起网络主控制器的作用，完成簇间和簇内同步、分组转发、网络建立、成员管理等任务。

IEEE 802.15.4标准支持星型网络和点对点网络拓扑结构，有64位和16位两种地址格式，64位地址是全球唯一的扩展地址，16位地址用于构建小型网络或作为簇内设备的识别地址。

2）蓝牙技术

1998年5月，爱立信、IBM、英特尔、诺基亚和东芝等公司联合开展了“蓝牙”研究，并于1999年7月推出了蓝牙协议1.0版，2001年更新为1.1版，该协议旨在设计通用的无线空中接口（Radio Air Interface）及其软件的国际标准，使不同厂家生产的便携式设备在无线情况下实现近距离互联，该标准得到了摩托罗拉、朗讯、康柏、西门子、3Com、TDK、微软等近2000家厂商的支持。

蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，通过采用快速跳频和短包技术减少同频干扰，保证物理层传输的可靠性和安全性，具有一定的组网能力，支持64kbps的实时语音。蓝牙的普及使市场上的相关产品不断增多，但随着超宽带技术、无线局域网及ZigBee的出现，其在安全性、价格、功耗等方面的问题日益显现，蓝牙的竞争优势开始下降。2004年，蓝牙工作组推出蓝牙协议2.0版，将带宽提高三倍、功耗降低一半。

2. 无线个域网标准

无线传感器网络要构建从物理层到应用层的完整网络，而无线个域网标准制定了物理层及介质访问控制层规范。除了前面提到的蓝牙技术，无线个域网还包括超宽带技术、红外技术、家用射频技术等，其共同特点是距离短、功耗低、成本低、个人专用等，简单介绍如下。

1）超宽带技术

超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）技术可以发射极短暂的脉冲并接收和分析反射回来的信号，以得到检测信息。超宽带技术的功率谱密度曲线非常平坦，表现为在任何频点的输出功率都非常小，因此其具有很强的抗干扰性和安全性。早期的超宽带技术主要作为军事技术，在雷达探测和定位等领域中使用，美国联邦通信委员会（FCC）于2002年2月准许该技术进入民用领域。超宽带技术的传输速率可达100Mbps以上，其第二代产品的传输速率可达500Mbps以上，仅这一项指标就让众多技术望尘莫及。超宽带技术的标准之争非常激烈，Freescale的DS-UWB和TI的MBOA逐步脱颖而出，近年来中国在这方面的研究也非常热门。超宽带技术具有巨大的发展前景，但超宽带芯片产品却迟迟未能面市，近年来开始出现相关产品的报道。

2）红外技术

红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。因为红外技术仅用于点对点通信且具有一定的方向性，所以数据传输所受的干扰较小。红外技术具有体积小、成本低、功耗低、不需要进行频率申请等优势，得到了广泛应用。经过多年的发展，其硬件与配套软件相当成熟，目前全球至少有5000万台设备采用红外技术，并以每年增加50%的速度增长。目前，约95%的手提电脑都安装了红外接口，而遥控设备（如电视机、空调、数字产品等）更是普遍采用红外技术。

然而，红外技术是一种视距传输技术，其核心部件不是十分耐用，也无法构建长时间运行的稳定网络，因此红外技术没能成为无线个域网的物理层标准技术，仅在少数无线传感器网络应用中进行过尝试（如定位跟踪等），并且是与其他无线技术配合使用的。

3）家用射频技术

家用射频（Home Radio Frequency，HomeRF）工作组成立于1998年3月，由美国家用射频委员会领导，首批成员包括英特尔、IBM、康柏、3Com、飞利浦、微软、摩托罗拉等公司。家用射频工作组于1998年制定了共享无线接入协议（Shared Wireless Access Protocol，SWAP），该协议主要针对家庭无线局域网，其数据通信采用简化的IEEE 802.11标准，沿用了带有冲突检测的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，CSMA/CD）技术；语音通信采用DECT（Digital Enhanced Cordless Telephony）标准，使用时分多址（TDMA）技术。家用射频技术工作在2.4GHz，支持数据和音频最大数据的传输速率为2Mbps，在新的家用射频2.x标准中采用了宽带跳频（Wide Band Frequency Hopping，WBFH）技术，增加了跳频调制功能，数据带宽峰值可达10Mbps，能够满足大部分应用。

21世纪初，家用射频技术的普及率曾达到45%，但由于技术标准被控制在数十家公司手中，其并没有像红外技术一样开放，特别是IEEE 802.11b标准的出现，使家用射频技术的普及率在2001年骤降至30%；2003年，家用射频工作组更是宣布停止研发和推广，曾经风光无限的家用射频技术退出了无线个域网的历史舞台。

3. 路由及高层标准

在底层标准的基础上，出现了一些路由及高层标准，如ZigBee、6LowPAN标准、IEEE 1451.5等，Z-Wave联盟、Cypress等也推出了类似的标准，但是在专门为无线传感器网络设计的标准推出之前，ZigBee的应用最广泛。

1）ZigBee

ZigBee联盟成立于2001年8月，初始成员包括霍尼韦尔、Invensys、三菱、摩托罗拉和飞利浦等，目前拥有超过200个会员。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、网络容量大、延时短、安全可靠、工作频段灵活等优点，是目前被普遍看好的无线个域网解决方案，也被很多人视为无线传感器网络的实际标准。

ZigBee联盟对网络层协议和应用程序接口（Application Programming Interfaces，API）进行了标准化。ZigBee协议栈架构基于OSI模型，包含IEEE 802.15.4标准及由该联盟独立定义的网络层和应用层协议。ZigBee的网络层主要负责网络拓扑的搭建和维护，以及设备寻址、路由等，属于通用的网络层功能，应用层包括应用支持子层（Application Support Sub-layer，APS）、ZigBee设备对象（ZigBee Device Object，ZDO）及设备商自定义的应用组件，负责业务数据流的汇聚、设备发现、服务发现、安全与鉴权等。

ZigBee联盟共定义了3级认证：第1级是物理层与介质访问控制层认证；第2级是ZigBee协议栈（Stack）认证，又称ZigBee兼容平台认证（Compliant Platform Certification）；第3级是ZigBee产品认证，只有通过第三级认证的产品能贴上ZigBee的标志，因此第3级认证又称ZigBee标志认证（Logo Certification）。

2）IEEE 1451.5标准

IEEE 1451标准通过定义一套通用的通信接口，使工业变送器（传感器+执行器）能够独立于通信网络，并与现有的微处理器系统和现场总线网络相连，以解决不同网络的兼容问题，并实现变送器与网络的互换性和互操作性。IEEE 1451标准定义了变送器的软硬件接口，并将传感器分成两层结构，第一层为网络适配器（Network Capable Application Processor，NCAP），用于运行网络协议和硬件；第二层为智能变送器接口模块（Smart Transducer Interface Module，STIM），包括变送器和变送器电子数据表（Transducer Electronic Data Sheet，TEDS）。IEEE 1451工作组先后提出了五项标准，分别针对不同的工业应用现场需求，其中IEEE 1451.5标准为无线传感器接口标准。

IEEE 1451.5标准可以满足工业自动化等应用的需求。IEEE 1451.5标准尽量使用无线传输，描述了智能传感器与网络适配器模块之间（而不是网络适配器模块与网络之间）的无线连接规范。IEEE 1451.5标准的重点在于制定无线数据通信过程中的通信数据模型和通信控制模型，其提出必须对模型进行一般性扩展，以允许使用多种无线通信技术，主要包括两方面：一方面为变送器通信定义一个通用的服务质量（QoS）机制，能够对无线电技术进行映射；另一方面对于每种无线射频技术来说，都有用于将无线发送的具体配置参数映射到服务质量机制的映射层。

3）6LowPAN标准

无线传感器网络从诞生起就与下一代互联网关联，6LowPAN（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network）标准将其结合，目标是在LowPAN（低功率个域网）上传输IPv6报文。当前，LowPAN采用的开放协议主要是MAC协议，在上层并没有一个真正开放的支持路由等功能的标准。IPv6在技术上趋于成熟，在LowPAN上采用IPv6协议可以与IPv6网络实现无缝连接，因此互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）成立了专门的工作组，以制定在MAC协议上发送和接收IPv6报文的相关技术标准。

成熟的IPv6技术可以很好地满足LowPAN互联层的一些要求。在LowPAN中，很多设备需要使用无状态自动配置技术，IPv6 Neighbor Discovery协议基于主机的多样性提供了两种自动配置技术：有状态自动配置技术与无状态自动配置技术。另外，在LowPAN网络中可能存在大量设备，需要较大的IP地址空间，具有128位IP地址的IPv6协议可以很好地解决这一问题。在包长受限的情况下，可以使IPv6的地址包含介质访问控制层地址。

IPv6协议与MAC协议被设计应用于两个完全不同的网络，因此直接在介质访问控制层上传输IPv6报文会存在很多问题。首先，两者的报文长度不兼容，IPv6的报文长度不超过1280B，介质访问控制层的报文长度不超过127B，由于其本身的地址域信息占用了25B，最多留给上层的负载域102B，显然无法直接承载来自IPv6的数据包；其次，两者采用的地址机制不同，IPv6采用分层的聚类地址，由多段具有特定含义的地址段前缀与主机号构成，而介质访问控制层直接采用64位或16位扁平地址；再次，两者的协议设计要求不同，IPv6没有考虑能耗问题，而介质访问控制层的很多设备都由电池供电，能量有限，需要尽量减小数据通信量、缩短通信距离，以延长网络寿命；最后，两者的优化目标不同，IPv6一般关心如何快速实现报文转发，而介质访问控制层则关心如何在节省设备能量的情况下实现可靠的通信。

总之，由于两个协议的设计出发点不同，要使介质访问控制层支持IPv6数据包的传输还存在很多技术问题，如报文分片与重组、报头压缩、地址配置、映射与管理、网状路由转发等，这里不再一一讨论。

4. 国内和国际的标准化工作

近年来，国内无线传感器网络的标准化工作在全国信息技术标准化技术委员会（以下简称信标委）的推动下，取得了较大进展。2005年11月29日，信标委组织国内及海外华人专家，在中国电子技术标准化研究所召开了第一次无线个域网技术标准研讨会，讨论了无线个域网标准进展状况、市场分析及标准制定等事宜，建议将无线传感器网络纳入无线个域网范畴，并成立了专门的小组，中国无线传感器网络标准化工作迈出了第一步。

在国内30多个科研及产业实体的共同努力下，工作组组织了多次技术研讨会，提出了低速无线个域网使用的780MHz（779MHz～787MHz）专用频段及相关技术标准（日本使用950MHz、美国使用915MHz）。针对该频段，工作组提出了拥有自主产权的MPSK调制编码技术，摆脱了国外同类技术的专利束缚。2008年3月，工作组通过了780MHz工作频段采用MPSK和O-QPSK调制编码技术的提案（MPSK和O-QPSK分别由中国和美国相关团体提出，并各自拥有知识产权），LR-WPAN可以单独或同时使用MPSK和OQPSK，最终将形成IEEE 802.15.4c标准。另外，由中国主要负责起草的包括MAC和PHY协议的IEEE 802.15.4e标准也在顺利推进中。这是国内标准化工作的重要进展，也是我国参与国际标准制定的重要一步。

最近，国内及国际无线传感器网络的标准化工作取得了新进展，中国国家标准化管理委员会正式批复无线传感器网络从无线个域网工作组中分离出来，成立了直属于全国信息技术标准化技术委员会的无线传感器网络标准工作组。国际标准化组织成立了ISO/IEC JTC1/SGSN研究组，开始制定与传感器网络相关的国际标准，中国、美国、韩国、日本等国家作为重要成员参与其中。

标准是连接科研和产业的纽带，芯片是标准最直接的体现。参与标准化工作，特别是国际标准的制定工作，对于提高我国产品的竞争力和技术水平、占领行业制高点有举足轻重的作用。制定标准的最终目的是提高产业水平、满足产品国际化需求、保护自主知识产权、为兼容同类或配套产品等提供便利。如果我们能参与无线传感器网络的国际标准制定工作，就能在芯片设计、方案提供及产品制造等方面获得有力保障。芯片是无线传感器网络应用系统的关键部件，不仅是成本的主要决定因素，还是知识产权的主要体现形式。缺少产业标准显得苍白无力，缺少芯片显得有名无实，目前国内在芯片设计及产业化（特别是射频芯片）方面亟须取得突破。