WSN通信标准总结

1. 802.15.4

802.15.4是为了适应低吞吐量的应用和WPAN的潜在需求而设计的短距离无线通信协议。它的特点是复杂度低、低能量消耗、数据传输率低、支持设备便宜，可支持物体移动性。802.15.4仅对物理层和MAC层进行了规定，更上层的规定可由Zigbee协议或者6LowPAN来继续完成。

1.1物理层

物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口,提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

物理层数据服务包括以下五方面的功能

（1） 激活或者休眠射频收发器

（2） 信道能量检测

（3） 检测接收数据包的链路质量指示

（4） 空闲信道评估

（5） 收发数据

物理层用的是三个无牌照的频段，用直接扩频技术来减少干扰。为了保持低能耗，802.15.4允许设备进行周期性工作。802.15.4将三个频段划分成27个双工信道。组织方式如下：

在868MHz和915MHz调制方式信号处理过程相同，只是数据速率不同。处理过程如下

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在2.4GHz的情况下先将PPDU的二进制数据中每4位转换为一个符号，然后将每个符号转换为长度为32的片序列，再进行O-QPSK调制。

1.2 MAC层

MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。MAC层数据服务保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，MAC层管理服务负责维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。

MAC层的主要功能包括下面六个方面的内容：

（1） 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

（2） 支持PAN网络的关联和取消关联操作

（3） 支持无线信道通信安全

（4） 使用CSMA-CA机制访问信道

（5） 支持时槽机制

（6） 支持不同设备间的MAC层间可靠传输。

在MAC层，802.15.4应用CSMA/CA算法。该算法要求在发送数据前先侦听信道来减少冲突。

802.15.4中，可以选用以超帧为周期组织PAN内设备间通信，每个超帧都是以网络的协调器发出的信标帧开始。超帧分为活跃阶段与不活跃阶段，活跃阶段又可分为信标帧、竞争访问阶段和非竞争访问阶段。超帧的活跃阶段被划分为16个时槽，每个时槽的长度、竞争访问阶段包含的时槽数都由协调器设定。在竞争访问阶段，网络设备使用带时槽的CSMA-CA访问机制。在非竞争访问阶段，，协调器根据上一个超帧期间PAN网络中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS，每个GTS由若干个时槽组成。

时槽数目在申请GTS时就已经确定。

802.15.4定义了两种通信模式：信标使能通信和信标不使能通信，它们分别对应了两种不同的信道接入模式。

在无信标模式中，采用非时槽的CSMA/CA协议来连接到信道和传输数据包。这种算法的操作模式为：首先 每个节点将按一个随机长时间进行退避。退避时间到后，然后开始检测信道状态，如果信道空闲节点立即发送数据，如果信道繁忙，进入下个退避阶段。节点尝试连接到信道存在一个最大的时间阈值，当超过这个阈值的时候，算法结束，数据将不能发送。

在有信标模式中，采用协议。协调器会发送一个信标帧，PAN网络中的设备根据信标帧来进行同步。在时槽CSMA/CA机制下，当设备需要发送数据时首先定位下一个时槽的边界，然后等待随机数目个时槽。等待完毕后，信道开始检测信道状态，如果信道空闲，在下一个时槽开始发送数据。如果信道忙，则重复等待检测过程

1.3 802.15.4支持的拓扑结构

802.15.4定义了两种节点，全功能节点（FFD）和简化节点（RFD）。全功能节点包含了全部的MAC服务，可以作为一个协调者或者一个简单的网络设备，而简化节点只能作为一个网络设备。

802.15.2允许两种拓扑结构：星型结构和点到点的结构。但是由于涉及到更高层功能的定义，在标准中这两种结构没有被标准化。星型结构中有一个FFD节点作为PAN协调者，它是唯一一个可以连接超过两个的设备。点到点结构中可以形成多个直接的链路。

星型结构适合于小覆盖范围和低扩展性的应用中，点对点的通信适合于大覆盖范围。

802.25.4的机制中支持一个PAN协调者来建立一个新的PAN，并利用一种连接程序让其他设备连接到这个PAN。PAN的协调者需要独占一个空闲信道，这种独占方式可以防止干扰。协调者通过能量检测扫描获得每个信道极限能量值来看哪个信道是空闲的。协议中只是说明了能量检测扫描能够是可以使用的方式，但是没有指定只能用这种方式。一个节点发现协调者的程序可以总结如下：（1）需找有效的PANs（2）选择一个加入（3）与协调者或者已经加入网络的全能节点连接。通过协调者发出的扫描帧来发现有效PAN。在连接阶段，有两种不同类型的扫描方式。

（1）被动扫描：在信标使能的网络中，可以连接的设备会周期性的发送信标帧，因此，可以通过侦听无线信道来获得有效PAN的信息。

（2）主动扫描，在物信标使能的网络中，信标帧并不是周期的发送但是可以通过信标请求命令帧或者信标。

扫描结束后，一系列可以使用的PANs可以供节点去连接。在标准中，并没有明确的连接规范。当成功收到一个连接回复命令帧时表示连接结束。

2. Zigbee协议

Zigbee协议在802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。它的主要献、是给了802.15.4应用网状网络层的能力。当发生赌赛的时候，网状网络层可以再造路由直到数据到达目的节点。此外，Zigbee定义一个信标使能的树状拓扑结构作为对802.15.4的点到点的网络的补充。

Zigbee协议定义的树状结构可扩展性强且父子节点间避免了冲突。

3. 6LowPAN协议

6LowPan协议是IETF制定的一个开放协议为了能够在802.15.4的基础上使用IPv6。在6LowPan中低层协议也是802.15.4协议。

6LowPan协议定义如何在低速、低能耗、低费用的个人网络。它的特色是动态分配一个16bit的动态地址，通过这个地址，可以实行分层的路由。

6LowPan可以直接与其它拥有IP使能的设备进行通信而Zigbee节点必须通过一个802.15.4/IP的网关才能进行通信.对于没有与IP互动的设备或者数据包很小时,没有必要用6LowPAN,这种情况下Zigbee的表现可能更好。

4. UWB

超宽带技术定义为：信号的瞬时频谱占有500MHz或者部分带宽超过20%。由于超宽带技术在基带上操作，不需要调制和解调。对于应用于WSN的最有可能的UWB技术是 (IR_UWB)。

5．蓝牙协议

蓝牙技术的主要特点是鲁棒性强、低功耗、低花费。蓝牙使用的是2.4GHz的ISM频段，79个1M的信道可以用。系统通过跳频的方式来防干扰和衰减。射频为高斯形状、二元频移键控、前向差错控制技术，来减少传输的复杂性。传输速率能达到1Mbps。

拓扑结构为星型结构，有一个主管节点和最多7个活动节点。物理信道的使用被分成625微秒的时间单元。，蓝牙技术利用时分（TDD）实现了有效的双向通信。

6. Z-Wave

Z-Wave是由丹麦的Zensys公司开发的技术。它利用了低功耗的射频技术，可以实现低功耗远程控制。这种技术已经被Z-Wave联盟标准化。这种技术不能与802.15.4兼容。与802.15.4相比，它的优势在于它的操作频率在1GHz以下。在2.4GHz频段，802.11与802.15.1设备的干扰已经比较严重。欧盟规定，Z-Wave可以使用868MHzISM频段的1%或者以下。但是1%的带宽已经足够大部分的控制操作需求。Z-Wave允许网眼状拓扑结构，但是网络中最多允许232个节点。速率可以达到9.6Kbps和40Kbps。Zensys公司的收发器件允许室外100m的通信距离。

7.蓝牙超低能耗技术：

这个发展中的超低功耗技术是在FP6基金项目MIMOSA中发展起来的。在2006年10月，这种技术以“Wibree”的名字发布。实际上，它是简化版的蓝牙标准。它同样使用2.4GHz的ISM频段以使它能够与其它蓝牙技术进行交互。在10m范围内速率可以达到1Mbit/s。它设计目的是可以在较小延迟的情况下有效的传输小数量的数据。

它能够实现低功耗的原因在于它的连接与发现机制、连接中发送的数据包的数量和每一个包的大小。由于它的信道数目少，所以连接的时候可以在搜索阶段节省很多能量

8.ANT技术

ANT技术是一种拥有专利权的超低功耗的无线通信协议栈。它设计为工作在2.4GHz,应用低花费、低能量的微型控制器和传输器。ANT的特点是低功耗、低功耗、支持广播，突发事件和处理能力能达到20Kbit/s（在空气中的传播速率为1Mbit/s）。ANT技术支持点对点、星型、树形和其它网状结构。

ANT的节点可以作为管理节点或者附属节点并且可以在任何时间转换角色。ANT由于其固有的特性可以支持几十到几百个节点的多跳互联，比较适合于实际的网络。ANT技术允许系统把大部分时间花在超低功耗的睡眠模式，可以快速的醒来，以最快的时间将数据传输出去然后重新回到睡眠模式。尽管蓝牙技术被设计在PAN中快速的传输数据，它的平均花费比ANT技术要高10倍。与IEEE802.15.4相比，ANT技术速率更高、复杂度更低。