無線傳感器網(wǎng)絡作為一門面向應用的研究領(lǐng)域，在近幾年獲得了飛速發(fā)展。在關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)方面，學術(shù)界從網(wǎng)絡協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、測試測量、操作系統(tǒng)、服務質(zhì)量、節(jié)點定位、時間同步等方面開展了大量研究，取得豐碩的成果；工業(yè)界也在環(huán)境監(jiān)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(jiān)測、電力線監(jiān)控等領(lǐng)域進行應用探索。隨著應用的推廣，無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)開始暴露出越來越多的問題。不同廠商的設備需要實現(xiàn)互聯(lián)互通，且要避免與現(xiàn)行系統(tǒng)的相互干擾，因此要求不同的芯片廠商、方案提供商、產(chǎn)品提供商及關(guān)聯(lián)設備提供商達成一定的默契，齊心協(xié)力實現(xiàn)目標。這就是無線傳感器網(wǎng)絡標準化工作的背景。實際上，由于標準化工作關(guān)系到多方的經(jīng)濟利益甚至社會利益，往往受到相關(guān)行業(yè)的普遍重視，如何協(xié)調(diào)好各方利益，達成共識，需要參與各方擁有足夠的理解和耐心。

到目前為止，無線傳感器網(wǎng)絡的標準化工作受到了許多國家及國際標準組織的普遍關(guān)注，已經(jīng)完成了一系列草案甚至標準規(guī)范的制定。其中最出名的就是IEEE 802．15．4／zigbee規(guī)范，它甚至已經(jīng)被一部分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為標準。IEEE 802．15．4定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，zigbee則定義了網(wǎng)絡互聯(lián)、傳輸和應用規(guī)范。盡管IEEE802．15．4和zigbee協(xié)議已經(jīng)推出多年，但隨著應用的推廣和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其基本協(xié)議內(nèi)容已經(jīng)不能完全適應需求，加上該協(xié)議僅定義了聯(lián)網(wǎng)通信的內(nèi)容，沒有對傳感器部件提出標準的協(xié)議接口，所以難以承載無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的夢想與使命；另外，該標準在落地不同國家時，也必然要受到該國家地區(qū)現(xiàn)行標準的約束。為此，人們開始以IEEE 802．15．4／zigbee協(xié)議為基礎，推出更多版本以適應不同應用、不同國家和地區(qū)。

盡管存在不完善之處，IEEE 802．15．4／zigbee仍然是目前產(chǎn)業(yè)界發(fā)展無線傳感網(wǎng)技術(shù)當仁不讓的最佳組合。本文將重點介紹IEEE 802．15．4／zigbee協(xié)議規(guī)范，并適當顧及傳感網(wǎng)技術(shù)關(guān)注的其他相關(guān)標準。當然，無線傳感器網(wǎng)絡的標準化工作任重道遠：首先，無線傳感網(wǎng)絡畢竟還是一個新興領(lǐng)域，其研究及應用都還顯得相當年輕，產(chǎn)業(yè)的需求還不明朗；其次，IEEE 802．15／zigbee并非針對無線傳感網(wǎng)量身定制，在無線傳感網(wǎng)環(huán)境下使用有些問題需要進一步解決；另外，專門針對無線傳感網(wǎng)技術(shù)的國際標準化工作還剛剛開始，國內(nèi)的標準化工作組也還剛剛成立。為此，我們要為標準化工作的順利完成做好充分的準備。

1． PHY／MAC 層標準

無線傳感器網(wǎng)絡的底層標準一般沿用了無線個域網(wǎng)（IEEE 802．15）的相關(guān)標準部分。無線個域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，WPAN）的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng)絡要早，通常定義為提供個人及消費類電子設備之間進行互聯(lián)的無線短距離專用網(wǎng)絡。無線個域網(wǎng)專注于便攜式移動設備（如：個人電腦、外圍設備、PDA、手機、數(shù)碼產(chǎn)品等消費類電子設備）之間的雙向通信技術(shù)問題，其典型覆蓋范圍一般在10米以內(nèi)。IEEE 802．15工作組就是為完成這一使命而專門設置的，且已經(jīng)完成一系列相關(guān)標準的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡的底層標準IEEE 802．15．4。

（1） IEEE 802．15．4b規(guī)范

IEEE 802．15．4標準主要針對低速無線個域網(wǎng)（Low－Rate Wireless Personal Area Network，LR－WPAN）制定。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標（這和無線傳感器網(wǎng)絡一致），旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設備之間低速互聯(lián)提供統(tǒng)一接口。由于IEEE 802．15．4定義的LR－WPAN網(wǎng)絡的特性和無線傳感器網(wǎng)絡的簇內(nèi)通信有眾多相似之處，很多研究機構(gòu)把它作為傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的物理及鏈路層通信標準。

IEEE 802．15．4標準定義了物理層和介質(zhì)訪問控制子層，符合開放系統(tǒng)互連模型（OSI）。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊，介質(zhì)訪問控制子層為高層提供了訪問物理信道的服務接口。圖1給出了IEEE 802．15．4層與層之間的關(guān)系以及IEEE 802．15．4／zigbee的協(xié)議架構(gòu)，具體參考［1］

IEEE 802．15．4在物理（PHY）層設計中面向低成本和更高層次的集成需求，采用的工作頻率分為868MHz、915MHz和2．4GHz三種，各頻段可使用的信道分別有1個、10個、16個，各自提供20kb／s、40kb／s和250kb／s的傳輸速率，其傳輸范圍介于10米～100米之間。由于規(guī)范使用的三個頻段是國際電信聯(lián)盟電信標準化組 （ITUT， ITU Telecommunication Standardization Sector）定義的用于科研和醫(yī)療的ISM（Industrial Scientific and Medical）開放頻段，被各種無線通信系統(tǒng)廣泛使用。為減少系統(tǒng)間干擾，協(xié)議規(guī)定在各個頻段采用直接序列擴頻（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）編碼技術(shù)。與其他數(shù)字編碼方式相較，直接序列擴頻技術(shù)可使物理層的模擬電路設計變得簡單，且具有更高的容錯性能，適合低端系統(tǒng)的實現(xiàn)。

IEEE 802．15．4在介質(zhì)訪問控制層方面，定義了兩種訪問模式。其一為帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA／CA）。這種方式參考無線局域網(wǎng)（WLAN）中IEEE802．11標準定義的DCF 模式，易于實現(xiàn)與無線局域網(wǎng)（WLAN， Wireless LAN）的信道級共存。所謂的CSMA／CA是在傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是否有同信道（co－channel）載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。這種介質(zhì)訪問控制層方案簡化了實現(xiàn)自組織（Ad Hoc）網(wǎng)絡應用的過程，但在大流量傳輸應用時給提高帶寬利用率帶來了麻煩；同時，因為沒有功耗管理設計，所以要實現(xiàn)基于睡眠機制的低功耗網(wǎng)絡應用，需要做更多的工作。

IEEE 802．15．4定義的另外一種通信模式類似于802．11標準定義的PCF 模式，通過使用同步的超幀機制提高信道利用率，并通過在超幀內(nèi)定義休眠時段，很容易實現(xiàn)低功耗控制。PCF模式定義了兩種器件：全功能器件（Full－Function Device，F(xiàn)FD）和簡化功能器件（Reduced－function Device，RFD）。FFD設備支持所有的49個基本參數(shù)，而RFD設備在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。在PCF模式下，F(xiàn)FD設備作為協(xié)調(diào)器控制所有關(guān)聯(lián)的RFD設備的同步、數(shù)據(jù)收發(fā)過程，可以與網(wǎng)絡內(nèi)任何一種設備進行通信。而RFD設備只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD設備互通。在PCF模式下，一個IEEE 802．15．4網(wǎng)絡中至少存在一個FFD設備作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器（PAN Coordinator），起著網(wǎng)絡主控制器的作用，擔負簇間和簇內(nèi)同步、分組轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡建立、成員管理等任務。

IEEE 802．15．4標準支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，有16位和64位兩種地址格式。其中64位地址是全球唯一的擴展地址，16位段地址用于小型網(wǎng)絡構(gòu)建，或者作為簇內(nèi)設備的識別地址。IEEE 802．15．4b標準擁有多個變種，包括了低速超寬帶的IEEE 802．15．4a，及最近中國正在著力推進的IEEE 802．15．4c和IEEE 802．15．4e，以及日本主要推動的IEEE 802．15．4d，在這里就不深入討論了。

（2）藍牙（Bluetooth）技術(shù)

1998年5月，就在IEEE 802．15無線個域網(wǎng)工作組成立不久，五家世界著名的IT公司：愛立信（Ericsson）、IBM、英特爾（Intel）、諾基亞（Nokia）和東芝（Toshiba）聯(lián)合宣布了一項叫做“藍牙（Bluetooth）”的研發(fā)計劃。1999年7月藍牙工作組推出了藍牙協(xié)議1．0版，2001年更新為版本1．1，即我們熟知的IEEE 802．15．1協(xié)議。該協(xié)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，使通信和計算機進一步結(jié)合，讓不同廠家生產(chǎn)的便攜式設備具有在沒有電纜的情況下實現(xiàn)近距離范圍內(nèi)互通的能力。計劃一經(jīng)公布，就得到了包括摩托羅拉（Motorola）、朗訊（Lucent）、康柏（Compaq）、西門子（Simens）、3Com、TDK以及微軟（Microsoft）等大公司在內(nèi)的近2000家廠商的廣泛支持和采納。

藍牙技術(shù)也是工作在2．4GHz的ISM頻段，采用快速跳頻和短包技術(shù)減少同頻干擾，保證物理層傳輸?shù)目煽啃院桶踩裕哂幸欢ǖ慕M網(wǎng)能力，支持64Kbps的實時語音。藍牙技術(shù)日益普及，市場上的相關(guān)產(chǎn)品也在不斷增多，但隨著超寬帶技術(shù)、無線局域網(wǎng)及zigbee技術(shù)的出現(xiàn)，特別是其安全性、價格、功耗等方面的問題日益顯現(xiàn)，其競爭優(yōu)勢開始下降。2004年藍牙工作組推出2．0版本，帶寬提高三倍，且功耗降低一半，在一定程度上重建了產(chǎn)業(yè)界信心。

由于藍牙技術(shù)與zigbee技術(shù)存在一定的共性，所以它們經(jīng)常被應用于無線傳感器網(wǎng)絡中。