无线传感器网络标准化进展与协议全面分析

无线传感器网络作为一门面向应用的研究领域，在近几年获得了飞速发展。在关键技术的研发方面，学术界从网络协议、数据融合、测试测量、操作系统、服务质量、节点定位、时间同步等方面开展了大量研究，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、电力线监控等领域进行应用探索。随着应用的推广，无线传感器网络技术开始暴露出越来越多的问题。不同厂商的设备需要实现互联互通，且要避免与现行系统的相互干扰，因此要求不同的芯片厂商、方案提供商、产品提供商及关联设备提供商达成一定的默契，齐心协力实现目标。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甚至社会利益，往往受到相关行业的普遍重视，如何协调好各方利益，达成共识，需要参与各方拥有足够的理解和耐心。

到目前为止，无线传感器网络的标准化工作受到了许多国家及国际标准组织的普遍关注，已经完成了一系列草案甚至标准规范的制定。其中最出名的就是IEEE 802．15．4／zigbee规范，它甚至已经被一部分研究及产业界人士视为标准。IEEE 802．15．4定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范，zigbee则定义了网络互联、传输和应用规范。尽管IEEE802．15．4和zigbee协议已经推出多年，但随着应用的推广和产业的发展，其基本协议内容已经不能完全适应需求，加上该协议仅定义了联网通信的内容，没有对传感器部件提出标准的协议接口，所以难以承载无线传感器网络技术的梦想与使命；另外，该标准在落地不同国家时，也必然要受到该国家地区现行标准的约束。为此，人们开始以IEEE 802．15．4／zigbee协议为基础，推出更多版本以适应不同应用、不同国家和地区。

尽管存在不完善之处，IEEE 802．15．4／zigbee仍然是目前产业界发展无线传感网技术当仁不让的最佳组合。本文将重点介绍IEEE 802．15．4／zigbee协议规范，并适当顾及传感网技术关注的其他相关标准。当然，无线传感器网络的标准化工作任重道远：首先，无线传感网络毕竟还是一个新兴领域，其研究及应用都还显得相当年轻，产业的需求还不明朗；其次，IEEE 802．15／zigbee并非针对无线传感网量身定制，在无线传感网环境下使用有些问题需要进一步解决；另外，专门针对无线传感网技术的国际标准化工作还刚刚开始，国内的标准化工作组也还刚刚成立。为此，我们要为标准化工作的顺利完成做好充分的准备。

1． PHY／MAC 层标准

无线传感器网络的底层标准一般沿用了无线个域网（IEEE 802．15）的相关标准部分。无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）的出现比传感器网络要早，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。无线个域网专注于便携式移动设备（如：个人电脑、外围设备、PDA、手机、数码产品等消费类电子设备）之间的双向通信技术问题，其典型覆盖范围一般在10米以内。IEEE 802．15工作组就是为完成这一使命而专门设置的，且已经完成一系列相关标准的制定工作，其中就包括了被广泛用于传感器网络的底层标准IEEE 802．15．4。

（1） IEEE 802．15．4b规范

IEEE 802．15．4标准主要针对低速无线个域网（Low－Rate Wireless Personal Area Network，LR－WPAN）制定。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标（这和无线传感器网络一致），旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互联提供统一接口。由于IEEE 802．15．4定义的LR－WPAN网络的特性和无线传感器网络的簇内通信有众多相似之处，很多研究机构把它作为传感器网络节点的物理及链路层通信标准。

IEEE 802．15．4标准定义了物理层和介质访问控制子层，符合开放系统互连模型（OSI）。物理层包括射频收发器和底层控制模块，介质访问控制子层为高层提供了访问物理信道的服务接口。图1给出了IEEE 802．15．4层与层之间的关系以及IEEE 802．15．4／zigbee的协议架构，具体参考［1］

IEEE 802．15．4在物理（PHY）层设计中面向低成本和更高层次的集成需求，采用的工作频率分为868MHz、915MHz和2．4GHz三种，各频段可使用的信道分别有1个、10个、16个，各自提供20kb／s、40kb／s和250kb／s的传输速率，其传输范围介于10米～100米之间。由于规范使用的三个频段是国际电信联盟电信标准化组 （ITUT， ITU Telecommunication Standardization Sector）定义的用于科研和医疗的ISM（Industrial Scientific and Medical）开放频段，被各种无线通信系统广泛使用。为减少系统间干扰，协议规定在各个频段采用直接序列扩频（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）编码技术。与其他数字编码方式相较，直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路设计变得简单，且具有更高的容错性能，适合低端系统的实现。

IEEE 802．15．4在介质访问控制层方面，定义了两种访问模式。其一为带冲突避免的载波侦听多路访问方式（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA／CA）。这种方式参考无线局域网（WLAN）中IEEE802．11标准定义的DCF 模式，易于实现与无线局域网（WLAN， Wireless LAN）的信道级共存。所谓的CSMA／CA是在传输之前，先侦听介质中是否有同信道（co－channel）载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层方案简化了实现自组织（Ad Hoc）网络应用的过程，但在大流量传输应用时给提高带宽利用率带来了麻烦；同时，因为没有功耗管理设计，所以要实现基于睡眠机制的低功耗网络应用，需要做更多的工作。

IEEE 802．15．4定义的另外一种通信模式类似于802．11标准定义的PCF 模式，通过使用同步的超帧机制提高信道利用率，并通过在超帧内定义休眠时段，很容易实现低功耗控制。PCF模式定义了两种器件：全功能器件（Full－Function Device，FFD）和简化功能器件（Reduced－function Device，RFD）。FFD设备支持所有的49个基本参数，而RFD设备在最小配置时只要求它支持38个基本参数。在PCF模式下，FFD设备作为协调器控制所有关联的RFD设备的同步、数据收发过程，可以与网络内任何一种设备进行通信。而RFD设备只能和与其关联的FFD设备互通。在PCF模式下，一个IEEE 802．15．4网络中至少存在一个FFD设备作为网络协调器（PAN Coordinator），起着网络主控制器的作用，担负簇间和簇内同步、分组转发、网络建立、成员管理等任务。

IEEE 802．15．4标准支持星型和点对点两种网络拓扑结构，有16位和64位两种地址格式。其中64位地址是全球唯一的扩展地址，16位段地址用于小型网络构建，或者作为簇内设备的识别地址。IEEE 802．15．4b标准拥有多个变种，包括了低速超宽带的IEEE 802．15．4a，及最近中国正在着力推进的IEEE 802．15．4c和IEEE 802．15．4e，以及日本主要推动的IEEE 802．15．4d，在这里就不深入讨论了。

（2）蓝牙（Bluetooth）技术

1998年5月，就在IEEE 802．15无线个域网工作组成立不久，五家世界著名的IT公司：爱立信（Ericsson）、IBM、英特尔（Intel）、诺基亚（Nokia）和东芝（Toshiba）联合宣布了一项叫做“蓝牙（Bluetooth）”的研发计划。1999年7月蓝牙工作组推出了蓝牙协议1．0版，2001年更新为版本1．1，即我们熟知的IEEE 802．15．1协议。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，使通信和计算机进一步结合，让不同厂家生产的便携式设备具有在没有电缆的情况下实现近距离范围内互通的能力。计划一经公布，就得到了包括摩托罗拉（Motorola）、朗讯（Lucent）、康柏（Compaq）、西门子（Simens）、3Com、TDK以及微软（Microsoft）等大公司在内的近2000家厂商的广泛支持和采纳。

蓝牙技术也是工作在2．4GHz的ISM频段，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。蓝牙技术日益普及，市场上的相关产品也在不断增多，但随着超宽带技术、无线局域网及zigbee技术的出现，特别是其安全性、价格、功耗等方面的问题日益显现，其竞争优势开始下降。2004年蓝牙工作组推出2．0版本，带宽提高三倍，且功耗降低一半，在一定程度上重建了产业界信心。

由于蓝牙技术与zigbee技术存在一定的共性，所以它们经常被应用于无线传感器网络中。

2． 其他无线个域网标准

无线传感器网络要构建从物理层到应用层的完整的网络，而无线个域网标准为其提前制定了物理层及介质访问控制层规范。除了前面讨论的IEEE 802．15．4及蓝牙技术外，无线个域网技术方案还包括：超宽带（UWB）技术、红外（IrDA）技术、家用射频（HomeRF）技术等，其共同的特点是短距离、低功耗、低成本、个人专用等，它们均在不同的应用场景中被用于无线传感器网络的底层协议方案，简单介绍如下：

（1） 超宽带（UWB）技术

超宽带（Ultra Wide－Band，UWB）技术起源于20世纪50年代末，是一项使用从几Hz到几GHz的宽带电波信号的技术，通过发射极短暂的脉冲，并接收和分析反射回来的信号，就可以得到检测对象的信息。UWB因为使用了极高的带宽，故其功率谱密度非常平坦，表现为在任何频点的输出功率都非常小，甚至低于普通设备放射的噪声，故其具有很好的抗干扰性和安全性。超宽带技术最初主要作为军事技术在雷达探测和定位等应用领域中使用，美国FCC（联邦通信委员会）于2002年2月准许该技术进入民用领域。除了低功耗外，超宽带技术的传输速率轻易可达100Mbps以上，其第二代产品可望达到500Mbps以上，仅这一项指标就让其他众多技术望尘莫及。围绕UWB的标准之争从一开始就非常激烈，Freescale的DS－UWB和由TI倡导的MBOA逐步脱颖而出，近几年国内在这方面的研究也非常热门。

由于其功耗低、带宽高、抗干扰能力强，超宽带技术无疑具有梦幻般的发展前景，但超宽带芯片产品却迟迟未曾面市，这无疑留给我们一个大大的遗憾。近年来开始出现相关产品的报道，不过这项底蕴极深的技术还需要整个产业界的共同推动。目前超宽带技术可谓初露锋芒，相信它属于大器晚成、老而弥坚的类型，在无线传感器网络应用中必会大有作为。

（2） 红外（IrDA）技术

红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是由成立于1993 年的非营利性组织红外线数据标准协会IrDA（Infrared Data Association）负责推进的，该协会致力于建立无线传播连接的世界标准，目前拥有130个以上的正式企业会员。红外技术的传输速率已经从最初FIR的4Mbps上升为现在VFIR的16Mbps，接收角度也由最初的30°扩展到120°。由于它仅用于点对点通信，且具有一定方向性，故数据传输所受的干扰较少。由于产品体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势，红外技术从诞生到现在一直被广泛应用，可谓无线个域网领域的一棵常青树。经过多年的发展，其硬件与配套的软件技术都已相当成熟，目前全世界有至少5000万台设备采用IrDA技术，并且仍然以年递增50％的速度在增长。当今有95％的手提电脑都安装了IrDA 接口，而遥控设备（电视机、空调、数字产品等）更是普遍采用红外技术。

但是IrDA是一种视距传输技术，核心部件红外线LED也不是十分耐用，更无法构建长时间运行的稳定网络，造成红外技术终究没能成为无线个域网的物理层标准技术，仅在极少数无线传感器网络应用中进行过尝试（如定位跟踪），并且是与其他无线技术配合使用的。

（3）家用射频（HomeRF）技术

家用射频工作组（Home Radio Frequency Working Group，HomeRF WG）成立于1998年3月，是由美国家用射频委员会领导的，首批成员包括：英特尔、IBM、康柏、3Com、飞利浦（Philips）、微软、摩托罗拉等公司，其主旨是在消费者能够承受的前提下，建设家庭中的互操作性语音和数据网络。家用射频工作组于1998 年即制定了共享无线访问协议（Shared Wireless Access Protocol SWAP），该协议主要针对家庭无线局域网。该协议的数据通信采用简化的IEEE 802．11协议标准，沿用了以太网载波侦听多路访问／冲突检测（CSMA／CD）技术；其语音通信采用DECT（Digital Enhanced Cordless Telephony）标准，使用时分多址（TDMA）技术。家用射频工作频段是2．4GHz，最初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WBFH（Wide Band Frequency Hopping 宽带跳频）技术，增加跳频调制功能，数据带宽峰值可达10Mbps，已经能够满足大部分应用。

2000年左右家用射频技术的普及率一度达到45％，但由于技术标准被控制在数十家公司手中，并没有像红外技术一样开放，特别是802．11b标准的出现，从2001年开始，家用射频的普及率骤然降至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终于退出无线个域网的历史舞台，尤如昙花一现。

3． 路由及高层标准

在前面讨论的底层标准的基础之上，已经出现了一些包括了路由及应用层的高层协议标准，主要包括zigbee／IEEE 802．15．4、6LowPAN、IEEE1451．5（无线传感通信接口标准）等，另外，Z－Wave联盟、Cypress （Wireless USB传感器网络）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出来以前，zigbee无疑是最受宠爱的，也受到了较多的应用厂商的推崇，这里简单介绍一下。

（1） zigbee协议规范

zigbee联盟成立于2001年8月，最初成员包括：霍尼韦尔（Honeywell）、Invensys、三菱（MITSUBISHI）、摩托罗拉和飞利浦等，目前拥有超过200多个会员。zigbee 1．0（Revision 7）规格正式于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技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等诸多优点，目前是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事实标准。

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协议栈架构基于开放系统互连模型七层模型，包含IEEE 802．15．4标准以及由该联盟独立定义的网络层和应用层协议。zigbee所制定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范畴，应用层包括应用支持子层（Aplication Support Sub－layer，APS）、zigbee设备对象（zigbee Device Object，ZDO）以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。

另外，zigbee联盟也负责zigbee产品的互通性测试与认证规格的制定。zigbee联盟定期举办ZigFest活动，让发展zigbee产品的厂商有一个公开交流的机会，完成设备的互通性测试；而在认证部分，zigbee联盟共定义了3种层级的认证：第一级（Level 1）是认证物理层与介质访问控制层，与芯片厂有最直接的关系；第二级（Level 2）是认证zigbee 协议栈（Stack），又称为zigbee兼容平台认证（Compliant Platform Certification）；第三级（Level 3）是认证zigbee产品，通过第三级认证的产品才允许贴上zigbee的标志，所以也称为zigbee标志认证（Logo Certification）。

协议芯片是协议标准的载体，也是最容易体现知识产权的一种形式。目前市场上出现了较多的zigbee芯片产品及解决方案，有代表性的包括：Jennic的JN5121／JN5139，Chipcon的CC2430／CC2431（被TI收购）及Freescale MC13192，Ember的EM250 zigbee等系列的开发工具及芯片，表 1对这些芯片指标进行了比较。

（2） IEEE 1451．5标准

除了以上两种通用规范以外，在无线传感器网络的不同应用领域，也正在酝酿着特定行业的专用标准，如电力水力、工业控制、消费电子、智能家居等。这里以工控领域为例简单讨论一下IEEE1451．X，当然工业标准纷繁复杂，最近正在制定专门面向工业自动化应用的无线技术标准ISA SP100，有很多中国工业及学术界同仁努力参与了该标准的制定工作。

IEEE1451标准族是通过定义一套通用的通信接口，以使工业变送器（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、仪表仪器和现场总线网络相连，解决不同网络之间的兼容性问题，并最终能够实现变送器到网络的互换性与互操作性。IEEE1451标准族定义了变送器的软硬件接口，将传感器分成两层模块结构。第一层用来运行网络协议和应用硬件，称为网络适配器（Network Capable Application Processor， NCAP）；第二层为智能变送器接口模块（Smart Transducer Interface Module， STIM），其中包括变送器和电子数据表格TEDS。IEEE1451工作组先后提出了五项标准提案（IEEE1451．1—IEEE1451．5），分别针对了不同的工业应用现场需求，其中IEEE1451．5为无线传感通信接口标准。

IEEE1451．5标准提案于2001年6月最新推出，在已有的IEEE1451柜架下提出了一个开放的标准无线传感器接口，以满足工业自动化等不同应用领域的需求。IEEE1451．5尽量使用无线的传输介质，描述了智能传感器与网络适配器模块之间的无线连接规范，而不是网络适配器模块与网络之间的无线连接，实现了网络适配器模块与智能传感器的IEEE 802．11、Bluetooth、zigbee无线接口之间的互操作性。IEEE1451．5提案的工作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。IEEE1451．5建议标准必须对数据模型进行具有一般性的扩展以允许多种无线通信技术可以使用，主要包括两方面：一是为变送器通信定义一个通用的服务质量（QOS）机制，能够对任何无线电技术进行映射服务，另外对每一种无线射频技术都有一个映射层用来把无线发送具体配置参数映射到服务质量机制中。关于该标准具体内容，这里就不再详细讨论了。

（3）．6LowPan草案

无线传感器网络从诞生开始就与下一代互联网相关联，6LowPan（IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network）就是结合这两个领域的标准草案。该草案的目标是制定如何在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指前面提到的IEEE802．15．4 介质访问控制层标准，在上层并没有一个真正开放的标准支持路由等功能。由于IPv6是下一代互联网标准，在技术上趋于成熟，并且在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（IETF， Internet Engineering Task Force，）成立了专门的工作组制定如何在802．15．4协议上发送和接收IPv6报文等相关技术标准。

在802．15．4上选择传输IPv6报文主要是因为现有成熟的IPv6技术可以很好地满足LowPan互联层的一些要求。首先在LowPan网络里面很多设备需要无状态自动配置技术，在IPv6邻居发现（Neighbor Discovery）协议里基于主机的多样性已经提供了两种自动配置技术：有状态自动配置与无状态自动配置。另外在LowPan网络中可能存在大量的设备，需要很大的IP地址空间，这个问题对于有着128位IP地址的IPv6协议不是问题；其次在包长受限的情况下，可以选择IPv6的地址包含802．15．4介质访问控制层地址。

IPv6与802．15．4协议的设计初衷是应用于两个完全不同的网络，这导致了直接在802．15．4上传输IPv6报文会有很多的问题。首先两个协议的报文长度不兼容，IPv6报文允许的最大报文长度是1280字节，而在802．15．4的介质访问控制层最大报文长度是127字节。由于本身的地址域信息（甚至还需要留一些字节给安全设置）占用了25个字节，留给上层的负载域最多102个字节，显然无法直接承载来自IPv6网络的数据包；其次两者采用的地址机制不相同，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；而在802．15．4中直接采用64位或16位的扁平地址；另外，两者设备的协议设计要求不同，在IPv6的协议设计时没有考虑节省能耗问题。而在802．15．4很多设备都是电池供电，能量有限，需要尽量减少数据通信量和通信距离，以延长网络寿命；最后，两个网络协议的优化目标不同，在IPv6中一般关心如何快速地实现报文转发问题，而在802．15．4中，如何在节省设备能量的情况下实现可靠的通信是其核心目标。

总之，由于两个协议的设计出发点不同，要IEEE802．15．4支持IPv6数据包的传输还存在很多技术问题需要解决，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、邻居发现等，在这里就不再一一讨论了。

4． 国内标准化及国际化

近几年来，国内无线传感器网络领域的标准化工作在全国信息技术标准化技术委员会（简称信标委）推动下，取得了较大进展。信标委经过一年多的酝酿，于2005年11月29日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，会议建议将无线传感器网络纳入无线个域网范畴，并成立了专门的兴趣小组（另外还有低速无线个域网、超宽带等兴趣小组），自此中国无线传感器网络标准化工作迈出了第一步。

工作组经过国内三十多个科研及产业实体近两年的共同努力，先后组织了八次全国范围的技术研讨会，提出了低速无线个域网使用的780MHz（779－787 MHz） 专用频段及相关技术标准，获得国家无管委的正式批准（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3日到4日，工作组对《信息技术 系统间远程通信和信息交换 局域网和城域网特定要求第15．4部分：低速率无线个域网（WPAN）物理层和媒体访问控制层规范》意见函进行了投票，并通过了780MHZ工作频段采用MPSK和O－QPSK 调制编码技术提案作为低速率无线个域网共同可选（Co－alternative）的物理层技术规范（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），即LR－WPAN可以采用MPSK和OQPSK其中之一，或共同使用，并最终将形成IEEE 802．15．4c标准。另外，由中国及华人专家主要负责起草的包括了MAC／PHY两层协议的IEEE 802．15．4e也在顺利推进中（在IEEE 802．15．4—2006 介质访问控制中加入工业无线标准支持ISA SP－100．11a，并兼容IEEE 802．15．4c）。这是国内标准化工作的一个重要进展，也是我国参与国际标准制定的重要一步。计算所是这个工作组的正式会员单位之一，参与了其中的一些工作。

最近，国内及国际无线传感器网络的标准化工作又取得了新的发展。首先，国标委已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管理委员会的无线传感器网络标准工作组（秘书处现挂靠微系统所，计算所作为其成员单位之一，将致力于该标准的制定工作）。工作组预计于2008年4月10日左右完成筹备工作，这标志着传感器网络的标准化工作向前迈进了一大步；其次，国际标准化组织也成立了ISO／IEC JTC1／SGSN研究小组，开始了传感器网络相关国际标准的制定。中国和美国、韩国、日本等国家一起作为重要成员单位参与其中。其第一次会议也将于2008年6月底在中国上海隆重召开。会议不但有国内外相关领域专家对其中若干关键问题展开技术讨论，也会有众多从事传感器网络应用的企业携最新产品参加展览。与此同时，各会员国将对传感器网络标准框架开展深入探讨，为标准草案的详细设计奠定基础。

标准是连接科研和产业的纽带，而芯片正是标准的最直接的实现形式。参与标准化工作，特别是参与国际标准的制定，对提升我国产品的竞争力和技术水平，占领行业制高点，有着举足轻重的作用。制定标准的最终目的还是为提升产业水平、满足产品国际化、保护自主知识产权、兼容同类或配套产品等方面提供便利。如果我们能参与无线传感器网络相关的国内和国际标准的制定，就会在本领域的芯片设计、方案提供及产品制造等方面获得有力保障。系统芯片作为标准最直接的体现形式，将是无线传感器网络应用系统的关键。