無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展與協(xié)議分析

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門(mén)面向應(yīng)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(xué)術(shù)界從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、測(cè)試測(cè)量、操作系統(tǒng)、服務(wù)質(zhì)量、節(jié)點(diǎn)定位、時(shí)間同步等方面開(kāi)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(cè)、軍事目標(biāo)跟蹤、智能家居、自動(dòng)抄表、燈光控制、建筑物健康監(jiān)測(cè)、電力線監(jiān)控等領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用探索。隨著應(yīng)用的推廣，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)始暴露出越來(lái)越多的問(wèn)題。不同廠商的設(shè)備需要實(shí)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(shè)備提供商達(dá)成一定的默契，齊心協(xié)力實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。這就是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作的背景。實(shí)際上，由于標(biāo)準(zhǔn)化工作關(guān)系到多方的經(jīng)濟(jì)利益甚至社會(huì)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(dá)成共識(shí)，需要參與各方擁有足夠的理解和耐心。

到目前為止，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作受到了許多國(guó)家及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的普遍關(guān)注，已經(jīng)完成了一系列草案甚至標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4定義了短距離無(wú)線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，zigbee則定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、傳輸和應(yīng)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(yīng)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(yīng)需求，加上該協(xié)議僅定義了聯(lián)網(wǎng)通信的內(nèi)容，沒(méi)有對(duì)傳感器部件提出標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口，所以難以承載無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的夢(mèng)想與使命;另外，該標(biāo)準(zhǔn)在落地不同國(guó)家時(shí)，也必然要受到該國(guó)家地區(qū)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的約束。為此，人們開(kāi)始以IEEE 802.15.4/zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)，推出更多版本以適應(yīng)不同應(yīng)用、不同國(guó)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(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)當(dāng)仁不讓的最佳組合。本文將重點(diǎn)介紹IEEE 802.15.4/zigbee協(xié)議規(guī)范，并適當(dāng)顧及傳感網(wǎng)技術(shù)關(guān)注的其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作任重道遠(yuǎn)：首先，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)畢竟還是一個(gè)新興領(lǐng)域，其研究及應(yīng)用都還顯得相當(dāng)年輕，產(chǎn)業(yè)的需求還不明朗;其次，IEEE 802.15/zigbee并非針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)量身定制，在無(wú)線傳感網(wǎng)環(huán)境下使用有些問(wèn)題需要進(jìn)一步解決;另外，專(zhuān)門(mén)針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作還剛剛開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化工作組也還剛剛成立。為此，我們要為標(biāo)準(zhǔn)化工作的順利完成做好充分的準(zhǔn)備。

1. PHY/MAC 層標(biāo)準(zhǔn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn)一般沿用了無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(IEEE 802.15)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)部分。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network，WPAN)的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng)絡(luò)要早，通常定義為提供個(gè)人及消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備之間進(jìn)行互聯(lián)的無(wú)線短距離專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線個(gè)域網(wǎng)專(zhuān)注于便攜式移動(dòng)設(shè)備(如：個(gè)人電腦、外圍設(shè)備、PDA、手機(jī)、數(shù)碼產(chǎn)品等消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備)之間的雙向通信技術(shù)問(wèn)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(zhuān)門(mén)設(shè)置的，且已經(jīng)完成一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4。

(1) IEEE 802.15.4b規(guī)范

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN)制定。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)(這和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一致)，旨在為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)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(luò)的特性和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)通信有眾多相似之處，很多研究機(jī)構(gòu)把它作為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理及鏈路層通信標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制子層，符合開(kāi)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(wèn)控制子層為高層提供了訪問(wèn)物理信道的服務(wù)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(shè)計(jì)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(gè)、10個(gè)、16個(gè)，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(gè)頻段是國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)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(kāi)放頻段，被各種無(wú)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(gè)頻段采用直接序列擴(kuò)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(kuò)頻技術(shù)可使物理層的模擬電路設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，且具有更高的容錯(cuò)性能，適合低端系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

IEEE 802.15.4在介質(zhì)訪問(wèn)控制層方面，定義了兩種訪問(wèn)模式。其一為帶沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)方式(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)。這種方式參考無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)中IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的DCF 模式，易于實(shí)現(xiàn)與無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN， Wireless LAN)的信道級(jí)共存。所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，先偵聽(tīng)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(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài);若存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道。這種介質(zhì)訪問(wèn)控制層方案簡(jiǎn)化了實(shí)現(xiàn)自組織(Ad Hoc)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過(guò)程，但在大流量傳輸應(yīng)用時(shí)給提高帶寬利用率帶來(lái)了麻煩;同時(shí)，因?yàn)闆](méi)有功耗管理設(shè)計(jì)，所以要實(shí)現(xiàn)基于睡眠機(jī)制的低功耗網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(lèi)似于802.11標(biāo)準(zhǔn)定義的PCF 模式，通過(guò)使用同步的超幀機(jī)制提高信道利用率，并通過(guò)在超幀內(nèi)定義休眠時(shí)段，很容易實(shí)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(jiǎn)化功能器件(Reduced-function Device，RFD)。FFD設(shè)備支持所有的49個(gè)基本參數(shù)，而RFD設(shè)備在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數(shù)。在PCF模式下，F(xiàn)FD設(shè)備作為協(xié)調(diào)器控制所有關(guān)聯(lián)的RFD設(shè)備的同步、數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程，可以與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何一種設(shè)備進(jìn)行通信。而RFD設(shè)備只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備互通。在PCF模式下，一個(gè)IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中至少存在一個(gè)FFD設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PAN Coordinator)，起著網(wǎng)絡(luò)主控制器的作用，擔(dān)負(fù)簇間和簇內(nèi)同步、分組轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建立、成員管理等任務(wù)。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)支持星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(kuò)展地址，16位段地址用于小型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，或者作為簇內(nèi)設(shè)備的識(shí)別地址。IEEE 802.15.4b標(biāo)準(zhǔn)擁有多個(gè)變種，包括了低速超寬帶的IEEE 802.15.4a，及最近中國(guó)正在著力推進(jìn)的IEEE 802.15.4c和IEEE 802.15.4e，以及日本主要推動(dòng)的IEEE 802.15.4d，在這里就不深入討論了。

(2)藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)

1998年5月，就在IEEE 802.15無(wú)線個(gè)域網(wǎng)工作組成立不久，五家世界著名的IT公司：愛(ài)立信(Ericsson)、IBM、英特爾(Intel)、諾基亞(Nokia)和東芝(Toshiba)聯(lián)合宣布了一項(xiàng)叫做“藍(lán)牙(Bluetooth)”的研發(fā)計(jì)劃。1999年7月藍(lán)牙工作組推出了藍(lán)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(shè)計(jì)通用的無(wú)線空中接口(Radio Air Interface)及其軟件的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使通信和計(jì)算機(jī)進(jìn)一步結(jié)合，讓不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備具有在沒(méi)有電纜的情況下實(shí)現(xiàn)近距離范圍內(nèi)互通的能力。計(jì)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(mén)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(lán)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(shí)時(shí)語(yǔ)音。藍(lán)牙技術(shù)日益普及，市場(chǎng)上的相關(guān)產(chǎn)品也在不斷增多，但隨著超寬帶技術(shù)、無(wú)線局域網(wǎng)及zigbee技術(shù)的出現(xiàn)，特別是其安全性、價(jià)格、功耗等方面的問(wèn)題日益顯現(xiàn)，其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)開(kāi)始下降。2004年藍(lán)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(lán)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(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

2. 其他無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要構(gòu)建從物理層到應(yīng)用層的完整的網(wǎng)絡(luò)，而無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)為其提前制定了物理層及介質(zhì)訪問(wèn)控制層規(guī)范。除了前面討論的IEEE 802.15.4及藍(lán)牙技術(shù)外，無(wú)線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)方案還包括：超寬帶(UWB)技術(shù)、紅外(IrDA)技術(shù)、家用射頻(HomeRF)技術(shù)等，其共同的特點(diǎn)是短距離、低功耗、低成本、個(gè)人專(zhuān)用等，它們均在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中被用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議方案，簡(jiǎn)單介紹如下：

(1) 超寬帶(UWB)技術(shù)

超寬帶(Ultra Wide-Band，UWB)技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末，是一項(xiàng)使用從幾Hz到幾GHz的寬帶電波信號(hào)的技術(shù)，通過(guò)發(fā)射極短暫的脈沖，并接收和分析反射回來(lái)的信號(hào)，就可以得到檢測(cè)對(duì)象的信息。UWB因?yàn)槭褂昧藰O高的帶寬，故其功率譜密度非常平坦，表現(xiàn)為在任何頻點(diǎn)的輸出功率都非常小，甚至低于普通設(shè)備放射的噪聲，故其具有很好的抗干擾性和安全性。超寬帶技術(shù)最初主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)探測(cè)和定位等應(yīng)用領(lǐng)域中使用，美國(guó)FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì))于2002年2月準(zhǔn)許該技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域。除了低功耗外，超寬帶技術(shù)的傳輸速率輕易可達(dá)100Mbps以上，其第二代產(chǎn)品可望達(dá)到500Mbps以上，僅這一項(xiàng)指標(biāo)就讓其他眾多技術(shù)望塵莫及。圍繞UWB的標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)從一開(kāi)始就非常激烈，F(xiàn)reescale的DS-UWB和由TI倡導(dǎo)的MBOA逐步脫穎而出，近幾年國(guó)內(nèi)在這方面的研究也非常熱門(mén)。

由于其功耗低、帶寬高、抗干擾能力強(qiáng)，超寬帶技術(shù)無(wú)疑具有夢(mèng)幻般的發(fā)展前景，但超寬帶芯片產(chǎn)品卻遲遲未曾面市，這無(wú)疑留給我們一個(gè)大大的遺憾。近年來(lái)開(kāi)始出現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的報(bào)道，不過(guò)這項(xiàng)底蘊(yùn)極深的技術(shù)還需要整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的共同推動(dòng)。目前超寬帶技術(shù)可謂初露鋒芒，相信它屬于大器晚成、老而彌堅(jiān)的類(lèi)型，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中必會(huì)大有作為。

(2) 紅外(IrDA)技術(shù)

紅外技術(shù)是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，是由成立于1993 年的非營(yíng)利性組織紅外線數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)IrDA(Infrared Data Association)負(fù)責(zé)推進(jìn)的，該協(xié)會(huì)致力于建立無(wú)線傳播連接的世界標(biāo)準(zhǔn)，目前擁有130個(gè)以上的正式企業(yè)會(huì)員。紅外技術(shù)的傳輸速率已經(jīng)從最初FIR的4Mbps上升為現(xiàn)在VFIR的16Mbps，接收角度也由最初的30°擴(kuò)展到120°。由于它僅用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，且具有一定方向性，故數(shù)據(jù)傳輸所受的干擾較少。由于產(chǎn)品體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請(qǐng)等優(yōu)勢(shì)，紅外技術(shù)從誕生到現(xiàn)在一直被廣泛應(yīng)用，可謂無(wú)線個(gè)域網(wǎng)領(lǐng)域的一棵常青樹(shù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其硬件與配套的軟件技術(shù)都已相當(dāng)成熟，目前全世界有至少5000萬(wàn)臺(tái)設(shè)備采用IrDA技術(shù)，并且仍然以年遞增50%的速度在增長(zhǎng)。當(dāng)今有95%的手提電腦都安裝了IrDA 接口，而遙控設(shè)備(電視機(jī)、空調(diào)、數(shù)字產(chǎn)品等)更是普遍采用紅外技術(shù)。

但是IrDA是一種視距傳輸技術(shù)，核心部件紅外線LED也不是十分耐用，更無(wú)法構(gòu)建長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，造成紅外技術(shù)終究沒(méi)能成為無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的物理層標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，僅在極少數(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中進(jìn)行過(guò)嘗試(如定位跟蹤)，并且是與其他無(wú)線技術(shù)配合使用的。

(3)家用射頻(HomeRF)技術(shù)

家用射頻工作組(Home Radio Frequency Working Group，HomeRF WG)成立于1998年3月，是由美國(guó)家用射頻委員會(huì)領(lǐng)導(dǎo)的，首批成員包括：英特爾、IBM、康柏、3Com、飛利浦(Philips)、微軟、摩托羅拉等公司，其主旨是在消費(fèi)者能夠承受的前提下，建設(shè)家庭中的互操作性語(yǔ)音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。家用射頻工作組于1998 年即制定了共享無(wú)線訪問(wèn)協(xié)議(Shared Wireless Access Protocol SWAP)，該協(xié)議主要針對(duì)家庭無(wú)線局域網(wǎng)。該協(xié)議的數(shù)據(jù)通信采用簡(jiǎn)化的IEEE 802.11協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，沿用了以太網(wǎng)載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)技術(shù);其語(yǔ)音通信采用DECT(Digital Enhanced Cordless Telephony)標(biāo)準(zhǔn)，使用時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)。家用射頻工作頻段是2.4GHz，最初支持?jǐn)?shù)據(jù)和音頻最大數(shù)據(jù)的傳輸速率為2Mbps，在新的家用射頻2.x 標(biāo)準(zhǔn)中采用了WBFH(Wide Band Frequency Hopping 寬帶跳頻)技術(shù)，增加跳頻調(diào)制功能，數(shù)據(jù)帶寬峰值可達(dá)10Mbps，已經(jīng)能夠滿足大部分應(yīng)用。

2000年左右家用射頻技術(shù)的普及率一度達(dá)到45%，但由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)被控制在數(shù)十家公司手中，并沒(méi)有像紅外技術(shù)一樣開(kāi)放，特別是802.11b標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，從2001年開(kāi)始，家用射頻的普及率驟然降至30%，2003年家用射頻工作組更是宣布停止研發(fā)和推廣，曾經(jīng)風(fēng)光無(wú)限的家用射頻終于退出無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的歷史舞臺(tái)，尤如曇花一現(xiàn)。

3. 路由及高層標(biāo)準(zhǔn)

在前面討論的底層標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，已經(jīng)出現(xiàn)了一些包括了路由及應(yīng)用層的高層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，主要包括zigbee/IEEE 802.15.4、6LowPAN、IEEE1451.5(無(wú)線傳感通信接口標(biāo)準(zhǔn))等，另外，Z-Wave聯(lián)盟、Cypress (Wireless USB傳感器網(wǎng)絡(luò))等也推出了類(lèi)似的標(biāo)準(zhǔn)，但是在專(zhuān)門(mén)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)出來(lái)以前，zigbee無(wú)疑是最受寵愛(ài)的，也受到了較多的應(yīng)用廠商的推崇，這里簡(jiǎn)單介紹一下。

(1) zigbee協(xié)議規(guī)范

zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月，最初成員包括：霍尼韋爾(Honeywell)、Invensys、三菱(MITSUBISHI)、摩托羅拉和飛利浦等，目前擁有超過(guò)200多個(gè)會(huì)員。zigbee 1.0(Revision 7)規(guī)格正式于2004年12月推出，2006年12月，推出了zigbee 2006(Revision 13)，即1.1版，2007年又推出了zigbee 2007 Pro，2008年春天又有一定的更新。zigbee技術(shù)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短、安全可靠、工作頻段靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前是被普遍看好的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)解決方案，也被很多人視為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

zigbee聯(lián)盟對(duì)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用程序接口(Application Programming Interfaces，API)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。zigbee協(xié)議棧架構(gòu)基于開(kāi)放系統(tǒng)互連模型七層模型，包含IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及由該聯(lián)盟獨(dú)立定義的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議。zigbee所制定的網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇罱ê途S護(hù)，以及設(shè)備尋址、路由等，屬于通用的網(wǎng)絡(luò)層功能范疇，應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層(Aplication Support Sub-layer，APS)、zigbee設(shè)備對(duì)象(zigbee Device Object，ZDO)以及設(shè)備商自定義的應(yīng)用組件，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、安全與鑒權(quán)等。

另外，zigbee聯(lián)盟也負(fù)責(zé)zigbee產(chǎn)品的互通性測(cè)試與認(rèn)證規(guī)格的制定。zigbee聯(lián)盟定期舉辦ZigFest活動(dòng)，讓發(fā)展zigbee產(chǎn)品的廠商有一個(gè)公開(kāi)交流的機(jī)會(huì)，完成設(shè)備的互通性測(cè)試;而在認(rèn)證部分，zigbee聯(lián)盟共定義了3種層級(jí)的認(rèn)證：第一級(jí)(Level 1)是認(rèn)證物理層與介質(zhì)訪問(wèn)控制層，與芯片廠有最直接的關(guān)系;第二級(jí)(Level 2)是認(rèn)證zigbee 協(xié)議棧(Stack)，又稱(chēng)為zigbee兼容平臺(tái)認(rèn)證(Compliant Platform Certification);第三級(jí)(Level 3)是認(rèn)證zigbee產(chǎn)品，通過(guò)第三級(jí)認(rèn)證的產(chǎn)品才允許貼上zigbee的標(biāo)志，所以也稱(chēng)為zigbee標(biāo)志認(rèn)證(Logo Certification)。

協(xié)議芯片是協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的載體，也是最容易體現(xiàn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種形式。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了較多的zigbee芯片產(chǎn)品及解決方案，有代表性的包括：Jennic的JN5121/JN5139，Chipcon的CC2430/CC2431(被TI收購(gòu))及Freescale MC13192，Ember的EM250 zigbee等系列的開(kāi)發(fā)工具及芯片，表 1對(duì)這些芯片指標(biāo)進(jìn)行了比較。

(2) IEEE 1451.5標(biāo)準(zhǔn)

除了以上兩種通用規(guī)范以外，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用領(lǐng)域，也正在醞釀著特定行業(yè)的專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)，如電力水力、工業(yè)控制、消費(fèi)電子、智能家居等。這里以工控領(lǐng)域?yàn)槔?jiǎn)單討論一下IEEE1451.X，當(dāng)然工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)紛繁復(fù)雜，最近正在制定專(zhuān)門(mén)面向工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ISA SP100，有很多中國(guó)工業(yè)及學(xué)術(shù)界同仁努力參與了該標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)族是通過(guò)定義一套通用的通信接口，以使工業(yè)變送器(傳感器+執(zhí)行器)能夠獨(dú)立于通信網(wǎng)絡(luò)，并與現(xiàn)有的微處理器系統(tǒng)、儀表儀器和現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)相連，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問(wèn)題，并最終能夠?qū)崿F(xiàn)變送器到網(wǎng)絡(luò)的互換性與互操作性。IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)族定義了變送器的軟硬件接口，將傳感器分成兩層模塊結(jié)構(gòu)。第一層用來(lái)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用硬件，稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)適配器(Network Capable Application Processor， NCAP);第二層為智能變送器接口模塊(Smart Transducer Interface Module， STIM)，其中包括變送器和電子數(shù)據(jù)表格TEDS。IEEE1451工作組先后提出了五項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提案(IEEE1451.1—IEEE1451.5)，分別針對(duì)了不同的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)需求，其中IEEE1451.5為無(wú)線傳感通信接口標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)提案于2001年6月最新推出，在已有的IEEE1451柜架下提出了一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線傳感器接口，以滿足工業(yè)自動(dòng)化等不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。IEEE1451.5盡量使用無(wú)線的傳輸介質(zhì)，描述了智能傳感器與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊之間的無(wú)線連接規(guī)范，而不是網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與智能傳感器的IEEE 802.11、Bluetooth、zigbee無(wú)線接口之間的互操作性。IEEE1451.5提案的工作重點(diǎn)在于制定無(wú)線數(shù)據(jù)通信過(guò)程中的通信數(shù)據(jù)模型和通信控制模型。IEEE1451.5建議標(biāo)準(zhǔn)必須對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行具有一般性的擴(kuò)展以允許多種無(wú)線通信技術(shù)可以使用，主要包括兩方面：一是為變送器通信定義一個(gè)通用的服務(wù)質(zhì)量(QOS)機(jī)制，能夠?qū)θ魏螣o(wú)線電技術(shù)進(jìn)行映射服務(wù)，另外對(duì)每一種無(wú)線射頻技術(shù)都有一個(gè)映射層用來(lái)把無(wú)線發(fā)送具體配置參數(shù)映射到服務(wù)質(zhì)量機(jī)制中。關(guān)于該標(biāo)準(zhǔn)具體內(nèi)容，這里就不再詳細(xì)討論了。

(3).6LowPan草案

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)從誕生開(kāi)始就與下一代互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)，6LowPan(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network)就是結(jié)合這兩個(gè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)草案。該草案的目標(biāo)是制定如何在LowPAN(低功率個(gè)域網(wǎng))上傳輸IPv6報(bào)文。當(dāng)前LowPAN采用的開(kāi)放協(xié)議主要指前面提到的IEEE802.15.4 介質(zhì)訪問(wèn)控制層標(biāo)準(zhǔn)，在上層并沒(méi)有一個(gè)真正開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)支持路由等功能。由于IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)上趨于成熟，并且在LowPan上采用IPv6協(xié)議可以與IPv6網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，因此互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF， Internet Engineering Task Force，)成立了專(zhuān)門(mén)的工作組制定如何在802.15.4協(xié)議上發(fā)送和接收IPv6報(bào)文等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

在802.15.4上選擇傳輸IPv6報(bào)文主要是因?yàn)楝F(xiàn)有成熟的IPv6技術(shù)可以很好地滿足LowPan互聯(lián)層的一些要求。首先在LowPan網(wǎng)絡(luò)里面很多設(shè)備需要無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置技術(shù)，在IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)(Neighbor Discovery)協(xié)議里基于主機(jī)的多樣性已經(jīng)提供了兩種自動(dòng)配置技術(shù)：有狀態(tài)自動(dòng)配置與無(wú)狀態(tài)自動(dòng)配置。另外在LowPan網(wǎng)絡(luò)中可能存在大量的設(shè)備，需要很大的IP地址空間，這個(gè)問(wèn)題對(duì)于有著128位IP地址的IPv6協(xié)議不是問(wèn)題;其次在包長(zhǎng)受限的情況下，可以選擇IPv6的地址包含802.15.4介質(zhì)訪問(wèn)控制層地址。

IPv6與802.15.4協(xié)議的設(shè)計(jì)初衷是應(yīng)用于兩個(gè)完全不同的網(wǎng)絡(luò)，這導(dǎo)致了直接在802.15.4上傳輸IPv6報(bào)文會(huì)有很多的問(wèn)題。首先兩個(gè)協(xié)議的報(bào)文長(zhǎng)度不兼容，IPv6報(bào)文允許的最大報(bào)文長(zhǎng)度是1280字節(jié)，而在802.15.4的介質(zhì)訪問(wèn)控制層最大報(bào)文長(zhǎng)度是127字節(jié)。由于本身的地址域信息(甚至還需要留一些字節(jié)給安全設(shè)置)占用了25個(gè)字節(jié)，留給上層的負(fù)載域最多102個(gè)字節(jié)，顯然無(wú)法直接承載來(lái)自IPv6網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包;其次兩者采用的地址機(jī)制不相同，IPv6采用分層的聚類(lèi)地址，由多段具有特定含義的地址段前綴與主機(jī)號(hào)構(gòu)成;而在802.15.4中直接采用64位或16位的扁平地址;另外，兩者設(shè)備的協(xié)議設(shè)計(jì)要求不同，在IPv6的協(xié)議設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮節(jié)省能耗問(wèn)題。而在802.15.4很多設(shè)備都是電池供電，能量有限，需要盡量減少數(shù)據(jù)通信量和通信距離，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命;最后，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)化目標(biāo)不同，在IPv6中一般關(guān)心如何快速地實(shí)現(xiàn)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)問(wèn)題，而在802.15.4中，如何在節(jié)省設(shè)備能量的情況下實(shí)現(xiàn)可靠的通信是其核心目標(biāo)。

總之，由于兩個(gè)協(xié)議的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)不同，要IEEE802.15.4支持IPv6數(shù)據(jù)包的傳輸還存在很多技術(shù)問(wèn)題需要解決，如報(bào)文分片與重組、報(bào)頭壓縮、地址配置、映射與管理、網(wǎng)狀路由轉(zhuǎn)發(fā)、鄰居發(fā)現(xiàn)等，在這里就不再一一討論了。

4. 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化及國(guó)際化

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作在全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(簡(jiǎn)稱(chēng)信標(biāo)委)推動(dòng)下，取得了較大進(jìn)展。信標(biāo)委經(jīng)過(guò)一年多的醞釀，于2005年11月29日組織國(guó)內(nèi)及海外華人專(zhuān)家，在中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所召開(kāi)了第一次“無(wú)線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)”，討論了無(wú)線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展?fàn)顩r、市場(chǎng)分析及標(biāo)準(zhǔn)制定等事宜，會(huì)議建議將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)納入無(wú)線個(gè)域網(wǎng)范疇，并成立了專(zhuān)門(mén)的興趣小組(另外還有低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)、超寬帶等興趣小組)，自此中國(guó)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化工作邁出了第一步。

工作組經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)三十多個(gè)科研及產(chǎn)業(yè)實(shí)體近兩年的共同努力，先后組織了八次全國(guó)范圍的技術(shù)研討會(huì)，提出了低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)使用的780MHz(779-787 MHz) 專(zhuān)用頻段及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，獲得國(guó)家無(wú)管委的正式批準(zhǔn)(日本使用950MHz、美國(guó)使用915MHz)。針對(duì)該頻段，工作組提出了擁有自主產(chǎn)權(quán)的MPSK 調(diào)制編碼技術(shù)，擺脫了國(guó)外同類(lèi)技術(shù)的專(zhuān)利束縛。2008年3月3日到4日，工作組對(duì)《信息技術(shù) 系統(tǒng)間遠(yuǎn)程通信和信息交換 局域網(wǎng)和城域網(wǎng)特定要求第15.4部分：低速率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)物理層和媒體訪問(wèn)控制層規(guī)范》意見(jiàn)函進(jìn)行了投票，并通過(guò)了780MHZ工作頻段采用MPSK和O-QPSK 調(diào)制編碼技術(shù)提案作為低速率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)共同可選(Co-alternative)的物理層技術(shù)規(guī)范(MPSK和O-QPSK分別由中國(guó)和美國(guó)相關(guān)團(tuán)體提出，并各自擁有知識(shí)產(chǎn)權(quán))，即LR-WPAN可以采用MPSK和OQPSK其中之一，或共同使用，并最終將形成IEEE 802.15.4c標(biāo)準(zhǔn)。另外，由中國(guó)及華人專(zhuān)家主要負(fù)責(zé)起草的包括了MAC/PHY兩層協(xié)議的IEEE 802.15.4e也在順利推進(jìn)中(在IEEE 802.15.4—2006 介質(zhì)訪問(wèn)控制中加入工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)支持ISA SP-100.11a，并兼容IEEE 802.15.4c)。這是國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化工作的一個(gè)重要進(jìn)展，也是我國(guó)參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的重要一步。計(jì)算所是這個(gè)工作組的正式會(huì)員單位之一，參與了其中的一些工作。

最近，國(guó)內(nèi)及國(guó)際無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作又取得了新的發(fā)展。首先，國(guó)標(biāo)委已正式批復(fù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)從無(wú)線個(gè)域網(wǎng)工作組中分離出來(lái)，成立了直屬于全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組(秘書(shū)處現(xiàn)掛靠微系統(tǒng)所，計(jì)算所作為其成員單位之一，將致力于該標(biāo)準(zhǔn)的制定工作)。工作組預(yù)計(jì)于2008年4月10日左右完成籌備工作，這標(biāo)志著傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化工作向前邁進(jìn)了一大步;其次，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織也成立了ISO/IEC JTC1/SGSN研究小組，開(kāi)始了傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。中國(guó)和美國(guó)、韓國(guó)、日本等國(guó)家一起作為重要成員單位參與其中。其第一次會(huì)議也將于2008年6月底在中國(guó)上海隆重召開(kāi)。會(huì)議不但有國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)其中若干關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)技術(shù)討論，也會(huì)有眾多從事傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的企業(yè)攜最新產(chǎn)品參加展覽。與此同時(shí)，各會(huì)員國(guó)將對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)框架開(kāi)展深入探討，為標(biāo)準(zhǔn)草案的詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

標(biāo)準(zhǔn)是連接科研和產(chǎn)業(yè)的紐帶，而芯片正是標(biāo)準(zhǔn)的最直接的實(shí)現(xiàn)形式。參與標(biāo)準(zhǔn)化工作，特別是參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，對(duì)提升我國(guó)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力和技術(shù)水平，占領(lǐng)行業(yè)制高點(diǎn)，有著舉足輕重的作用。制定標(biāo)準(zhǔn)的最終目的還是為提升產(chǎn)業(yè)水平、滿足產(chǎn)品國(guó)際化、保護(hù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、兼容同類(lèi)或配套產(chǎn)品等方面提供便利。如果我們能參與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的國(guó)內(nèi)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，就會(huì)在本領(lǐng)域的芯片設(shè)計(jì)、方案提供及產(chǎn)品制造等方面獲得有力保障。系統(tǒng)芯片作為標(biāo)準(zhǔn)最直接的體現(xiàn)形式，將是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，不但是成本的主要決定因素，更是知識(shí)產(chǎn)權(quán)的主要體現(xiàn)形式。缺少產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)顯得蒼白無(wú)力，只是一紙空文;缺少芯片的標(biāo)準(zhǔn)制定顯得有名無(wú)實(shí)，只是紙上談兵。但是，目前國(guó)內(nèi)在芯片設(shè)計(jì)及產(chǎn)業(yè)化(特別是射頻芯片)方面的水平都較低，能力比較弱，這是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域亟需取得突破的兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)制定和通信芯片是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的兩個(gè)不可或缺的方面。