IEEE802标准在物联网组成原理中的作用

IEEE 802.15工作组内有四个任务组，分别制定适合不同应用的标准。这四个标准如下：

1.IEEE 802.15.1本质上只是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本，大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组（SIG）负责，其成果将由IEEE批准。

2.IEEE 802.15.2是对蓝牙和IEEE 802.15.1的一些改变，其目的是减轻对IEEE802.11b和IEEE 802.11g网络的干扰。这些网络都使用2.4GHz频段，如果想同时使用蓝牙和Wi-Fi的话，就需要使用IEEE 802.15.2或其他专有方案。

3.IEEE 802.15.3也称WiMedia，旨在实现高速率。最初它瞄准的是消费类器件，如电视机和数码照相机等用的器件。其原始版本规定的速率高达55Mbit/s，使用基于IEEE802.11但不兼容的物理层。后来，多数厂商倾向使用IEEE 802.15.3a，它使用超宽带（Ul-tra Wideband，UWB）的多频段OFDM联盟（Multiband OFDM Alliance，MBOA）的物理层，速率高达480Mbit/s。打算生产IEEE 802.15.3a产品的厂商成立了WiMedia联盟，其任务是对设备进行测试和贴牌，以保证标准的一致性。

4.IEEE 802.15.4是一个低速率无线个人局域网（Low Rate Wireless Personal Area Net-works，LR-WPAN）标准。它的设计目标是低功耗（长电池寿命）、低成本和低速率，速率可以低至9.6kbit/s，不支持语音。该标准定义了物理层和MAC层。LR-WPAN的网络结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞吐量。低速率无线个人局域网的主要目标是实现安装容易、数据传输可靠、短距离通信、极低的成本、合理的电池寿命，并且拥有一个简单而且灵活的通信网络协议。

LR-WPAN是按照IEEE 802.15.4标准，为近距离联网而设计的。IEEE 802.15.4标准包括工业监控和组网、办公和家庭自动化与控制、库存管理、人机接口装置及无线传感器网络等。该网络具有如下特点：

①实现250kbit/s、40kbit/s、20kbit/s三种传输速率；

②支持星形或者点对点两种网络拓扑结构；

③具有16bit短地址或者64bit扩展地址；

④支持CSMA-CA；

⑤用于可靠传输的全应答协议；

⑥低功耗；

⑦能量检测（Energy Detection，ED）；

⑧链路质量指示（Link Quality Indication，LQI）；

⑨在2450MHz频带内定义了16个通道，在915MHz频带内定义了10个通道，在868MHz频带内定义了1个通道。

为了使供应商能够提供最低可能功耗的设备，IEEE定义了两种不同类型的设备：一种是全功能设备（Full-Functional Device，FFD），另一种是简化功能设备（Reduced-Functional Device，RFD）。

FFD具有以下几个特点：

①能够在任何拓扑结构中工作；

②能够成为网络中的主协调器；

③能够成为一个协调器；

④能够同任何其他设备进行通信。

RFD具有以下几个特点：

①被限制在星形网络拓扑中；

②不能够成为网络协调器；(www.xing528.com)

③只能够同网络中的协调器进行通信；

④实现起来非常简单。

由于RFD非常简单，就像一个电灯开关或者一个红外传感器，它们不需要发送大量的数据，并且一次只能同一个FFD关联，因此RFD能够使用很少的资源和存储空间。

在个人操作空间（Personal Operating Space，POS）内，两个或更多的设备可以构成一个WPAN。然而在一个网络中应当至少包含一个FFD作为PAN协调器。

IEEE 802.15.4定义的LR-WPAN中具有两种拓扑结构：星形网拓扑和对等网拓扑。这两种网络拓扑结构如图3-16所示。

图3-16　星形网拓扑和对等网拓扑

在星形网拓扑结构中，通信建立在设备和PAN协调器的中心控制设备之间。对于网络通信来说，这些设备可以作为发起设备或者终端设备；PAN协调器则可以作为发起设备、终端设备或路由设备。PAN协调器是主要的耗能设备，其他从设备均可采用电池供电。目前，星形网拓扑结构主要用在家庭自动化、PC外设、玩具、游戏和个人健康检查等方面。

在对等网拓扑结构中，也存在一个PAN协调器。它不同于星形网络结构的是网络中的任何一个设备只要在它的通信范围内，就可以和其他设备进行通信。对等网络拓扑结构可以形成更加复杂的网络结构，如网状网。对等网拓扑结构主要应用于工业控制和检测、无线传感网络、物资跟踪、农业智能化及安全等领域。

与IEEE 802系列无线标准中的其他标准类似，IEEE 802.15.4仅定义了物理层和MAC层的规范。根据标准的定义，物理层实现了如下功能：信道进行能量检测（Energy Detec-ted）、对收到的包进行链路质量指示（Link Quality Indication，LQI）、接收发送数据、空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA）等。

1）信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。

2）链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量的信息。与信道能量检测不同的是，它要对信号解码，生成的是一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。

3）空闲信道评估判断信道是否空闲。IEEE 802.15.4定义了三种空闲信道评估模式：第一种，简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某个值就认为信道空闲；第二种，判断无线信号的特征，这个特征主要包括两个方面，即扩频信号和载波频率；第三种是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。

IEEE 802.15.4标准中给出了两种物理层定义：

1）低频段，868.0～868.6MHz（欧洲），902～928MHz（美洲大部分和太平洋地区）。

2）高频段，2.400～2.485GHz（全世界范围）。

信道号及其中心频率的定义如下：

F_c=868.3MHz，k=0

F_c=906+2（k-1）MHz，k=1，2，…，9，10

F_c=2405+5（k-11）MHz，k=11，12，…，25，26

式中　k——信道编号。

根据标准的定义，MAC层完成如下六个方面的功能：协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；支持PAN的关联（Association）和取消关联（Dis-association）操作；支持无线信道通信安全；使用CSMA-CA机制共享物理信道；支持时隙保障（Guaranteed Time Slot，GTS）与机制；为两个对等的MAC实体提供可靠的数据链路。

MAC层帧结构的设计目标是用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。每个MAC子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。帧尾是帧头和负载数据的16bit CRC校验序列。