IEEE 802.15.4

IEEE802.15.4標準旨在提供一種無線個域網（WPAN）的基本較低網絡層，其專注於設備之間的低成本，低速無處不在的通信。它可以與其他方法形成對比，例如Wi-Fi，它提供更多帶寬並需要更多功率。重點是附近設備的低成本通信，幾乎沒有底層基礎設施，打算利用它來進一步降低功耗。

基本框架設計了10米通信範圍，傳輸速率為250 kbit / s。通過定義不是一個物理層而是幾個物理層，可以通過權衡來支持具有更低功率要求的更多基礎嵌入式設備。最初定義了20和40 kbit / s的較低傳輸速率，在當前版本中添加了100 kbit / s速率。

可以考慮更低的速率，從而對功耗產生影響。如前所述，WPAN中IEEE 802.15.4的主要識別特徵是在不犧牲靈活性或通用性的情況下實現極低的製造和運營成本以及技術簡單性的重要性。

重要功能包括預留保證時隙（GTS）的實時適用性，通過CSMA / CA實現的衝突避免以及對安全通信的集成支持。設備還包括電源管理功能，如鏈路質量和能量檢測。該標準確實有支持時間和速率敏感應用的規定，因為它能夠在純CSMA / CA或TDMA接入模式下運行。通過標準的GTS功能支持TDMA操作模式。

符合IEEE 802.15.4的設備可以使用三個可能的頻帶之一進行操作（868/915/2450 MHz）。

（1）支持星型和點對點兩種網絡拓撲結構；

（2）有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴展地址；

（3）支持衝突避免的載波多路偵聽技術（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）；

（4）支持確認（ACK）機制，保證傳輸可靠性。

IEEE 802.15.4網絡是指在一個POS內使用相同無線信道並通過IEEE 802.15.4標準相互通信的一組設備的集合，又名LR-WPAN網絡。在這個網絡中，根據設備所具有的通信能力，可以分為全功能設備（Full Function Device , FFD）和精簡功能設備（Reduced Function Device , RFD）。FFD設備之間以及FFD設備與RFD設備之間都可以通信。RFD設備之間不能直接通信，只能與FFD設備通信，或者通過一個FFD設備向外轉發數據。這個與RFD相關聯的FFD設備稱為該RFD的協調器（coordinator）。RFD設備主要用於簡單的控制應用，如燈的開關、被動式紅外線傳感器等，傳輸的數據量較少，對傳輸資源和通信資源佔用不多，這樣RFD設備可以採用非常廉價的實現方案。

IEEE 802.15.4網絡中，有一個稱為PAN網絡協調器（PAN coordinator）的FFD設備，是LR-WPAN網絡中的主控制器。PAN網絡協調器（以後簡稱網絡協調器）除了直接參與應用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等任務 ^[1]  。

無線通信信道的特徵是動態變化的。節點位置或天線方向的微小改變、物體移動等周圍環境的變化都有可能引起通信鏈路信號強度和質量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋範圍不是確定的。這就造成了LR-WPAN網絡中設備的數量以及它們之間關係的動態變化。

IEEE 802.15.4網絡根據應用的需要可以組織成星型網絡，也可以組織成點對點網絡。在星型結構中，所有設備都與中心設備PAN網絡協調器通信。在這種網絡中，網絡協調器一般使用持續電力系統供電，而其他設備採用電池供電。星型網絡適合家庭自動化、個人計算機的外設以及個人健康護理等小範圍的室內應用。

與星型網不同，點對點網絡只要彼此都在對方的無線輻射範圍之內，任何兩個設備之都可以直接通信。點對點網絡中也需要網絡協調器，負責實現管理鏈路狀態信息，認證設備身份等功能。點對點網絡模式可以支持ad hoc網絡允許通過多跳路由的方式在網絡中傳輸數據。不過一般認為自組織問題由網絡層來解決，不在IEEE 802.15.4標準討論範圍之內。點對點網絡可以構造更復雜的網絡結構，適合於設備分佈範圍廣的應用，比如在工業檢測與控制、貨物庫存跟蹤和智能農業等方面有非常好的應用背景。

網絡拓撲的形成過程

雖然網絡拓撲結構的形成過程屬於網絡層的功能，但IEEE 802.15.4為形成各種網絡拓撲結構提供了充分支持。這部分主要討論IEEE 802.15.4對形成網絡拓撲結構提供的支持，並詳細地描述了星型網絡和點對點網絡的形成過程。

1、星型網絡形成

星型網絡以網絡協調器為中心，所有設備只能與網絡協調器進行通信，因此在星型網絡的形成過程中，第一步就是建立網絡協調器。任何一個FFD設備都有成為網絡協調器的可能，一個網絡如何確定自己的網絡協調器由上層協議決定。一種簡單的策略是：一個FFD設備在第一次被激活後，首先廣播查詢網絡協調器的請求，如果接收到迴應説明網絡中已經存在網絡協調器，再通過一系列認證過程，設備就成為了這個網絡中的普通設備。如果沒有收到迴應，或者認證過程不成功，這個FFD設備就可以建立自己的網絡，並且成為這個網絡的網絡協調器。當然，這裏還存在一些更深入的問題，一個是網絡協調器過期問題，如原有的網絡協調器損壞或者能量耗盡；另一個是偶然因素造成多個網絡協調器競爭問題，如移動物體阻擋導致一個FFD自己建立網絡，當移動物體離開的時候，網絡中將出現多個協調器。

網絡協調器要為網絡選擇一個惟一的標識符，所有該星型網絡中的設備都是用這個標識符來規定自己的屬主關係。不同星型網絡之間的設備通過設置專門的網關完成相互通信。選擇一個標識符後，網絡協調器就允許其他設備加入自己的網絡，併為這些設備轉發數據分組。

星型網絡中的兩個設備如果需要互相通信，都是先把各自的數據包發送給網絡協調器，然後由網絡協調器轉發給對方。

2、點對點網絡的形成

點對點網絡中，任意兩個設備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進行直接通信，不需要其他設備的轉發。但點對點網絡中仍然需要一個網絡協調器，不過該協調器的功能不再是為其他設備轉發數據，而是完成設備註冊和訪問控制等基本的網絡管理功能。網絡協調器的產生同樣由上層協議規定，比如把某個信道上第一個開始通信的設備作為該信道上的網絡協議器。簇樹網絡是點對點網絡的一個例子，下面以簇樹網絡為例描述點到點網絡的形成過程.

在簇樹網絡中，絕大多數設備是FFD設備，而RFD設備總是作為簇樹的葉設備連接到網絡中。任意一個FFD都可以充當RFD協調器或者網絡協調器，為其他設備提供同步信息。在這些協調器中，只有一個可以充當整個點對點網絡的網絡協調器。網絡協調器可能和網絡中其他設備一樣，也可能擁有比其他設備更多的計算資源和能量資源。網絡協調器首先將自己設為簇頭（cluster header ,CLH），並將簇標識符（cluster identifier, CID）設置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網絡標識符，形成網絡中的第一個簇。接着，網絡協調器開始廣播信標幀。鄰近設備收到信標幀後，就可以申請加入該簇。設備可否成為簇成員，由網絡協調器決定。如果請求被允許，則該設備將作為簇的子設備加入網絡協調器的鄰居列表。新加入的設備會將簇頭作為它的父設備加入到自己的鄰居列表中。

上面討論的只是一個由單簇構成的最簡單的簇樹。PAN網絡協調器可以指定另一個設備成為鄰接的新簇頭，以此形成更多的簇。新簇頭同樣可以選擇其他設備成為簇頭，進一步擴大網絡的覆蓋範圍。但是過多的簇頭會增加簇間消息傳遞的延遲和通信開銷。為了減少延遲和通信開銷，簇頭可以選擇最遠的通信設備作為相鄰簇的簇頭，這樣可以最大限度地縮小不同簇間消息傳遞的跳數，達到減少延遲和開銷的目的。

IEEE 802.15.4網絡協議棧基於開放系統互連模型（OSI），每一層都實現一部分通信功能，並向高層提供服務。

IEEE 802.15.4標準只定義了PHY層和數據鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發器以及底層的控制模塊構成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。

IEEE 802.15.4是ZigBee，WirelessHART，MiWi等規範的基礎，描述了低速率無線個人局域網的物理層和媒體接入控制協議，屬於IEEE 802.15工作組。在868/915M、2.4GHz的ISM頻段上，數據傳輸速率最高可達250kbps。其低功耗、低成本的優點使它在很多領域獲得了廣泛的應用。在打包提供的免費協議棧代碼中，TI公司的協議棧部分以庫的形式提供，限制了其應用範圍即只能應用於其公司所生產的單片機芯片上，不方便擴展、修改；而Microchip儘管提供了源代碼，但在編程風格、多任務操作系統上運行考慮欠周。鑑於此，設計實現結構清晰、層次分明、移植方便、能運行在多任務環境上的IEEE802.15.4協議代碼，可為架構上層協議及應用擴展建立良好的基礎。

IEEE 802.15.4協議棧

設備被設想為通過概念上簡單的無線網絡彼此交互。網絡層的定義基於OSI模型;儘管在標準中僅定義了較低層，但是可能使用通過匯聚子層訪問MAC的IEEE 802.2邏輯鏈路控制子層來與上層進行交互。實現可能依賴於外部設備或純粹嵌入式自我功能設備。

物理層是全球使用的OSI參考模型中的初始層。物理層（PHY）最終提供數據傳輸服務，以及物理層管理實體的接口，物理層管理實體提供對每個層管理功能的訪問，並維護相關個人區域網絡上的信息數據庫。因此，PHY管理物理RF收發器並執行信道選擇以及能量和信號管理功能。它在三種可能的未許可頻段之一上運行：

該標準的原始2003版本規定了基於直接序列擴頻（DSSS）技術的兩個物理層：一個工作在868/915 MHz頻段，傳輸速率為20和40 kbit / s，一個工作在2450 MHz頻段速率為250 kbit / s。

2006年的修訂版提高了868/915 MHz頻段的最大數據速率，使它們也能支持100和250 kbit / s。此外，它依賴於所使用的調製方法來定義四個物理層。其中三個保留DSSS方法：在868/915 MHz頻段，使用二進制或偏移正交相移鍵控（第二個是可選的）;在2450 MHz頻段，使用後者。使用二進制鍵控和幅移鍵控（因此基於並行，非順序擴頻，PSSS）的組合來定義備選的可選868 / 915MHz層。可以在支持的868/915 MHz PHY之間進行動態切換。

除了這三個頻段之外，IEEE 802.15.4c研究組還考慮了中國新開通的314-316 MHz，430-434 MHz和779-787 MHz頻段，而IEEE 802.15任務組4d則對802.15.4-進行了修訂。 2006年支持日本新的950-956 MHz頻段。這些小組的第一次標準修訂於2009年4月發佈。

2007年8月，IEEE 802.15.4a發佈，將2006年早期版本中可用的4種PHY擴展到6種，包括一種使用直接序列超寬帶（UWB）的PHY和另一種使用啁啾擴頻（CSS）的PHY。UWB PHY分配的頻率分為三個範圍：1 GHz以下，3 GHz和5 GHz之間，以及6到10 GHz之間。CSS PHY在2450 MHz ISM頻段中分配頻譜。

2009年4月，IEEE 802.15.4c和IEEE 802.15.4d被髮布，擴展了可用的PHY，增加了幾個PHY：一個用於使用O-QPSK或MPSK的780 MHz頻段，另一個用於使用GFSK或BPSK的950 MHz。

IEEE 802.15.4e被特許定義了對現有標準802.15.4-2006的MAC修正，該標準採用信道跳變策略來改善對工業市場的支持，增強對外部干擾的魯棒性和持久的多徑衰落。2012年2月6日，IEEE標準協會理事會批准了IEEE 802.15.4e，其結束了所有任務組4e的工作。

媒體訪問控制（MAC）通過使用物理信道實現MAC幀的傳輸。除了數據服務，它還提供管理界面，並自身管理對物理信道和網絡信標的訪問。它還控制幀驗證，保證時隙並處理節點關聯。最後，它提供了安全服務的掛鈎點。

請注意，IEEE 802.15標準不使用802.1D或802.1Q，即它不交換標準以太網幀。物理幀格式在IEEE802.15.4-2011的5.2節中規定。它適用於大多數IEEE 802.15.4 PHY僅支持高達127字節的幀的事實（適應層協議，例如6LoWPAN，提供支持更大網絡層數據包的分段方案）。

標準中沒有定義更高級別的層和互操作性子層。其他規格 - 如ZigBee，SNAP和6LoWPAN/Thread- 建立在此標準之上。RIOT，OpenWSN，TinyOS，Unison RTOS，DSPnano RTOS，nanoQplus，Contiki和Zephyr操作系統也使用一些IEEE 802.15.4硬件和軟件。

該標準定義了兩種類型的網絡節點。

第一個是全功能設備（FFD）。它可以作為個人區域網絡的協調者，就像它可以作為公共節點一樣。它實現了一種通信模型，允許它與任何其他設備通信：它還可以中繼消息，在這種情況下，它被稱為協調器（PAN協調器，當它負責整個網絡時）。

另一方面，存在功能降低的設備（RFD）。這些是非常簡單的設備，具有非常適度的資源和通信要求;因此，他們只能與FFD溝通，永遠不能充當協調員。

IEEE 802.15.4明星和點對點

IEEE 802.15.4集羣樹

網絡可以構建為點對點網絡或星形網絡。但是，每個網絡至少需要一個FFD才能充當網絡的協調者。因此，網絡由分開適當距離的設備組形成。每個設備都有一個唯一的64位標識符，如果滿足某些條件，則可以在受限制的環境中使用短16位標識符。即，在每個PAN域內，通信可能使用短標識符。

點對點（或點對點）網絡可以形成任意的連接模式，並且它們的擴展僅受每對節點之間的距離的限制。它們旨在作為能夠執行自我管理和組織的臨時網絡的基礎。由於標準沒有定義網絡層，因此不直接支持路由，但是這樣的附加層可以增加對多跳通信的支持。可以添加進一步的拓撲限制;該標準提到了集羣樹作為一種結構，該結構利用RFD一次只能與一個FFD相關聯以形成RFD僅為樹的葉子的網絡的事實，並且大多數節點是FFD。除了全局協調器之外，該結構可以擴展為通用網狀網絡，其節點是具有每個集羣的本地協調器的集羣樹網絡。

還支持更結構化的星型模式，其中網絡的協調器必然是中心節點。在選擇唯一的PAN標識符之後，當FFD決定創建其自己的PAN並聲明自己的協調器時，這樣的網絡可以發起。之後，其他設備可以加入網絡，該網絡完全獨立於所有其他星形網絡。

幀是數據傳輸的基本單元，其中有四種基本類型（數據，確認，信標和MAC命令幀），它們在簡單性和魯棒性之間提供了合理的權衡。另外，可以使用由協調器定義的超幀結構，在這種情況下，兩個信標充當其限制並提供與其他設備的同步以及配置信息。超幀由16個相等長度的時隙組成，可以進一步劃分為活動部分和非活動部分，在此期間協調器可以進入省電模式，而不需要控制其網絡。

在超幀內，爭用發生在它們的限制之間，並由CSMA / CA解決。每次傳輸必須在第二個信標到達之前結束。如前所述，具有明確定義的帶寬需求的應用程序最多可以使用一個或多個無爭用保證時隙的七個域，這些域位於超幀的末尾。超幀的第一部分必須足以為網絡結構及其設備提供服務。超幀通常在低延遲設備的環境中使用，即使長時間不活動，也必須保持其關聯。

向協調器的數據傳輸需要信標同步階段（如果適用），然後是CSMA / CA傳輸（如果正在使用超幀，則通過時隙）;確認是可選的。來自協調器的數據傳輸通常遵循設備請求：如果正在使用信標，則這些信號用於發出請求信號;協調器確認該請求，然後以設備確認的數據包發送數據。當超幀不使用時也是如此，只有在這種情況下，沒有信標可以跟蹤待處理的消息。

點對點網絡可以使用未經過時隙的CSMA / CA或同步機制;在這種情況下，任何兩個設備之間的通信都是可能的，而在“結構化”模式中，其中一個設備必須是網絡協調器。

通常，所有實施的程序都遵循典型的請求 - 確認/指示 - 響應分類。

通過CSMA / CA協議訪問物理介質。不使用信標機制的網絡利用基於媒體監聽的非時隙變化，由隨機指數退避算法利用;致謝不遵守這一規定。當信標正在使用時，通用數據傳輸利用未分配的時隙;再次，確認不遵循相同的過程。

在某些情況下，確認消息可以是可選的，在這種情況下，可以做出成功的假設。無論如何，如果設備無法在給定時間處理幀，則它根本不確認其接收：基於超時的重傳可以執行多次，之後決定是否中止或繼續嘗試。

由於這些設備的預測環境要求電池壽命最大化，因此協議傾向於採用導致它的方法，實施對未決消息的定期檢查，其頻率取決於應用需求。

關於安全通信，MAC子層提供可由上層利用的設施，以實現期望的安全級別。高層進程可以指定密鑰來執行對稱加密以保護有效載荷並將其限制為一組設備或僅限於點對點鏈路;可以在訪問控制列表中指定這些設備組。此外，MAC計算連續接收之間的新鮮度檢查，以確保可能的舊幀或不再被認為有效的數據不會超越更高層。

除了這種安全模式之外，還有另一種不安全的MAC模式，它允許訪問控制列表僅作為根據它們（假定的）源決定接受幀的手段。