過去若干年以來，無線組網技術發展迅速。但迄今為止，無線組網技術的應用主要集中在高速率和相對長距離方面；研究重點始終放在提高數據速率上，高了還要更高。無線組網技術就是網絡組建技術，分為以太網組網技術和ATM局域網組網技術。以太網組網非常靈活和簡便，可使用多種物理介質，以不同拓撲結構組網，是目前國內外應用最為廣泛的一種網絡，已成為網絡技術的主流。以太網按其傳輸速率又分成10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s。細纜以太網10 BASE-2 10 BASE-2以太網是采用IEEE802.3標準，它是一種典型的總線型結構。采用細纜為傳輸介質，通過T型接頭與網卡上的BNC接口相連的總線型網絡。事實上，低速率應用比高速率應用更貼近我們的日常生活。

圖1 無線組網技術標準

一、低速率應用場景

有了802.15.4這一新標準，我們可以在各個方面開展許多新的應用。通過情況感知和物資精確定位（PAL）對軍事行動、消防隊員操作進行指揮，對貨單進行自動更新，對庫存進行實時跟蹤；以及游戲和互動式玩具等娛樂應用。

為了進一步說明802.15.4將來會如何影響我們的生活，下面描述幾個可能的應用場景。

１。 挽救生命

人類始終面臨著各種威脅生命的因素。科學技術一方面大大提高了我們的生活質量，但另一方面也加大了我們面臨的危險。不管你如何小心，總有忘記關煤氣爐或者睡前忘鎖門的時候。這一疏忽輕則叫你破費，重則危及生命。我們每天都要喝水，在任何時間都要呼吸空氣，如果不小心或者有人存心搗亂，水和空氣也會使我們受到污染，甚至中毒。

２。 家庭自動化

現代自動控制技術、計算機技術和通信技術等手段，有助于 實現人們家務勞動和家務管理的自動化，大大減輕人們家庭生活中的操勞，節省人們的時間，提高人們的物質、文化生活水平。家庭自動化已是人類社會進步的重要標志之一。最早進入家庭的自動化設備有自動洗衣機和空氣自動調節裝置等。隨著現代科學技術的發展和人們生活要求的提高，家庭自動化的范圍也在日益擴大。家庭安全系統、家庭自動控制系統、家庭信息系統和家用機器人等，有的已達到實用水平，有的正處于研究改進階段。家庭自動化系指利用微處理電子技術，來集成或控制家中的電子電器產品或系統，例如：照明燈、咖啡爐、電腦設備、保安系統、暖氣及冷氣系統、視訊及音響系統等。家庭自動化系統主要是以一個中央微處理機（Central Processor Unit，CPU）接收來自相關電子電器產品的訊息后，再以既定的程序發送適當的信息給其它電子電器產品。中央微處理機必須透過許多界面來控制家中的電器產品，這些界面可以是鍵盤，也可以是觸摸式熒幕、按鈕、電腦、電話機、遙控器等；消費者可發送信號至中央微處理機，或接收來自中央微處理機的訊號。

３。方便安全地行路

如果沿著街道、高速公路及其他地方分布式地裝有大量路標或其他簡單設備，你就不再擔心會迷路。安裝在你汽車里的器件將告訴你，你現在所處的位置，正向何處去。雖然從全球定位系統（GPS）也能獲得類似服務，但是這種新的分布式系統能夠向你提供更精確更具體的信息。即使在GPS覆蓋不到的樓內或隧道內，你仍能繼續使用此系統。事實上，你從這個新系統能夠得到比ＧＰＳ多得多的信息，如限速、前面那條街是單行線還是雙行線、前面每條街的交通情況或事故信息等。

二、802.15標準簡介

在介紹802.15.4之前，先簡要介紹一下IEEE802.15工作組正在定義的幾種不同的短距離無線技術。短距離無線技術原本是為支持個人域網（PAN）而開發的，但是它們的潛力遠遠不止于此。

基于藍牙的局域網（personal area networks）標準。IEEE 802.15是由 IEEE 制定的一種藍牙無線通信規范標準，應用于無線個人區域網（WPAN）。IEEE 802.15具有以下特征，如短程、低能量、低成本、小型網絡及通信設備，適用于個人操作空間。這是基于藍牙的個域網（personal area networks）標準。IEEE802.15工作組內有四個任務組，分別制定適合不同應用的標準。802.15.1本質上只是藍牙低層協議的一個正式標準化版本，大多數標準制定工作仍由藍牙特別興趣組（SIG）在做，其成果將由IEEE批準。原始的802.15.1標準基于藍牙1.1，在目前大多數藍牙器件中采用的都是這一版本。新的版本802.15.1a將對應于藍牙1.2，它包括某些QoS增強功能，完全后向兼容。藍牙是第一個面向低速率應用的標準，但是它的市場情況不太理想，其原因之一是受WiFi（802.11b） 的沖擊，WiFi產品的價格大幅度下降在某些應用方面抑制了藍牙的優勢。另一個原因是藍牙為了覆蓋更多的應用和提供QoS使其偏離了原來設計簡單的目標，復雜使藍牙變得昂貴，不再適合那些要求低功率、低成本的簡單應用。另外它還存在可擴展性方面的問題。

802.15.3也稱WiMedia，旨在實現高速率。最初它瞄準的是消費類器件，如電視機和數碼照相機等。其原始版本規定的速率高達55Mbit/s，使用基于802.11但不兼容的物理層。后來多數廠商傾向于使用802.15.3a（見圖1），它使用超寬帶（UWB）的多頻段OFDM聯盟（MBOA）的物理層，速率高達480Mbit/s。打算生產802.15.3a產品的廠商成立了WiMedia聯盟，其任務是對設備進行測試和貼牌，以保證標準的一致性。

802.15.4也稱ZigBee，屬于低速率短距離的無線個人域網。它的設計目標是低功耗（長電池壽命）、低成本和低速率。速率可以低至9.6kbit/s，不支持話音。

第6種現在尚未正式列入802.15標準，它將包括基于太赫茲輻射（即T射線）的無線網。T射線結合光和無線電的特性，理論上可達到幾個Gbit/s的速率。

三、802.15.4

隨著通信技術的迅速發展，人們提出了在人自身附近幾米范圍之內通信的需求，這樣就出現了個人區域網絡（personal area network, PAN）和無線個人區域網絡（wireless personal area network, WPAN）的概念。WPAN網絡為近距離范圍內的設備建立無線連接，把幾米范圍內的多個設備通過無線方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至接入LAN或Internet。1998年3月，IEEE 802.15工作組。這個工作組致力于WPAN網絡的物理層（PHY）和媒體訪問層（MAC）的標準化工作，目標是為在個人操作空間（personal operating space, POS）內相互通信的無線通信設備提供通信標準。POS一般是指用戶附近10米左右的空間范圍，在這個范圍內用戶可以是固定的，也可以是移動的。 802.15.4, 即IEEE用于低速無線個人域網（LR-WPAN）的物理層和媒體接入控制層規范 。 該協議能支持消耗功率最少，一般在個人活動空間（10 m直徑或更小）工作的簡單器件。支持兩種網絡拓撲，即單跳星狀或當通信線路超過10 m時的多跳對等拓撲。但是對等拓撲的邏輯結構由網絡層定義。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在關聯過程中指配的16位短地址。一個802.15.4網可以容納最多216個器件。

１。工作頻段和數據速率

802.15.4工作在工業科學醫療（ISM）頻段，它定義了兩個物理層，即2.4GHz頻段和868/915MHz頻段物理層。免許可證的2.4GHZ ISM頻段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM頻段分別只在歐洲和北美有。在802.15.4中，總共分配了27個具有三種速率的信道：在2.4GHz頻段有16個速率為250kbit/s（或62.5k symbol/s）的信道，在915MHz頻段有10個40kbit/s（或40k symbol/s）的信道，在868MHz頻段有1個20kbit/s（或20 ksymbol/s）的信道。ISM頻段全球都有的特點不僅免除了802.15.4器件的頻率許可要求，而且還給許多公司提供了開發可以工作在世界任何地方的標準化產品的難得機會。這將減少投資者的風險，與專門解決方案相比可以明顯降低產品成本。在保持簡單性的同時，802.15.4還試圖提供設計上的靈活性。一個802.15.4網可以根據可用性、擁擠狀況和數據速率在２７個信道中選擇一個工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數據速率能為不同的應用提供較好的選擇。例如，對于有些計算機外圍設備與互動式玩具，可能需要250kbit/s，而對于其他許多應用，如各種傳感器、智能標記和家用電器等，20kbit/s這樣的低速率就能滿足要求。

２。支持簡單器件

802.15.4低速率、低功耗和短距離傳輸的特點使它非常適宜支持簡單器件。在802.15.4中定義了14個物理層基本參數和３５個媒體接入控制層基本參數，總共為49個，僅為藍牙的三分之一。這使它非常適用于存儲能力和計算能力有限的簡單器件。在802.15.4中定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數。

３。信標方式和超幀結構

802.15.4網可以工作于信標使能方式或非信標使能方式。在信標使能方式中，協調器定期廣播信標，以達到相關器件同步及其他目的。在非信標使能方式中，協調器不定期地廣播信標，而是在器件請求信標時向它單播信標。

４。數據傳輸和低功耗

在802.15.4中，有三種不同的數據轉移：從器件到協調器；從協調器到器件；在對等網絡中從一方到另一方。為了突出低功耗的特點，把數據傳輸分為以下三種方式：

直接數據傳輸：這適用于以上所有三種數據轉移。采用無槽載波檢測多址與碰撞避免（CSMA-CA）或開槽CSMA-CA的數據傳輸方法，視使用非信標使能方式還是信標使能方式而定。

間接數據傳輸：這僅適用于從協調器到器件的數據轉移。在這種方式中，數據幀由協調器保存在事務處理列表中，等待相應的器件來提取。通過檢查來自協調器的信標幀，器件就能發現在事務處理列表中是否掛有一個屬于它的數據分組。有時，在非信標使能方式中也可能發生間接數據傳輸。在數據提取過程中也使用無槽CSMA-CA或開槽CSMA-CA。

有保證時隙（GTS）數據傳輸：這僅適用于器件與其協調器之間的數據轉移，既可以從器件到協調器，也可以從協調器到器件。在GTS數據傳輸中不需要CSMA-CA。

低功耗是802.15.4最重要的特點。因為對電池供電的簡單器件而言，更換電池的花費往往比器件本身的成本還要高。在有些應用中，更換電池不僅麻煩，而且實際上是不可行的，例如嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設的大規模傳感器網。所以在802.15.4的數據傳輸過程中引入了幾種延長器件電池壽命或節省功率的機制。多數機制是基于信標使能的方式，主要是限制器件或協調器之收發信機的開通時間，或者在無數據傳輸時使它們處于休眠狀態。

５。安全性

安全性是802.15.4的另一個重要問題。為了提供靈活性和支持簡單器件，802.15.4在數據傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全性方式，對于某種應用，如果安全性并不重要或者上層已經提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉移數據。對于第二級安全性，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數據，在這一級不采取加密措施。第三級安全性在數據轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼。

密碼學中的高級加密標準（Advanced Encryption Standard，AES），又稱高級加密標準Rijndael加密法，是美國聯邦政府采用的一種區塊加密標準。這個標準用來替代原先的DES，已經被多方分析且廣為全世界所使用。經過五年的甄選流程，高級加密標準由美國國家標準與技術研究院 （NIST）于2001年11月26日發布于FIPS PUB 197，并在2002年5月26日成為有效的標準。2006年，高級加密標準已然成為對稱密鑰加密中最流行的算法之一。該算法為比利時密碼學家Joan Daemen和Vincent Rijmen所設計，結合兩位作者的名字，以Rijndael之命名之，投稿高級加密標準的甄選流程。

６。自配置

802.15.4在媒體接入控制層中加入了關聯和分離功能，以達到支持自配置的目的。自配置不僅能自動建立起一個星狀網，而且還允許創建自配置的對等網。在關聯過程中可以實現各種配置，例如為個人域網選擇信道和識別符（ID），為器件指配16位短地址，設定電池壽命延長選項等。

四、結語

802.15.4標準與IEEE的其他無線標準（如WiFi和UWB）是互為補充的。例如，802.11面向基礎設施，藍牙面向移動電話，而802.15.4是面向網絡的，它的明顯特點是低速率、低功耗、低成本、自配置和拓撲靈活，主要支持其他標準不適用的低速率應用。它不僅打開了大量新應用之門，而且還能給許多現有的應用增加價值。通過各種非常簡單的器件就能夠聯網，802.15.4作為一個全球標準，為我們實現無所不在的網絡創造了條件。

與WiFi和WiMAX相類似，開發802.15.4產品的廠商成立了ZigBee聯盟。目前ZigBee聯盟正在針對網絡層和更上層開展工作。ZigBee可能會成為802.15技術中最重要的一個。預計包含ZigBee的第一批器件將是可以遙控的熒光燈泡，該器件2004年底可以提供，其開關是可移動的，人在暗處的任何地方都可把燈打開。這種應用可能會很受消費者的歡迎，但企業更感興趣的將是傳感器網。

ZigBee還可能提出第三種物理層UWB，但這是一個長遠目標，至今尚未標準化。UWB的主要優點是功耗比802.15.4還低，允許器件不用電池。有人預測，UWB網狀網最終將由“智能塵粒”組成，是一種精微無線電，它通過納米技術風車或光電池產生能量。