无线传感器网络标准化进展与协议分析

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