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802.15标准简介---无线技术
在介绍８０２．１５．４之前，先简要介绍一下ＩＥＥＥ ８０２．１５工作组正在定义的几种不同的短距离无线技术。短距离无线技术原本是为支持个人域网（ＰＡＮ）而开发的，但是它们的潜力远远不止于此。
８０２．１５．１本质上只是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本，大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组（ＳＩＧ）在做，其成果将由ＩＥＥＥ批准。原始的８０２．１５．１标准基于蓝牙１．１，在目前大多数蓝牙器件中采用的都是这一版本。新的版本８０２．１５．１ａ将对应于蓝牙１．２，它包括某些ＱｏＳ增强功能，完全后向兼容。蓝牙是第一个面向低速率应用的标准，但是它的市场情况不太理想，其原因之一是受ＷｉＦｉ（８０２．１１ｂ） 的冲击，ＷｉＦｉ产品的价格大幅度下降在某些应用方面抑制了蓝牙的优势。另一个原因是蓝牙为了覆盖更多的应用和提供ＱｏＳ使其偏离了原来设计简单的目标，复杂使蓝牙变得昂贵，不再适合那些要求低功率、低成本的简单应用。另外它还存在可扩展性方面的问题。
８０２．１５．２是对蓝牙和８０２．１５．１的一些改变，其目的是减轻与８０２．１１ｂ和８０２．１１ｇ网络的干扰。这些网络都使用２．４ ＧＨｚ频段，如果想同时使用蓝牙和ＷｉＦｉ的话，就需要使用８０２．１５．２或其他专有方案。
８０２．１５．３也称ＷｉＭｅｄｉａ，旨在实现高速率。最初它瞄准的是消费类器件，如电视机和数码照相机等。其原始版本规定的速率高达５５ Ｍｂｉｔ／ｓ，使用基于８０２．１１但不兼容的物理层。后来多数厂商倾向于使用８０２．１５．３ａ（见图１），它使用超宽带（ＵＷＢ）的多频段ＯＦＤＭ联盟（ＭＢＯＡ）的物理层，速率高达
４８０ Ｍｂｉｔ／ｓ。打算生产８０２．１５．３ａ产品的厂商成立了ＷｉＭｅｄｉａ联盟，其任务是对设备进行测试和贴牌，以保证标准的一致性。
８０２．１５．４也称ＺｉｇＢｅｅ，属于低速率短距离的无线个人域网。它的设计目标是低功耗（长电池寿命）、低成本和低速率。速率可以低至９．６ ｋｂｉｔ／ｓ，不支持话音。
８０２．１５．５还在制订之中。其最终目标是使网状网能够在媒体接入控制层形成，不再需要ＺｉｇＢｅｅ或ＩＰ选路。
第６种现在尚未正式列入８０２．１５标准，它将包括基于太赫兹辐射（即Ｔ射线）的无线网。Ｔ射线结合光和无线电的特性，理论上可达到几个Ｇｂｉｔ／ｓ的速率。
三、802.15.4
８０２．１５．４包括用于低速无线个人域网（ＬＲ－ＷＰＡＮ）的物理层和媒体接入控制层两个规范。它能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间（１０ ｍ直径或更小）工作的简单器件。８０２．１５．４支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过１０ ｍ时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。ＬＲ－ＷＰＡＮ中的器件既可以使用６４位ＩＥＥＥ地址，也可以使用在关联过程中指配的１６位短地址。一个８０２．１５．４网可以容纳最多２１６个器件。下面分别介绍８０２．１５．４的主要特点。
１．工作频段和数据速率
８０２．１５．４工作在工业科学医疗（ＩＳＭ）频段，它定义了两个物理层，即２．４ ＧＨｚ频段和８６８／９１５ ＭＨｚ频段物理层。免许可证的２．４ ＧＨｚ ＩＳＭ频段全世界都有，而８６８ ＭＨｚ和９１５ ＭＨｚ的ＩＳＭ频段分别只在欧洲和北美有。在８０２．１５．４中，总共分配了２７个具有三种速率的信道：在２．４ ＧＨｚ 频段有１６个速率为２５０ ｋｂｉｔ／ｓ（或６２．５ ｋｓｙｍｂｏｌ／ｓ）的信道，在９１５ ＭＨｚ频段有１０个４０ ｋｂｉｔ／ｓ（或４０ ｋｓｙｍｂｏｌ／ｓ）的信道，在８６８ ＭＨｚ频段有１个２０ ｋｂｉｔ／ｓ（或２０ ｋｓｙｍｂｏｌ／ｓ）的信道。ＩＳＭ频段全球都有的特点不仅免除了８０２．１５．４器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。在保持简单性的同时，８０２．１５．４还试图提供设计上的灵活性。一个８０２．１５．４网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在２７个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要２５０ ｋｂｉｔ／ｓ，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，２０ ｋｂｉｔ／ｓ这样的低速率就能满足要求。
２．支持简单器件
８０２．１５．４低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在８０２．１５．４中定义了１４个物理层基本参数和３５个媒体接入控制层基本参数，总共为４９个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在８０２．１５．４中定义了两种器件：全功能器件（ＦＦＤ）和简化功能器件（ＲＦＤ）。对全功能器件，要求它支持所有的４９个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持３８个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按三种方式工作，即用作个人域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。
３．信标方式和超帧结构
８０２．１５．４网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使能方式中，协调器定期广播信标，以达到相关器件同步及其他目的。在非信标使能方式中，协调器不定期地广播信标，而是在器件请求信标时向它单播信标。在信标使能方式中使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义，一般包括工作部分和任选的不工作部分。
４．数据传输和低功耗
在８０２．１５．４中，有三种不同的数据转移：从器件到协调器；从协调器到器件；在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点，把数据传输分为以下三种方式：
·直接数据传输：这适用于以上所有三种数据转移。采用无槽载波检测多址与碰撞避免（ＣＳＭＡ－ＣＡ）或开槽ＣＳＭＡ－ＣＡ的数据传输方法，视使用非信标使能方式还是信标使能方式而定。
·间接数据传输：这仅适用于从协调器到器件的数据转移。在这种方式中，数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的器件来提取。通过检查来自协调器的信标帧，器件就能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分组。有时，在非信标使能方式中也可能发生间接数据传输。在数据提取过程中也使用无槽ＣＳＭＡ－ＣＡ或开槽ＣＳＭＡ－ＣＡ。
·有保证时隙（ＧＴＳ）数据传输：这仅适用于器件与其协调器之间的数据转移，既可以从器件到协调器，也可以从协调器到器件。在ＧＴＳ数据传输中不需要ＣＳＭＡ－ＣＡ。
低功耗是８０２．１５．４最重要的特点。因为对电池供电的简单器件而言，更换电池的花费往往比器件本身的成本还要高。在有些应用中，更换电池不仅麻烦，而且实际上是不可行的，例如嵌在汽车轮胎中的气压传感器或高密度布设的大规模传感器网。所以在８０２．１５．４的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制。多数机制是基于信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间，或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。
５．安全性
安全性是８０２．１５．４的另一个重要问题。为了提供灵活性和支持简单器件，８０２．１５．４在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全性方式，对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全性，器件可以使用接入控制清单（ＡＣＬ）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准（ＡＥＳ）的对称密码。
ＡＥＳ可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，但它不能防止攻击者在通信双方交换密钥时通过窃听来截取对称密钥。为了防止这种攻击，可以采用公钥加密。
６．自配置
８０２．１５．４在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持自配置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星状网，而且还允许创建自配置的对等网。在关联过程中可以实现各种配置，例如为个人域网选择信道和识别符（ＩＤ），为器件指配１６位短地址，设定电池寿命延长选项等。
８０２．１５．１本质上只是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本，大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组（ＳＩＧ）在做，其成果将由ＩＥＥＥ批准。原始的８０２．１５．１标准基于蓝牙１．１，在目前大多数蓝牙器件中采用的都是这一版本。新的版本８０２．１５．１ａ将对应于蓝牙１．２，它包括某些ＱｏＳ增强功能，完全后向兼容。蓝牙是第一个面向低速率应用的标准，但是它的市场情况不太理想，其原因之一是受ＷｉＦｉ（８０２．１１ｂ） 的冲击，ＷｉＦｉ产品的价格大幅度下降在某些应用方面抑制了蓝牙的优势。另一个原因是蓝牙为了覆盖更多的应用和提供ＱｏＳ使其偏离了原来设计简单的目标，复杂使蓝牙变得昂贵，不再适合那些要求低功率、低成本的简单应用。另外它还存在可扩展性方面的问题。
８０２．１５．２是对蓝牙和８０２．１５．１的一些改变，其目的是减轻与８０２．１１ｂ和８０２．１１ｇ网络的干扰。这些网络都使用２．４ ＧＨｚ频段，如果想同时使用蓝牙和ＷｉＦｉ的话，就需要使用８０２．１５．２或其他专有方案。
８０２．１５．３也称ＷｉＭｅｄｉａ，旨在实现高速率。最初它瞄准的是消费类器件，如电视机和数码照相机等。其原始版本规定的速率高达５５ Ｍｂｉｔ／ｓ，使用基于８０２．１１但不兼容的物理层。后来多数厂商倾向于使用８０２．１５．３ａ（见图１），它使用超宽带（ＵＷＢ）的多频段ＯＦＤＭ联盟（ＭＢＯＡ）的物理层，速率高达
４８０ Ｍｂｉｔ／ｓ。打算生产８０２．１５．３ａ产品的厂商成立了ＷｉＭｅｄｉａ联盟，其任务是对设备进行测试和贴牌，以保证标准的一致性。
８０２．１５．４也称ＺｉｇＢｅｅ，属于低速率短距离的无线个人域网。它的设计目标是低功耗（长电池寿命）、低成本和低速率。速率可以低至９．６ ｋｂｉｔ／ｓ，不支持话音。
８０２．１５．５还在制订之中。其最终目标是使网状网能够在媒体接入控制层形成，不再需要ＺｉｇＢｅｅ或ＩＰ选路。
第６种现在尚未正式列入８０２．１５标准，它将包括基于太赫兹辐射（即Ｔ射线）的无线网。Ｔ射线结合光和无线电的特性，理论上可达到几个Ｇｂｉｔ／ｓ的速率。
三、802.15.4
８０２．１５．４包括用于低速无线个人域网（ＬＲ－ＷＰＡＮ）的物理层和媒体接入控制层两个规范。它能支持消耗功率最少，一般在个人活动空间（１０ ｍ直径或更小）工作的简单器件。８０２．１５．４支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过１０ ｍ时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。ＬＲ－ＷＰＡＮ中的器件既可以使用６４位ＩＥＥＥ地址，也可以使用在关联过程中指配的１６位短地址。一个８０２．１５．４网可以容纳最多２１６个器件。下面分别介绍８０２．１５．４的主要特点。
１．工作频段和数据速率
８０２．１５．４工作在工业科学医疗（ＩＳＭ）频段，它定义了两个物理层，即２．４ ＧＨｚ频段和８６８／９１５ ＭＨｚ频段物理层。免许可证的２．４ ＧＨｚ ＩＳＭ频段全世界都有，而８６８ ＭＨｚ和９１５ ＭＨｚ的ＩＳＭ频段分别只在欧洲和北美有。在８０２．１５．４中，总共分配了２７个具有三种速率的信道：在２．４ ＧＨｚ 频段有１６个速率为２５０ ｋｂｉｔ／ｓ（或６２．５ ｋｓｙｍｂｏｌ／ｓ）的信道，在９１５ ＭＨｚ频段有１０个４０ ｋｂｉｔ／ｓ（或４０ ｋｓｙｍｂｏｌ／ｓ）的信道，在８６８ ＭＨｚ频段有１个２０ ｋｂｉｔ／ｓ（或２０ ｋｓｙｍｂｏｌ／ｓ）的信道。ＩＳＭ频段全球都有的特点不仅免除了８０２．１５．４器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。在保持简单性的同时，８０２．１５．４还试图提供设计上的灵活性。一个８０２．１５．４网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在２７个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要２５０ ｋｂｉｔ／ｓ，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，２０ ｋｂｉｔ／ｓ这样的低速率就能满足要求。
２．支持简单器件
８０２．１５．４低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。在８０２．１５．４中定义了１４个物理层基本参数和３５个媒体接入控制层基本参数，总共为４９个，仅为蓝牙的三分之一。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在８０２．１５．４中定义了两种器件：全功能器件（ＦＦＤ）和简化功能器件（ＲＦＤ）。对全功能器件，要求它支持所有的４９个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持３８个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按三种方式工作，即用作个人域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。
３．信标方式和超帧结构
８０２．１５．４网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。在信标使能方式中，协调器定期广播信标，以达到相关器件同步及其他目的。在非信标使能方式中，协调器不定期地广播信标，而是在器件请求信标时向它单播信标。在信标使能方式中使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义，一般包括工作部分和任选的不工作部分。
４．数据传输和低功耗
在８０２．１５．４中，有三种不同的数据转移：从器件到协调器；从协调器到器件；在对等网络中从一方到另一方。为了突出低功耗的特点，把数据传输分为以下三种方式：
·直接数据传输：这适用于以上所有三种数据转移。采用无槽载波检测多址与碰撞避免（ＣＳＭＡ－ＣＡ）或开槽ＣＳＭＡ－ＣＡ的数据传输方法，视使用非信标使能方式还是信标使能方式而定。
·间接数据传输：这仅适用于从协调器到器件的数据转移。在这种方式中，数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的器件来提取。通过检查来自协调器的信标帧，器件就能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分组。有时，在非信标使能方式中也可能发生间接数据传输。在数据提取过程中也使用无槽ＣＳＭＡ－ＣＡ或开槽ＣＳＭＡ－ＣＡ。
·有保证时隙（ＧＴＳ）数据传输：这仅适用于器件与其协调器之间的数据转移，既可以从器件到协调器，也可以从协调器到器件。在ＧＴＳ数据传输中不需要ＣＳＭＡ－ＣＡ。
低功耗是８０２．１５．４最重要的特点。因为对电池供电的简单器件而言，更换电池的花费往往比器件本身的成本还要高。在有些应用中，更换电池不仅麻烦，而且实际上是不可行的，例如嵌在汽车轮胎中的气压传感器或高密度布设的大规模传感器网。所以在８０２．１５．４的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制。多数机制是基于信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间，或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。
５．安全性
安全性是８０２．１５．４的另一个重要问题。为了提供灵活性和支持简单器件，８０２．１５．４在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全性方式，对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全性，器件可以使用接入控制清单（ＡＣＬ）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准（ＡＥＳ）的对称密码。
ＡＥＳ可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，但它不能防止攻击者在通信双方交换密钥时通过窃听来截取对称密钥。为了防止这种攻击，可以采用公钥加密。
６．自配置
８０２．１５．４在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持自配置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星状网，而且还允许创建自配置的对等网。在关联过程中可以实现各种配置，例如为个人域网选择信道和识别符（ＩＤ），为器件指配１６位短地址，设定电池寿命延长选项等。