无线传感器网络标准化与协议

1、无线传感器网络标准化石协议无线网络作为一门面向应用的研究领域，在近几年获得了飞速发展。在关键技术的研发方面，学术界从网络协议、数据融合、测试测量、操作系 统、服务质量、节点定位、时间同步等方面开展了大量研究，取得丰硕的 成果；工业界也在环境监测、军事目标跟踪、智能家居、自动抄表、灯光 控制、建筑物健康监测、电力线监控等领域进行应用探索。随着应用的推 广，无线传感器网络技术开始暴露出越来越多的问题。不同厂商的设备需 要实现互联互通，且要避免与现行系统的相互干扰，因此要求不同的芯片 厂商、方案提供商、产品提供商及关联设备提供商达成一定的默契，齐心 协力实现目标。这就是无线传感器网络标准化工作的背景

2、。实际上，由于 标准化工作关系到多方的经济利益甚至社会利益，往往受到相关行业的普 遍重视，如何协调好各方利益，达成共识，需要参与各方拥有足够的理解 和耐心。到目前为止，无线传感器网络的标准化工作受到了许多国家及国际标准 组织的普遍关注，已经完成了一系列草案甚至标准规范的制定。其中最出 名的就是IEEE 802. 15. 4/zigbee规范，它甚至已经被一部分研究及产 业界人士视为标准。IEEE 802. 15. 4定义了短距离无线通信的物理层及链 路层规范，zigbee则定义了网络互联、 传输和应用规范。 尽管IEEE802. 15.4 和zigbee协议已经推出多年，但随着应用的推广和产业

3、的发展，具基本协 议内容已经不能完全适应需求，加上该协议仅定义了联网通信的内容，没 有对传感器部件提出标准的协议接口，所以难以承载无线传感器网络技术 的梦想与使命；另外，该标准在落地不同国家时，也必然要受到该国家地 区现行标准的约束。为此，人们开始以IEEE 802 .15. 4/zigbee协议为基础，推出更多版本以适应不同应用、不同国家和地区。尽管存在不完善之处，IEEE 802. 15. 4/zigbee仍然是目前产业界发 展无线传感网技术当仁不让的最佳组合。本文将重点介绍IEEE 802. 15. 4/zigbee协议规范，并适当顾及传感网技术关注的其他相关标准。当然, 无线传感器网络

4、的标准化工作任重道远：首先，无线传感网络毕竟还是一 个新兴领域，具研究及应用都还显得相当年轻，产业的需求还不明朗；其 次，IEEE 802 . 15/zigbee并非针对无线传感网量身定制，在无线传感网 环境下使用有些问题需要进一步解决；另外，专门针对无线传感网技术的 国际标准化工作还刚刚开始，国内的标准化工作组也还刚刚成立。为此， 我们要为标准化工作的顺利完成做好充分的准备。1. PHY/MAC层标准无线传感器网络的底层标准一般沿用了无线个域网(IEEE 802. 15)的相关标准部分。无线个域网( Wireless Personal Area Network , WPAN 的出现比传感器网

5、络要早，通常定义为提供个人及消费类电子设备之间进行互联的无线短距离专用网络。无线个域网专注于便携式移动设备(如：个人电脑、外围设备、 PDA手机、数码产品等消费类电子设备)之间的双 向通信技术问题，其典型覆盖范围一般在10米以内。IEEE 802. 15工作组就是为完成这一使命而专门设置的，且已经完成一系列相关标准的制定工 作，其中就包括了被广泛用于传感器网络的底层标准IEEE 802 . 15. 4。(1) IEEE 802 . 15. 4b 规范IEEE 802. 15. 4标准主要针对低速无线个域网(Low Rate WirelessPersonal Area Network , LRW

6、PAN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低速互联提供统一接口。由于 IEEE 802. 15. 4 定义的LR- WPA丽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. 4标准定义了物理层和介质访问控制子层，符合开放系 统互连模型(OSI)。物理层包括射频收发器和底层控制模块，介质访问控 制子层为高层提供了访问物理信道的服务接口。图1给出了 IEEE 802. 15. 4层与层之间的关系以及IEEE 802. 15.

7、4/zigbee的协议架构。图L BEE 80L15及以山“协议程界构 53C5I 业哥相关聚合子联 Service Specific Convers3fatorSP1111mmACC.UAFLSPI .I2C.Ti时VATADCS WART,. Jir k r/ i / j, J r f、IEEE 1451 . 5 标准除了以上两种通用规范以外，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IEEE1451 . 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 SP1

8、0O,有很多中国工业及学术界同仁努力参与了该标准的制定工作。IEEE1451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 Interface M

9、odule ,STIM),其中包括变送器和电子数据表格 TEDS IEEE1451工作组先后提出 了五项标准提案(IEEE1451 . 1 IEEE1451 . 5),分别针对了不同的工业 应用现场需求，其中IEEE1451 . 5为无线传感通信接口标准。IEEE1451. 5标准提案于 2001年6月最新推出，在已有的 IEEE1451柜 架下提出了一个开放的标准无线传感器接口，以满足工业自动化等不同应 用领域的需求。IEEE1451 . 5尽量使用无线的传输介质，描述了智能传感器 与网络适配器模块之间的无线连接规范，而不是网络适配器模块与网络之 间的无线连接，实现了网络适配器模块与智能传感

10、器的IEEE 802 .11、Bluetooth 、zigbee无线接口之间的互操作性。IEEE1451 . 5提案的工作重点在于制定无线数据通信过程中的通信数据模型和通信控制模型。IEEE1451 . 5建议标准必须对数据模型进行具有一般性的扩展以允许多种无 线通信技术可以使用，主要包括两方面：一是为变送器通信定义一个通用 的服务质量(QOS机制，能够对任何无线电技术进行映射服务，另外对每 一种无线射频技术都有一个映射层用来把无线发送具体配置参数映射到服 务质量机制中。关于该标准具体内容，这里就不再详细讨论了。. 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，6LowP

11、an (IPv6over 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用的开放协议主要指前面提到的IEEE802. 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 (IETF, Internet Engineering Task Force ,)成立了专门的工作组制定如

12、何在 802. 15. 4协议上发送和接收IPv6报文等相关技术标准。在802. 15. 4上选择传输IPv6报文主要是因为现有成熟的IPv6技术可以很好地满足 LowPan互联层的一些要求。首先在LowPan网络里面很多设备需要无状态自动配置技术，在IPv6邻居发现(Neighbor Discovery )协议里基于主机的多样性已经提供了两种自动配置技术：有状态自动配置 与无状态自动配置。另外在LowPan网络中可能存在大量的设备，需要很大的IP地址空间，这个问题对于有着128位IP地址的IPv6协议不是问题；其次在包长受限的情况下，可以选择IPv6的地址包含802. 15. 4介质访问控制

13、层地址。IPv6与802. 15. 4协议的设计初衷是应用于两个完全不同的网络，这 导致了直接在802. 15. 4上传输IPv6报文会有很多的问题。首先两个协 议的报文长度不兼容，IPv6报文允许的最大报文长度是1280字节，而在802. 15. 4的介质访问控制层最大报文长度是127字节。由于本身的地址域信息(甚至还需要留一些字节给安全设置)占用了25个字节，留给上层的负载域最多102个字节，显然无法直接承载来自IPv6网络的数据包；其次两者采用的地址机制不相同，IPv6采用分层的聚类地址，由多段具有特定含义的地址段前缀与主机号构成；而在802. 15. 4中直接采用64位或16位的扁平地

14、址；另外，两者设备的协议设计要求不同，在 IPv6的协议设 计时没有考虑节省能耗问题。而在802. 15. 4很多设备都是电池供电，能量有限，需要尽量减少数据通信量和通信距离，以延长网络寿命；最后， 两个网络协议的优化目标不同，在IPv6中一般关心如何快速地实现报文转发问题，而在802. 15. 4中，如何在节省设备能量的情况下实现可靠的通 信是其核心目标。总之，由于两个协议的设计出发点不同，要 IEEE802. 15. 4支持IPv6 数据包的传输还存在很多技术问题需要解决，如报文分片与重组、报头压 缩、地址配置、映射与管理、网状路由转发、邻居发现等，在这里就不再 一一讨论了。.国内标准化及

15、国际化近几年来，国内无线传感器网络领域的标准化工作在全国信息技术标准 化技术委员会（简称信标委）推动下，取得了较大进展。信标委经过一年 多的酝酿，于2005年11月29日组织国内及海外华人专家，在中国电子技 术标准化研究所召开了第一次“无线个域网技术标准研讨会”，讨论了无 线个域网标准进展状况、市场分析及标准制定等事宜，会议建议将无线传 感器网络纳入无线个域网范畴，并成立了专门的兴趣小组（另外还有低速 无线个域网、超宽带等兴趣小组），自此中国无线传感器网络标准化工作 迈出了第一步。工作组经过国内三十多个科研及产业实体近两年的共同努力，先后组织了八次全国范围的技术研讨会，提出了低速无线个域网使用

16、的780MHz（779-787 MHz）专用频段及相关技术标准，获得国家无管委的正式批准（日 本使用950MHz美国使用915MHz 。针对该频段，工作组提出了拥有自主 产权的MPSK调制编码技术，摆脱了国外同类技术的专利束缚。2008年3月3日到4日，工作组对信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网特定要求第15. 4部分：低速率无线个域网（ WPAN物理层和媒体访问控制层规范意见函进行了投票，并通过了 780MHZT作频段采用MPSK 和O QPSK调制编码技术提案作为低速率无线个域网共同可选（Coalternative ）的物理层技术规范（MPS陆口 O- QPS6别由中国和美国相

17、关 团体提出，并各自拥有知识产权），即LR WPANT以采用 MPS陆口 OQPSK其中之一，或共同使用，并最终将形成 IEEE 802 . 15. 4c标准。另外，由 中国及华人专家主要负责起草的包括了MAC/ PHY两层协议的IEEE802. 15. 4e也在顺利推进中（在 IEEE 802 . 15. 42006介质访问控制 中加入工业无线标准支持 ISA SP- 100. 11a,并兼容IEEE 802. 15. 4c）。 这是国内标准化工作的一个重要进展，也是我国参与国际标准制定的重要 一步。计算所是这个工作组的正式会员单位之一，参与了其中的一些工作。最近，国内及国际无线传感器网络的

18、标准化工作又取得了新的发展。首先，国标委已正式批复无线传感器网络从无线个域网工作组中分离出来， 成立了直属于全国信息技术标准化管理委员会的无线传感器网络标准工作 组（秘书处现挂靠微系统所，计算所作为其成员单位之一，将致力于该标 准的制定工作）。工作组预计于2008年4月10日左右完成筹备工作，这标志着传感器网络的标准化工作向前迈进了一大步；其次，国际标准化组 织也成立了 ISO/IEC JTC1/SGSNPF究小组，开始了传感器网络相关国际 标准的制定。中国和美国、韩国、日本等国家一起作为重要成员单位参与 其中。其第一次会议也将于2008年6月底在中国上海隆重召开。会议不但有国内外相关领域专家对其中若干关键问题展开技术讨论，也会有众多从 事传感器网络应用的企业携最新产品参加展览。与此同时，各会员国将对 传感器网络标准框架开展深入探讨，为标准草案的详细设计奠定基础。标准是连接科研和产业的纽带，而芯片正是标准的最直接的实现形式。 参与标准化工作，特别是参与国际标准的制定，对提升我国产品的竞争力 和技术水平，占领行业制高点，有着举足轻重的作用。制定标准的最终目 的还是为提升产业水平、满足产品国际化、保