物联网实验教程：4GLTE短距离无线通信规范简介

随着集成电路和无线通信技术的飞速发展以及无线传感器网络发展的推动，近几年在短距离通信领域的发展日新月异。目前在短距离无线通信方面的规范较多，从物理层和媒体控制层来看，包括IEEE 802.15.4、蓝牙、超宽带、红外、低功耗Wifi等，在网络层也有ZigBee、IEEE 1451、6LowPan等。下面选取部分内容进行简单介绍。

（1）IEEE 802.15.4

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）而制定。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的低速互连提供统一接口。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 802.15.4b标准拥有多个变种，包括了低速超宽带的IEEE 802.15.4a、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，这里不深入讨论。

（2）蓝牙

1998年5月，就在IEEE 802.15无线个域网工作组成立不久，5家世界著名的IT公司—爱立信、IBM、英特尔、诺基亚和东芝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、朗讯、康柏、西门子、3COM、TDK以及微软等大公司在内的近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64kbit/s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3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。

（3）超宽带

超宽带（Ultra Wide-Band，UWB）技术起源于20世纪50年代末，是一项使用从几赫兹到几吉赫兹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，就可以得到检测对象的信息。UWB因为使用了极高的带宽，故其功率谱密度非常平坦，表现为在任何频点的输出功率都非常小，甚至低于普通设备放射的噪声，故其具有很好的抗干扰性和安全性。超宽带技术最初主要作为军事技术在雷达探测和定位等应用领域中使用，美国FCC（联邦通信委员会）于2002年2月准许该技术进入民用领域。除了低功耗外，超宽带技术的传输速率轻易可达100Mbit/s以上，其第二代产品可望达到500Mbit/s以上，仅这一项指标就让其他众多技术望尘莫及。

由于其功耗低、带宽高、抗干扰能力强，超宽带技术无疑具有梦幻般的发展前景，但超宽带芯片产品却迟迟未曾面市，这无疑留给我们一个大大的遗憾。近年来开始出现相关产品的报道，不过这项底蕴极深的技术还需要整个产业界的共同推动。目前超宽带技术可谓初露锋芒，相信它属于大器晚成、老而弥坚的类型，在无线传感器网络应用中必会大有作为。

（4）红外(www.xing528.com)

红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是由成立于1993年的非营利性组织红外线数据标准协会（Infrared Data Association，IrDA）负责推进的。该协会致力于建立无线传播连接的世界标准，目前拥有130个以上的正式企业会员。红外技术的传输速率已经从最初FIR的4Mbit/s上升为现在VFIR的16Mbit/s，接收角度也由最初的30°扩展到120°。由于它仅用于点对点通信，且具有一定方向性，故数据传输所受的干扰较少。由于产品体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势，红外技术从诞生到现在一直被广泛应用，可谓无线个域网领域的一棵常青树。经过多年的发展，其硬件与配套的软件技术都已相当成熟，目前全世界有至少5000万台设备采用红外技术，并且仍然以年递增50%的速度在增长。遥控设备（电视机、空调、数字产品等）更是普遍采用红外技术。

但是红外是一种视距传输技术，核心部件红外线LED也不是十分耐用，更无法构建长时间运行的稳定网络，造成红外技术终究没能成为无线个域网的物理层标准技术，仅在极少数无线传感器网络应用中进行过尝试（如定位跟踪），并且是与其他无线技术配合使用的。

（5）ZigBee协议规范

ZigBee联盟成立于2001年8月，最初成员包括霍尼韦尔、Invensys、三菱、摩托罗拉和飞利浦公司等，目前拥有超过200多个会员。ZigBee1.0（Revision 7）规格正式于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技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等诸多优点，目前是被普遍看好的无线个域网解决方案，也被很多人视为无线传感器网络的事实标准。ZigBee协议在无线传感器网络中应用较多，后文将结合实验进行介绍。

（6）IEEE 1451.5标准

除了以上通用规范以外，在无线传感器网络的不同应用领域，也正在酝酿着特定行业的专用标准，如电力、水力、工业控制、消费电子、智能家居等。这里以工控领域为例简单讨论一下IEEE 1451.x。当然，工业标准纷繁复杂，最近正在制定专门面向工业自动化应用的无线技术标准ISA SP100，有很多中国工业及学术界的同仁努力参与了该标准的制定工作。

IEEE 1451标准族是通过定义一套通用的通信接口，以使工业变送器（传感器+执行器）能够独立于通信网络，并与现有的微处理器系统、仪表仪器和现场总线网络相连，解决不同网络之间的兼容性问题，并最终能够实现变送器到网络的互换性与互操作性。IEEE1451标准族定义了变送器的软硬件接口，将传感器分成两层模块结构。第一层用来运行网络协议和应用硬件，称为网络适配器（Network Capable Application Processor，NCAP）；第二层为智能变送器接口模块（Smart Transducer InterfaceModule，STIM），其中包括变送器和电子数据表格TEDS。IEEE 1451工作组先后提出了5项标准提案（IEEE 1451.1～IEEE 1451.5），分别针对不同的工业应用现场需求，其中IEEE 1451.5为无线传感通信接口标准。

（7）6LowPan草案

无线传感器网络从诞生开始就与下一代互联网相关联，6LowPAN（IP v6 over Low Power Wireless Personal Area Network）就是结合这两个领域的标准草案。该草案的目标是制定如何在LowPAN（低功率个域网）上传输IPv6报文。当前，LowPAN采用的开放协议主要指前面提到的IEEE 802.15.4介质访问控制层标准，在上层并没有一个真正开放的标准支持路由等功能。由于IPv6是下一代互联网标准，在技术上趋于成熟，并且在LowPAN上采用IPv6协议可以与IPv6网络实现无缝连接，因此互联网工程任务组（Internet Engineering Task Force，IETF）成立了专门的工作组制定如何在802.15.4协议上发送和接收IPv6报文等相关技术标准。6LowPAN将无线传感器网络和下一代互联网的距离进一步拉近了。

本章后续的实验都是基于短距离通信展开的。实际上，由于在实验室里操作的要求，本书的几乎所有实验（除公网接入实验）都是基于不同种类的短距离通信的，包括规范和不规范的。通过这些实验的讲述，相信读者会对无线通信有一个较为清晰的认识。