IEEE802.15.4

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IEEE802.15.4标准针对低速无线个人区域网络（Low-rate wireless personal area network）制定标准。该标准把低能量消耗，低速率传输，低成本作为重点目标，为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。 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中的设备既可以使用

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个设备。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设备的频率许可要求，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．支持简单设备
　　
　 　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设备。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设备。在802.15.4中定义了两种设备：全功能设备 （ＦＦＤ）和简化功能设备（ＲＦＤ）。对全功能设备，要求它支持所有的４９个基本参数。而对简化功能设备，在最小配置时只要求它支持３８个基本参数。一个 全功能设备可以与简化功能设备和其他全功能设备通话，可以按三种方式工作，即用作个人域网协调器、协调器或设备。而简化功能设备只能与全功能设备通话，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。在信标方式中，协调器定期广播信标，以达到相关设备同步及其他目的。在非信标使能方式中，协调器不定期地广播信标，而是在设备请求信标时向它单播信 标。在信标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：从设备到协调器；从协调器到设备；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。采用载波多路监听技术

（ＣＳＭＡ－ＣＡ），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设备的数据转移。在这种方式中，数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的设备来提取。通过检查来自协调器的 信标帧，设备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：这仅适用于设备与其协调器之间的数据转移，既可以从设备到协调器，也可以从协调器到设备。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设备而言，更换电池的花费往往比设备本身的成本还要高。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设备电池寿 命或节省功率的机制。多数机制是基于信标使能的方式，主要是限制设备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设备，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，设备就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全性，设备可以使用接入控制清单 （ＡＣＬ）来防止非法设备获取数据，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可以用来保护数据载荷和防止攻击者冒充合法设备，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），为设备指配１６位短地址，设定电池寿命延长选项等。