無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標準化進展與協(xié)議分析

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門面向應(yīng)用的研究領(lǐng)域，在近幾年獲得了飛速發(fā)展。在關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)方面，學術(shù)界從網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、數(shù)據(jù)融合、測試測量、操作系統(tǒng)、服務(wù)質(zhì)量、節(jié)點定位、時間同步等方面開展了大量研究，取得豐碩的成果;工業(yè)界也在環(huán)境監(jiān)測、軍事目標跟蹤、智能家居、自動抄表、燈光控制、建筑物健康監(jiān)測、電力線監(jiān)控等領(lǐng)域進行應(yīng)用探索。隨著應(yīng)用的推廣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開始暴露出越來越多的問題。不同廠商的設(shè)備需要實現(xiàn)互聯(lián)互通，且要避免與現(xiàn)行系統(tǒng)的相互干擾，因此要求不同的芯片廠商、方案提供商、產(chǎn)品提供商及關(guān)聯(lián)設(shè)備提供商達成一定的默契，齊心協(xié)力實現(xiàn)目標。這就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標準化工作的背景。實際上，由于標準化工作關(guān)系到多方的經(jīng)濟利益甚至社會利益，往往受到相關(guān)行業(yè)的普遍重視，如何協(xié)調(diào)好各方利益，達成共識，需要參與各方擁有足夠的理解和耐心。

　　到目前為止，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作受到了許多國家及國際標準組織的普遍關(guān)注，已經(jīng)完成了一系列草案甚至標準規(guī)范的制定。其中最出名的就是IEEE 802.15.4/zigbee規(guī)范，它甚至已經(jīng)被一部分研究及產(chǎn)業(yè)界人士視為標準。IEEE 802.15.4定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規(guī)范，zigbee則定義了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、傳輸和應(yīng)用規(guī)范。盡管IEEE802.15.4和zigbee協(xié)議已經(jīng)推出多年，但隨著應(yīng)用的推廣和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其基本協(xié)議內(nèi)容已經(jīng)不能完全適應(yīng)需求，加上該協(xié)議僅定義了聯(lián)網(wǎng)通信的內(nèi)容，沒有對傳感器部件提出標準的協(xié)議接口，所以難以承載無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的夢想與使命;另外，該標準在落地不同國家時，也必然要受到該國家地區(qū)現(xiàn)行標準的約束。為此，人們開始以IEEE 802.15.4/zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)，推出更多版本以適應(yīng)不同應(yīng)用、不同國家和地區(qū)。

　　盡管存在不完善之處，IEEE 802.15.4/zigbee仍然是目前產(chǎn)業(yè)界發(fā)展無線傳感網(wǎng)技術(shù)當仁不讓的最佳組合。本文將重點介紹IEEE 802.15.4/zigbee協(xié)議規(guī)范，并適當顧及傳感網(wǎng)技術(shù)關(guān)注的其他相關(guān)標準。當然，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作任重道遠：首先，無線傳感網(wǎng)絡(luò)畢竟還是一個新興領(lǐng)域，其研究及應(yīng)用都還顯得相當年輕，產(chǎn)業(yè)的需求還不明朗;其次，IEEE 802.15/zigbee并非針對無線傳感網(wǎng)量身定制，在無線傳感網(wǎng)環(huán)境下使用有些問題需要進一步解決;另外，專門針對無線傳感網(wǎng)技術(shù)的國際標準化工作還剛剛開始，國內(nèi)的標準化工作組也還剛剛成立。為此，我們要為標準化工作的順利完成做好充分的準備。

　　1. PHY/MAC 層標準

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標準一般沿用了無線個域網(wǎng)(IEEE 802.15)的相關(guān)標準部分。無線個域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network，WPAN)的出現(xiàn)比傳感器網(wǎng)絡(luò)要早，通常定義為提供個人及消費類電子設(shè)備之間進行互聯(lián)的無線短距離專用網(wǎng)絡(luò)。無線個域網(wǎng)專注于便攜式移動設(shè)備(如：個人電腦、外圍設(shè)備、PDA、手機、數(shù)碼產(chǎn)品等消費類電子設(shè)備)之間的雙向通信技術(shù)問題，其典型覆蓋范圍一般在10米以內(nèi)。IEEE 802.15工作組就是為完成這一使命而專門設(shè)置的，且已經(jīng)完成一系列相關(guān)標準的制定工作，其中就包括了被廣泛用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層標準IEEE 802.15.4。

　　(1) IEEE 802.15.4b規(guī)范

　　IEEE 802.15.4標準主要針對低速無線個域網(wǎng)(Low-Rate Wireless Personal Area Network，LR-WPAN)制定。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標(這和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一致)，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互聯(lián)提供統(tǒng)一接口。由于IEEE 802.15.4定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)的特性和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)通信有眾多相似之處，很多研究機構(gòu)把它作為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的物理及鏈路層通信標準。

　　IEEE 802.15.4標準定義了物理層和介質(zhì)訪問控制子層，符合開放系統(tǒng)互連模型(OSI)。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊，介質(zhì)訪問控制子層為高層提供了訪問物理信道的服務(wù)接口。圖1給出了IEEE 802.15.4層與層之間的關(guān)系以及IEEE 802.15.4/zigbee的協(xié)議架構(gòu)，具體參考[1]

　　IEEE 802.15.4在物理(PHY)層設(shè)計中面向低成本和更高層次的集成需求，采用的工作頻率分為868MHz、915MHz和2.4GHz三種，各頻段可使用的信道分別有1個、10個、16個，各自提供20kb/s、40kb/s和250kb/s的傳輸速率，其傳輸范圍介于10米～100米之間。由于規(guī)范使用的三個頻段是國際電信聯(lián)盟電信標準化組 (ITUT， ITU Telecommunication Standardization Sector)定義的用于科研和醫(yī)療的ISM(Industrial Scientific and Medical)開放頻段，被各種無線通信系統(tǒng)廣泛使用。為減少系統(tǒng)間干擾，協(xié)議規(guī)定在各個頻段采用直接序列擴頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)編碼技術(shù)。與其他數(shù)字編碼方式相較，直接序列擴頻技術(shù)可使物理層的模擬電路設(shè)計變得簡單，且具有更高的容錯性能，適合低端系統(tǒng)的實現(xiàn)。

　　IEEE 802.15.4在介質(zhì)訪問控制層方面，定義了兩種訪問模式。其一為帶沖突避免的載波偵聽多路訪問方式(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)。這種方式參考無線局域網(wǎng)(WLAN)中IEEE802.11標準定義的DCF 模式，易于實現(xiàn)與無線局域網(wǎng)(WLAN， Wireless LAN)的信道級共存。所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是否有同信道(co-channel)載波，若不存在，意味著信道空閑，將直接進入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài);若存在載波，則在隨機退避一段時間后重新檢測信道。這種介質(zhì)訪問控制層方案簡化了實現(xiàn)自組織(Ad Hoc)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程，但在大流量傳輸應(yīng)用時給提高帶寬利用率帶來了麻煩;同時，因為沒有功耗管理設(shè)計，所以要實現(xiàn)基于睡眠機制的低功耗網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，需要做更多的工作。

　　IEEE 802.15.4定義的另外一種通信模式類似于802.11標準定義的PCF 模式，通過使用同步的超幀機制提高信道利用率，并通過在超幀內(nèi)定義休眠時段，很容易實現(xiàn)低功耗控制。PCF模式定義了兩種器件：全功能器件(Full-Function Device，F(xiàn)FD)和簡化功能器件(Reduced-function Device，RFD)。FFD設(shè)備支持所有的49個基本參數(shù)，而RFD設(shè)備在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。在PCF模式下，F(xiàn)FD設(shè)備作為協(xié)調(diào)器控制所有關(guān)聯(lián)的RFD設(shè)備的同步、數(shù)據(jù)收發(fā)過程，可以與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何一種設(shè)備進行通信。而RFD設(shè)備只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備互通。在PCF模式下，一個IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中至少存在一個FFD設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PAN Coordinator)，起著網(wǎng)絡(luò)主控制器的作用，擔負簇間和簇內(nèi)同步、分組轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建立、成員管理等任務(wù)。

　　IEEE 802.15.4標準支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，有16位和64位兩種地址格式。其中64位地址是全球唯一的擴展地址，16位段地址用于小型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，或者作為簇內(nèi)設(shè)備的識別地址。IEEE 802.15.4b標準擁有多個變種，包括了低速超寬帶的IEEE 802.15.4a，及最近中國正在著力推進的IEEE 802.15.4c和IEEE 802.15.4e，以及日本主要推動的IEEE 802.15.4d，在這里就不深入討論了。

　　(2)藍牙(Bluetooth)技術(shù)

　　1998年5月，就在IEEE 802.15無線個域網(wǎng)工作組成立不久，五家世界著名的IT公司：愛立信(Ericsson)、IBM、英特爾(Intel)、諾基亞(Nokia)和東芝(Toshiba)聯(lián)合宣布了一項叫做“藍牙(Bluetooth)”的研發(fā)計劃。1999年7月藍牙工作組推出了藍牙協(xié)議1.0版，2001年更新為版本1.1，即我們熟知的IEEE 802.15.1協(xié)議。該協(xié)議旨在設(shè)計通用的無線空中接口(Radio Air Interface)及其軟件的國際標準，使通信和計算機進一步結(jié)合，讓不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備具有在沒有電纜的情況下實現(xiàn)近距離范圍內(nèi)互通的能力。計劃一經(jīng)公布，就得到了包括摩托羅拉(Motorola)、朗訊(Lucent)、康柏(Compaq)、西門子(Simens)、3Com、TDK以及微軟(Microsoft)等大公司在內(nèi)的近2000家廠商的廣泛支持和采納。

　　藍牙技術(shù)也是工作在2.4GHz的ISM頻段，采用快速跳頻和短包技術(shù)減少同頻干擾，保證物理層傳輸?shù)目煽啃院桶踩?，具有一定的組網(wǎng)能力，支持64Kbps的實時語音。藍牙技術(shù)日益普及，市場上的相關(guān)產(chǎn)品也在不斷增多，但隨著超寬帶技術(shù)、無線局域網(wǎng)及zigbee技術(shù)的出現(xiàn)，特別是其安全性、價格、功耗等方面的問題日益顯現(xiàn)，其競爭優(yōu)勢開始下降。2004年藍牙工作組推出2.0版本，帶寬提高三倍，且功耗降低一半，在一定程度上重建了產(chǎn)業(yè)界信心。

　　由于藍牙技術(shù)與zigbee技術(shù)存在一定的共性，所以它們經(jīng)常被應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

　　2. 其他無線個域網(wǎng)標準

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要構(gòu)建從物理層到應(yīng)用層的完整的網(wǎng)絡(luò)，而無線個域網(wǎng)標準為其提前制定了物理層及介質(zhì)訪問控制層規(guī)范。除了前面討論的IEEE 802.15.4及藍牙技術(shù)外，無線個域網(wǎng)技術(shù)方案還包括：超寬帶(UWB)技術(shù)、紅外(IrDA)技術(shù)、家用射頻(HomeRF)技術(shù)等，其共同的特點是短距離、低功耗、低成本、個人專用等，它們均在不同的應(yīng)用場景中被用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層協(xié)議方案，簡單介紹如下：

　　(1) 超寬帶(UWB)技術(shù)

　　超寬帶(Ultra Wide-Band，UWB)技術(shù)起源于20世紀50年代末，是一項使用從幾Hz到幾GHz的寬帶電波信號的技術(shù)，通過發(fā)射極短暫的脈沖，并接收和分析反射回來的信號，就可以得到檢測對象的信息。UWB因為使用了極高的帶寬，故其功率譜密度非常平坦，表現(xiàn)為在任何頻點的輸出功率都非常小，甚至低于普通設(shè)備放射的噪聲，故其具有很好的抗干擾性和安全性。超寬帶技術(shù)最初主要作為軍事技術(shù)在雷達探測和定位等應(yīng)用領(lǐng)域中使用，美國FCC(聯(lián)邦通信委員會)于2002年2月準許該技術(shù)進入民用領(lǐng)域。除了低功耗外，超寬帶技術(shù)的傳輸速率輕易可達100Mbps以上，其第二代產(chǎn)品可望達到500Mbps以上，僅這一項指標就讓其他眾多技術(shù)望塵莫及。圍繞UWB的標準之爭從一開始就非常激烈，F(xiàn)reescale的DS-UWB和由TI倡導的MBOA逐步脫穎而出，近幾年國內(nèi)在這方面的研究也非常熱門。

　　由于其功耗低、帶寬高、抗干擾能力強，超寬帶技術(shù)無疑具有夢幻般的發(fā)展前景，但超寬帶芯片產(chǎn)品卻遲遲未曾面市，這無疑留給我們一個大大的遺憾。近年來開始出現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的報道，不過這項底蘊極深的技術(shù)還需要整個產(chǎn)業(yè)界的共同推動。目前超寬帶技術(shù)可謂初露鋒芒，相信它屬于大器晚成、老而彌堅的類型，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中必會大有作為。

　　(2) 紅外(IrDA)技術(shù)

　　紅外技術(shù)是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)，是由成立于1993 年的非營利性組織紅外線數(shù)據(jù)標準協(xié)會IrDA(Infrared Data Association)負責推進的，該協(xié)會致力于建立無線傳播連接的世界標準，目前擁有130個以上的正式企業(yè)會員。紅外技術(shù)的傳輸速率已經(jīng)從最初FIR的4Mbps上升為現(xiàn)在VFIR的16Mbps，接收角度也由最初的30°擴展到120°。由于它僅用于點對點通信，且具有一定方向性，故數(shù)據(jù)傳輸所受的干擾較少。由于產(chǎn)品體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請等優(yōu)勢，紅外技術(shù)從誕生到現(xiàn)在一直被廣泛應(yīng)用，可謂無線個域網(wǎng)領(lǐng)域的一棵常青樹。經(jīng)過多年的發(fā)展，其硬件與配套的軟件技術(shù)都已相當成熟，目前全世界有至少5000萬臺設(shè)備采用IrDA技術(shù)，并且仍然以年遞增50%的速度在增長。當今有95%的手提電腦都安裝了IrDA 接口，而遙控設(shè)備(電視機、空調(diào)、數(shù)字產(chǎn)品等)更是普遍采用紅外技術(shù)。

　　但是IrDA是一種視距傳輸技術(shù)，核心部件紅外線LED也不是十分耐用，更無法構(gòu)建長時間運行的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)，造成紅外技術(shù)終究沒能成為無線個域網(wǎng)的物理層標準技術(shù)，僅在極少數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中進行過嘗試(如定位跟蹤)，并且是與其他無線技術(shù)配合使用的。

　　(3)家用射頻(HomeRF)技術(shù)

　　家用射頻工作組(Home Radio Frequency Working Group，HomeRF WG)成立于1998年3月，是由美國家用射頻委員會領(lǐng)導的，首批成員包括：英特爾、IBM、康柏、3Com、飛利浦(Philips)、微軟、摩托羅拉等公司，其主旨是在消費者能夠承受的前提下，建設(shè)家庭中的互操作性語音和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。家用射頻工作組于1998 年即制定了共享無線訪問協(xié)議(Shared Wireless Access Protocol SWAP)，該協(xié)議主要針對家庭無線局域網(wǎng)。該協(xié)議的數(shù)據(jù)通信采用簡化的IEEE 802.11協(xié)議標準，沿用了以太網(wǎng)載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)技術(shù);其語音通信采用DECT(Digital Enhanced Cordless Telephony)標準，使用時分多址(TDMA)技術(shù)。家用射頻工作頻段是2.4GHz，最初支持數(shù)據(jù)和音頻最大數(shù)據(jù)的傳輸速率為2Mbps，在新的家用射頻2.x 標準中采用了WBFH(Wide Band Frequency Hopping 寬帶跳頻)技術(shù)，增加跳頻調(diào)制功能，數(shù)據(jù)帶寬峰值可達10Mbps，已經(jīng)能夠滿足大部分應(yīng)用。

　　2000年左右家用射頻技術(shù)的普及率一度達到45%，但由于技術(shù)標準被控制在數(shù)十家公司手中，并沒有像紅外技術(shù)一樣開放，特別是802.11b標準的出現(xiàn)，從2001年開始，家用射頻的普及率驟然降至30%，2003年家用射頻工作組更是宣布停止研發(fā)和推廣，曾經(jīng)風光無限的家用射頻終于退出無線個域網(wǎng)的歷史舞臺，尤如曇花一現(xiàn)。

　　3. 路由及高層標準

　　在前面討論的底層標準的基礎(chǔ)之上，已經(jīng)出現(xiàn)了一些包括了路由及應(yīng)用層的高層協(xié)議標準，主要包括zigbee/IEEE 802.15.4、6LowPAN、IEEE1451.5(無線傳感通信接口標準)等，另外，Z-Wave聯(lián)盟、Cypress (Wireless USB傳感器網(wǎng)絡(luò))等也推出了類似的標準，但是在專門為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標準出來以前，zigbee無疑是最受寵愛的，也受到了較多的應(yīng)用廠商的推崇，這里簡單介紹一下。

　　(1) zigbee協(xié)議規(guī)范

　　zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月，最初成員包括：霍尼韋爾(Honeywell)、Invensys、三菱(MITSUBISHI)、摩托羅拉和飛利浦等，目前擁有超過200多個會員。zigbee 1.0(Revision 7)規(guī)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技術(shù)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、安全可靠、工作頻段靈活等諸多優(yōu)點，目前是被普遍看好的無線個域網(wǎng)解決方案，也被很多人視為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的事實標準。

　　zigbee聯(lián)盟對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用程序接口(Application Programming Interfaces，API)進行了標準化。zigbee協(xié)議棧架構(gòu)基于開放系統(tǒng)互連模型七層模型，包含IEEE 802.15.4標準以及由該聯(lián)盟獨立定義的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層協(xié)議。zigbee所制定的網(wǎng)絡(luò)層主要負責網(wǎng)絡(luò)拓撲的搭建和維護，以及設(shè)備尋址、路由等，屬于通用的網(wǎng)絡(luò)層功能范疇，應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層(Aplication Support Sub-layer，APS)、zigbee設(shè)備對象(zigbee Device Object，ZDO)以及設(shè)備商自定義的應(yīng)用組件，負責業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、安全與鑒權(quán)等。

　　另外，zigbee聯(lián)盟也負責zigbee產(chǎn)品的互通性測試與認證規(guī)格的制定。zigbee聯(lián)盟定期舉辦ZigFest活動，讓發(fā)展zigbee產(chǎn)品的廠商有一個公開交流的機會，完成設(shè)備的互通性測試;而在認證部分，zigbee聯(lián)盟共定義了3種層級的認證：第一級(Level 1)是認證物理層與介質(zhì)訪問控制層，與芯片廠有最直接的關(guān)系;第二級(Level 2)是認證zigbee 協(xié)議棧(Stack)，又稱為zigbee兼容平臺認證(Compliant Platform Certification);第三級(Level 3)是認證zigbee產(chǎn)品，通過第三級認證的產(chǎn)品才允許貼上zigbee的標志，所以也稱為zigbee標志認證(Logo Certification)。

　　協(xié)議芯片是協(xié)議標準的載體，也是最容易體現(xiàn)知識產(chǎn)權(quán)的一種形式。目前市場上出現(xiàn)了較多的zigbee芯片產(chǎn)品及解決方案，有代表性的包括：Jennic的JN5121/JN5139，Chipcon的CC2430/CC2431(被TI收購)及Freescale MC13192，Ember的EM250 zigbee等系列的開發(fā)工具及芯片，表 1對這些芯片指標進行了比較。

　　(2) IEEE 1451.5標準

　　除了以上兩種通用規(guī)范以外，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用領(lǐng)域，也正在醞釀著特定行業(yè)的專用標準，如電力水力、工業(yè)控制、消費電子、智能家居等。這里以工控領(lǐng)域為例簡單討論一下IEEE1451.X，當然工業(yè)標準紛繁復雜，最近正在制定專門面向工業(yè)自動化應(yīng)用的無線技術(shù)標準ISA SP100，有很多中國工業(yè)及學術(shù)界同仁努力參與了該標準的制定工作。

　　IEEE1451標準族是通過定義一套通用的通信接口，以使工業(yè)變送器(傳感器+執(zhí)行器)能夠獨立于通信網(wǎng)絡(luò)，并與現(xiàn)有的微處理器系統(tǒng)、儀表儀器和現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)相連，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題，并最終能夠?qū)崿F(xiàn)變送器到網(wǎng)絡(luò)的互換性與互操作性。IEEE1451標準族定義了變送器的軟硬件接口，將傳感器分成兩層模塊結(jié)構(gòu)。第一層用來運行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和應(yīng)用硬件，稱為網(wǎng)絡(luò)適配器(Network Capable Application Processor， NCAP);第二層為智能變送器接口模塊(Smart Transducer Interface Module， STIM)，其中包括變送器和電子數(shù)據(jù)表格TEDS。IEEE1451工作組先后提出了五項標準提案(IEEE1451.1—IEEE1451.5)，分別針對了不同的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場需求，其中IEEE1451.5為無線傳感通信接口標準。

　　IEEE1451.5標準提案于2001年6月最新推出，在已有的IEEE1451柜架下提出了一個開放的標準無線傳感器接口，以滿足工業(yè)自動化等不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。IEEE1451.5盡量使用無線的傳輸介質(zhì)，描述了智能傳感器與網(wǎng)絡(luò)適配器模塊之間的無線連接規(guī)范，而不是網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與網(wǎng)絡(luò)之間的無線連接，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)適配器模塊與智能傳感器的IEEE 802.11、Bluetooth、zigbee無線接口之間的互操作性。IEEE1451.5提案的工作重點在于制定無線數(shù)據(jù)通信過程中的通信數(shù)據(jù)模型和通信控制模型。IEEE1451.5建議標準必須對數(shù)據(jù)模型進行具有一般性的擴展以允許多種無線通信技術(shù)可以使用，主要包括兩方面：一是為變送器通信定義一個通用的服務(wù)質(zhì)量(QOS)機制，能夠?qū)θ魏螣o線電技術(shù)進行映射服務(wù)，另外對每一種無線射頻技術(shù)都有一個映射層用來把無線發(fā)送具體配置參數(shù)映射到服務(wù)質(zhì)量機制中。關(guān)于該標準具體內(nèi)容，這里就不再詳細討論了。

　　(3).6LowPan草案

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從誕生開始就與下一代互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)聯(lián)，6LowPan(IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network)就是結(jié)合這兩個領(lǐng)域的標準草案。該草案的目標是制定如何在LowPAN(低功率個域網(wǎng))上傳輸IPv6報文。當前LowPAN采用的開放協(xié)議主要指前面提到的IEEE802.15.4 介質(zhì)訪問控制層標準，在上層并沒有一個真正開放的標準支持路由等功能。由于IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)標準，在技術(shù)上趨于成熟，并且在LowPan上采用IPv6協(xié)議可以與IPv6網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無縫連接，因此互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF， Internet Engineering Task Force，)成立了專門的工作組制定如何在802.15.4協(xié)議上發(fā)送和接收IPv6報文等相關(guān)技術(shù)標準。

　　在802.15.4上選擇傳輸IPv6報文主要是因為現(xiàn)有成熟的IPv6技術(shù)可以很好地滿足LowPan互聯(lián)層的一些要求。首先在LowPan網(wǎng)絡(luò)里面很多設(shè)備需要無狀態(tài)自動配置技術(shù)，在IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)(Neighbor Discovery)協(xié)議里基于主機的多樣性已經(jīng)提供了兩種自動配置技術(shù)：有狀態(tài)自動配置與無狀態(tài)自動配置。另外在LowPan網(wǎng)絡(luò)中可能存在大量的設(shè)備，需要很大的IP地址空間，這個問題對于有著128位IP地址的IPv6協(xié)議不是問題;其次在包長受限的情況下，可以選擇IPv6的地址包含802.15.4介質(zhì)訪問控制層地址。

　　IPv6與802.15.4協(xié)議的設(shè)計初衷是應(yīng)用于兩個完全不同的網(wǎng)絡(luò)，這導致了直接在802.15.4上傳輸IPv6報文會有很多的問題。首先兩個協(xié)議的報文長度不兼容，IPv6報文允許的最大報文長度是1280字節(jié)，而在802.15.4的介質(zhì)訪問控制層最大報文長度是127字節(jié)。由于本身的地址域信息(甚至還需要留一些字節(jié)給安全設(shè)置)占用了25個字節(jié)，留給上層的負載域最多102個字節(jié)，顯然無法直接承載來自IPv6網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包;其次兩者采用的地址機制不相同，IPv6采用分層的聚類地址，由多段具有特定含義的地址段前綴與主機號構(gòu)成;而在802.15.4中直接采用64位或16位的扁平地址;另外，兩者設(shè)備的協(xié)議設(shè)計要求不同，在IPv6的協(xié)議設(shè)計時沒有考慮節(jié)省能耗問題。而在802.15.4很多設(shè)備都是電池供電，能量有限，需要盡量減少數(shù)據(jù)通信量和通信距離，以延長網(wǎng)絡(luò)壽命;最后，兩個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)化目標不同，在IPv6中一般關(guān)心如何快速地實現(xiàn)報文轉(zhuǎn)發(fā)問題，而在802.15.4中，如何在節(jié)省設(shè)備能量的情況下實現(xiàn)可靠的通信是其核心目標。

　　總之，由于兩個協(xié)議的設(shè)計出發(fā)點不同，要IEEE802.15.4支持IPv6數(shù)據(jù)包的傳輸還存在很多技術(shù)問題需要解決，如報文分片與重組、報頭壓縮、地址配置、映射與管理、網(wǎng)狀路由轉(zhuǎn)發(fā)、鄰居發(fā)現(xiàn)等，在這里就不再一一討論了。

　　4. 國內(nèi)標準化及國際化

　　近幾年來，國內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的標準化工作在全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會(簡稱信標委)推動下，取得了較大進展。信標委經(jīng)過一年多的醞釀，于2005年11月29日組織國內(nèi)及海外華人專家，在中國電子技術(shù)標準化研究所召開了第一次“無線個域網(wǎng)技術(shù)標準研討會”，討論了無線個域網(wǎng)標準進展狀況、市場分析及標準制定等事宜，會議建議將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)納入無線個域網(wǎng)范疇，并成立了專門的興趣小組(另外還有低速無線個域網(wǎng)、超寬帶等興趣小組)，自此中國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標準化工作邁出了第一步。

　　工作組經(jīng)過國內(nèi)三十多個科研及產(chǎn)業(yè)實體近兩年的共同努力，先后組織了八次全國范圍的技術(shù)研討會，提出了低速無線個域網(wǎng)使用的780MHz(779-787 MHz) 專用頻段及相關(guān)技術(shù)標準，獲得國家無管委的正式批準(日本使用950MHz、美國使用915MHz)。針對該頻段，工作組提出了擁有自主產(chǎn)權(quán)的MPSK 調(diào)制編碼技術(shù)，擺脫了國外同類技術(shù)的專利束縛。2008年3月3日到4日，工作組對《信息技術(shù) 系統(tǒng)間遠程通信和信息交換 局域網(wǎng)和城域網(wǎng)特定要求第15.4部分：低速率無線個域網(wǎng)(WPAN)物理層和媒體訪問控制層規(guī)范》意見函進行了投票，并通過了780MHZ工作頻段采用MPSK和O-QPSK 調(diào)制編碼技術(shù)提案作為低速率無線個域網(wǎng)共同可選(Co-alternative)的物理層技術(shù)規(guī)范(MPSK和O-QPSK分別由中國和美國相關(guān)團體提出，并各自擁有知識產(chǎn)權(quán))，即LR-WPAN可以采用MPSK和OQPSK其中之一，或共同使用，并最終將形成IEEE 802.15.4c標準。另外，由中國及華人專家主要負責起草的包括了MAC/PHY兩層協(xié)議的IEEE 802.15.4e也在順利推進中(在IEEE 802.15.4—2006 介質(zhì)訪問控制中加入工業(yè)無線標準支持ISA SP-100.11a，并兼容IEEE 802.15.4c)。這是國內(nèi)標準化工作的一個重要進展，也是我國參與國際標準制定的重要一步。計算所是這個工作組的正式會員單位之一，參與了其中的一些工作。

　　最近，國內(nèi)及國際無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作又取得了新的發(fā)展。首先，國標委已正式批復無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從無線個域網(wǎng)工作組中分離出來，成立了直屬于全國信息技術(shù)標準化管理委員會的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標準工作組(秘書處現(xiàn)掛靠微系統(tǒng)所，計算所作為其成員單位之一，將致力于該標準的制定工作)。工作組預(yù)計于2008年4月10日左右完成籌備工作，這標志著傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準化工作向前邁進了一大步;其次，國際標準化組織也成立了ISO/IEC JTC1/SGSN研究小組，開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)國際標準的制定。中國和美國、韓國、日本等國家一起作為重要成員單位參與其中。其第一次會議也將于2008年6月底在中國上海隆重召開。會議不但有國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍ζ渲腥舾申P(guān)鍵問題展開技術(shù)討論，也會有眾多從事傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的企業(yè)攜最新產(chǎn)品參加展覽。與此同時，各會員國將對傳感器網(wǎng)絡(luò)標準框架開展深入探討，為標準草案的詳細設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

　　標準是連接科研和產(chǎn)業(yè)的紐帶，而芯片正是標準的最直接的實現(xiàn)形式。參與標準化工作，特別是參與國際標準的制定，對提升我國產(chǎn)品的競爭力和技術(shù)水平，占領(lǐng)行業(yè)制高點，有著舉足輕重的作用。制定標準的最終目的還是為提升產(chǎn)業(yè)水平、滿足產(chǎn)品國際化、保護自主知識產(chǎn)權(quán)、兼容同類或配套產(chǎn)品等方面提供便利。如果我們能參與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的國內(nèi)和國際標準的制定，就會在本領(lǐng)域的芯片設(shè)計、方案提供及產(chǎn)品制造等方面獲得有力保障。系統(tǒng)芯片作為標準最直接的體現(xiàn)形式，將是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，不但是成本的主要決定因素，更是知識產(chǎn)權(quán)的主要體現(xiàn)形式。缺少產(chǎn)業(yè)的標準顯得蒼白無力，只是一紙空文;缺少芯片的標準制定顯得有名無實，只是紙上談兵。但是，目前國內(nèi)在芯片設(shè)計及產(chǎn)業(yè)化(特別是射頻芯片)方面的水平都較低，能力比較弱，這是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域亟需取得突破的兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。標準制定和通信芯片是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的兩個不可或缺的方面。