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无线传感器网络标准化进展与协议全面分析

导读: 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

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。

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