IEEE 802.15.4关键技术及标准进展
杜加懂
【摘 要】无线个人区域网络（WPAN）把几米范围内的多个设备通过无线的方式连接在一起,使它们可以相互通信。IEEE 802.15工作组致力于WPAN的网络的物理层和媒体访问层的标准化工作。而802.15.4主要对低速WPAN相关技术进行研究和标准化工作。本文在对802.15工作组介绍的基础上,重点介绍802.15.4工作组研究的相关技术和及其标准化情况。%WPAN（Wireless Personal Area network） makes the devices within a few meters connected together via wireless,so that they can communicate with each other.IEEE 802.15 WPAN Working Group is responsible for the standardization of the physical layer and media access layer.IEEE 802.15.4 work group mainly study thephy and mac layers technologies of the low-speed.In this article, we introduce 802.15 working group in first,and then introduce the 802.15.4 work group and related technologies. 【期刊名称】《现代电信科技》 【年(卷),期】2011(041)010 【总页数】5页(P48-52)
【关键词】WPAN;IEEE;802.15;IEEE;802.15.4 【作 者】杜加懂
【作者单位】工信部电信研究院通信标准所
【正文语种】中 文 【中图分类】TN925.93
1 IEEE 802.15工作组概述
1998年，IEEE 802.15（以下简称 802.15）工作组成立,专门从事无线个人局域网（WPAN）标准化工作。它的任务是开发一个适用于短距离无线通信的标准。 802.15 工作组内有 7个任务组（TG：Task Force），分别制订适合不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。 （1）TG1：蓝牙 WPAN组
该工作组负责制订802.15.1标准，即蓝牙无线通信标准。该标准主要定义了底层的无线传输层规范协议，具体包括逻辑链路控制（LLC）和适应协议（L2CAP），链路管理协议（LMP）以及射频（PF）等技术。标准适用于手机、PDA等设备的中等速率、短距离通信。 （2）TG2：共存组
该工作组负责制订802.15.2标准，目标是解决WLAN网络和WPAN网络共存问题，主要对802.15.1标准与802.11标准的共存机制进行研究。 （3）TG3：高速率无线个域网组
该工作组负责制订802.15.3标准。它的研究目标是实现个域网中多媒体方面高速率、近距离通信。它主要采用超宽带（UWB）技术，实现在2.4GHz频带上，数据最大以55Mbit/s的速率在10 m以内传输。该工作组下面下设3个子工作组，其中TG3a工作组处于withdraw状态；TG3b工作组主要是对802.25.3-2003进行MAC层增强，改进MAC的实现和互操作性，目前该组已经发布802.15.3b-2005标准；TG3c工作组主要对802.25.3-2003的物理层进行了扩充，规定了一
种物理层可选的毫米波规范，工作在豁免频段57 GHz-GHz，速率可达1Gbit/s，目前该组已经发布802.15.3c-2009标准。 （4）TG4：低速无线个域网组
该工作组负责制订802.15.4标准。主要研究低速WPAN物理层和MAC技术。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互联提供统一标准。本文将在下面详细介绍其主要技术和标准进展情况。
（5）TG5：MESH 网络组
该工作组负责制订802.15.5标准，研究WPAN的无线网状网（MESH）组网。该标准旨在研究提供MESH组网的WPAN的物理层与MAC层的必要的机制。在本标准中，MESH网络有两种组网方式：全网状拓扑和部分网状拓扑。在全网状拓扑结构中，每一个节点直接与其他任何一个节点相连；在部分网状拓扑结构中，只有部分节点与其他所有节点相连，而其他节点则只是与交换较多数据的节点相连。802.15.5标准主要涉及的问题包括：碰撞避免的信标调度策略、路由算法、分布式安全问题、能效操作模式、对于网状节点和网状PAN移动性的支持等。 （6）TG6：无线体域网组
该工作组负责制订802.15.6标准。主要针对医疗、消费电子等人体通信环境制定底层无线标准协议。应用在人体外近距离范围或者人体内，支持高可靠性、低功耗、高数据速率和低干扰的应用场景需求，数据速率10 Mbit/s，面向娱乐和医疗业务。 （7）TG7：可见光通信工作组
该工作组负责制订802.15.6标准。主要对可见光通信的物理层和MAC层进行标准化工作。
280 2.15.4技术分析
802.1 5.4主要对低速无线个域网的底层无线通信协议进行研究和标准化，具体来
说主要集中在对物理层和MAC层的技术和相关机制的研究上。随着物联网的发展，要求感知设备具有低功耗、低成本、安全性等特点，以满足大规模部署的需要，而802.15.4恰恰满足了这一需求，因此近年来迅速得到业界的关注。下面对802.15.4的主要技术特点进行简单的介绍。 2.1 安全性技术
为了保障数据在传输过程中的安全以及保证数据不被重复接收和伪造，802.15.4-2006中提供以下三种机制来保证数据的安全性。
·数据加密：保证数据在传输过程中的安全，避免数据被恶意攻击者得到。 ·数据完整性保护：保证数据在传输的过程中不被恶意第三方修改。 ·重放保护：用于检测信息是否被重复收到，如果重复收到，则进行丢弃。 802.1 5.4-2006中安全保护分为四种不同方式。 ·第一种方式：不提供安全保护； ·第二种方式：只提供数据加密保护； ·第三种方式：只进行数据完整性保护；
·第四种方式：同时提供数据加密和数据完整性保护。
数据加密和数据完整性保护主要通过AES算法的CCM*模式来实现。AES算法是美国标准与技术研究院制定的新的高级加密算法，用来代替以前的DES算法，为对称密匙加密中最流行的算法。它具有多种不同的模式，下面介绍以下这几种模式。 （1）CBC-MAC模式：CBC-MAC称为 AES加密分组链信息鉴别码，主要完成完整性保护。它主要通过块加密，计算报文，生成完整性编码，产生MAC值。 （2）计数器CTR模式：计数模式（CTR模式）主要用于对数据进行加密。它是对一系列输入数据块（称为计数）进行加密，产生一系列的输出块，输出块与明文异或得到密文。
（3）CCM 模 式 ：AES-CCM （AES-CTR 和CBC-MAC的缩写），CCM模式同
时具有加密和完整性服务，其中加密服务有计数器模式CTR提供，而完整性服务有CBC-MAC算法提供，结合了CBC和计数器模型两者的优点。
（4）CCM*模式：CCM*为CCM模式的扩展，包括了所有CCM的功能，同时考虑到CCM只能同时进行加密和完整性保护，因此CCM*对此进行了扩展，能提供只加密和只保证完整性的功能，增加了算法的灵活性。这也是为什么在802.15.4-2003中安全性保护提供CBC-MAC/CTR/CCM三种AES模式，而在802.15.4-2006只需要使用CCM*一种模式，主要是因为CCM*已经能够实现CBC/CTR/CCM三种模式的功能合集。
在802.15.4-2006中MAC层根据上层提供的数据加密操作信息对数据进行相应的操作，通过CCM*实现对数据的加密和完整性保护；而重放保护是则通过在安全头域中的frame counter字段进行保护，在每发送一个加密数据包时，frame counter字段值就加一。 2.2 低功耗技术
802.1 5.4设备通常被称为低功耗设备，那么它如何实现其设备的低功耗，下面我们来介绍一下802.15.4-2006实现设备低功耗的几种方式。
（1）802.15.4覆盖范围较小，主要提供短距离通信，一般通信范围为几米到几十米，所以需要的发射功率较小。因为发射功率随着距离的增加呈指数级增长，而发射功率是整个无线节点耗电量最大的部分，所以发射功率低从根本上决定了802.15.4是一个低功耗协议。
802.1 5.4的发射功率一般建议在-3d bm-10 dbm之间。实际发射功率的使用一方面要看设备的覆盖范围；另外一方面还要符合当地无线电管理规定。
（2）MAC层中采用超帧。802.15.4中引入了超帧的概念，超帧的引入能够使设备的功耗进一步降低，具体原因在于：超帧将设备的发射时间分为了active阶段和inactive阶段，两个阶段的持续时间由参数BO（beacon order）和 SO
（superframe order）来决定；在inactive阶段，节点设备可以根据自身情况关闭发射和接受设备，直到下一个active阶段到来再打开收发设备，这样就减少了收发设备的活动时间从而大大的减少了设备的功耗。
在超帧中，PAN协调器节点首先发出一个信标帧，在信标帧中，会告诉其他节点协调器节点是否有数据待发送、CAP和GTP时间分配以及哪些节点分配了GTP时隙等。根据信标帧中的信息，节点可以根据自身的情况打开或关闭收发信机。例如，如果节点从信标帧中得到节点协调器无数据发送给节点，也没有给其分配GTP时隙且节点本身又无数据发送，这时节点就可以关闭自己的收发信机，进入休眠状态。
在超帧的CAP阶段采用基于时隙的CSMA-CA竞争机制，当节点竞争失败后，需要回退一段时间，在这段时间内，阶段无需发送或监听信道，这样就节省了节点的功率。
（3）802.15.4主要提供低速率的数据传输，同时传输数据量也比较少，因此收发时间较短，这样也决定节点的低功耗。 2.3 抗干扰技术
由于802.15.4工作在ISM频段，尤其是在2.4GHz，将与WiFi、蓝牙等工作在相同的频段，故需要考虑抗干扰特性，以保证通信质量。802.15.4-2006通过以下机制来保证其通信质量，尽量免受其他技术或设备的干扰。 （1）动态信道选择
PAN协调器在创建新的PAN网络时，首先扫描所有信道的能量，选择符合能量要求的信道；在此基础上进一步进行主动扫描。根据主动扫描的结果，选择一个信道条件好的信道作为工作信道来创建新的PAN。这将可以减少同频PAN的数量，降低潜在的干扰。如在工作过程中协调器上层应用发现正在使用的信道出现干扰源致使信道的质量变得比较差，可以启动信道扫描选择一个新的信道。
通过信道的能量扫描可以降低同频WiFi、蓝牙等的工作影响，因为如果在此信道其他通信模式较强，那么信道的能量则会较高，当高于某个门限时，802.15.4的MAC层将会将此信道排除在选择范围之外，不会将其选为工作信道。 （2）空闲信道评估
在物理层中使用CSMA-CA中提供CCA的能力，来判断信道是否空闲，如果信道被其他设备占用，则节点会退避一段时间，选择其他信道。 目前有三种空闲信道评估模式。
·判断无线信道的信号能力。若信号能量低于某一门限值，则认为信道空闲 ·判断无线信道特征。这个特征主要包括两个方面，即扩频信号和载波频率，如果当前信道被802.15.4定义的设备占用，则返回信道忙。
·综合前两种方式，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断，可以是上述两个值“与”或者是“或”逻辑来判断。即： ED高于门限且有802.15.4设备占用，则信道忙； ED高于门限或有802.15.4设备占用，则信道忙。 3 802.15.4工作组情况及标准化进展
802.1 5.4工作组下主要分为9个子工作组，下面将分别介绍其研究范围和标准进展情况。 3.1 TG4a工作组
该工作组主要是对802.15.4-2006物理层进行扩充，规定了两种物理层可选的规范：超宽带（UWB）和chirp扩频（CSS）。目前该工作组已经结束，发布相关规范802.15.4a-2007。802.15.4a主要提供了精确定位，增大了数据传输速率范围，同时降低的功率消耗。 3.2 TG4b工作组
该工作组主要是对802.15.4-2003版本进行修改完善，修正了原标准中的歧义性、
减少了不必要的复杂性、增加了安全密钥使用的灵活性，同时考虑新的可利用的频率等等。目前该工作组已经结束，发布了相关规范802.15.4-2006. 3.3 TG4c工作组
该工作组主要是对802.15.4-2006的物理层进行扩充。根据中国无线电管理规定，定义了用于779-787MHz频段的MPSK PHY和O-QPSK PHY的WPAN规范。目前该工作组已经结束，发布了相关规范802.15.4c-2009。 3.4 TG4d工作组
该工作组主要是对802.15.4-2006的物理层进行扩充，为日本新分配的频段950MHz-956MHz定义物理层及相应的MAC。目前该工作组已经结束，发布相关规范802.15.4d-2009。 3.5 TG4e工作组
该工作组主要是对802.15.4-2006的MAC层进行增强，以更好的支持工业市场和与中国的WPAN标准相兼容。MAC层主要对跳频提高抗干扰性、灵活资源分配、低时延、P2P、非对称密钥的支持等进行了增强。目前标准的草稿已完成，进入sponsor ballot process投票修改阶段，在2011年8月完成一轮投票，具体投票结果目前还没有公布。 3.6 TG4f工作组
该工作组为RFID工作组，主要对802.15.4-2006的物理层和MAC层进行扩充和增强。该工作组定义了新的物理层支持UWB技术，并对MAC进行了增强，已支持主动RFID系统双向和位置确定的应用。目前该工作组已完成letter ballot process进入到sponsor ballot process投票修改阶段。 3.7 TG4g工作组
该工作组为智能应用网络工作组，主要是对802.15.4物理层的增强，目的是提供一个全球标准，以便大规模过程控制应用，如智能电网应用等。目前该工作组处于
letter ballot process投票阶段。 3.8 TG4j工作组
该工作组主要对802.15.4的物理层进行扩充，制定符合FCC MBAN规定的2360 MHz-2400 MHz上的物理层增强技术，并相应的修改MAC层以支持新的物理层。2011年3月该工作组对技术需求已经达成共识，开始技术方案征集工作。 3.9 TG4k工作组
该工作组主要对802.15.4的物理层进行扩充，面向基础设施监控和Endpoint节能应用。目前该工作组已完成应用场景和需求阶段，开始征集技术方案。 4 结语
随着物联网的快速发展，感知延伸层的技术越来越受到业界的关注，尤其是小范围内数据通信、组网等技术。802.15主要对近距离无线通信技术进行研究和标准化工作，满足当今物联网底层数据通信的需求，因此越来越受到大家的关注。MSTT 参考文献
[1]IEEE.IEEE Std 802.15.4-2003 Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks（LR-WPANs）[S],2003.
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[5]IEEE.IEEE Std 802.15.4d-2009 Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)Amendment 3:Alternative Physical Layer Extension tosupport the Japanese 950 MHzbands.[S],2009.
