隨著傳感器網(wǎng)絡的大肆應用；隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的爆發(fā)；隨著通信技術的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡PAN（Personal Area Network）和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡WPAN（Wireless Personal Area Network）的概念。WPAN網(wǎng)絡為近距離范圍內(nèi)的設備建立無線連接，把幾米到幾十米范圍內(nèi)的多個設備通過無線方式連接在一起，使他們可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。

　　2001年8月成立的zigbee聯(lián)盟就是一個針對WPAN網(wǎng)絡而成立的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。該聯(lián)盟致力于近距離、低復雜度、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術。他們開發(fā)的技術被稱為zigbee技術，該技術希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動化、工業(yè)設備監(jiān)測、PC外設、醫(yī)療傳感設備、玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領域當中。

　　1.1 IEEE802.15.4標準

　　zigbee聯(lián)盟已于2005年6月27日公布了第一份zigbee規(guī)范“zigbee Specification V1.0”。這標準定義了在IEEE 802.15.4-2003物理層和標準媒體接入控制層上的網(wǎng)絡層及支持的應用服務。zigbee聯(lián)盟的長期目標是能夠建立基于互操作平臺和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎架構(gòu)。

　　1.1.1 IEEE802.15.4協(xié)議框架

　　IEEE802.15.4標準采用分層結(jié)構(gòu)。每一層為上層提供一系列特殊的服務：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體則提供所有其他的服務。所有的服務實體都通過服務接入點SAP（Service Access Point）為上層提供一個接口，每個SAP都支持一定數(shù)量的服務原語來實現(xiàn)所需的功能。

　　IEEE 802.15.4標準堆棧架構(gòu)是在OSI七層模型的基礎上根據(jù)市場和應用的實際需要定義了，如圖2-1。其中，IEEE 802.15.4標準定義了底層：物理層PHY（Physical Layer）和媒體訪問控制子層MAC（Medium Access Control Sub-Layer）層。zigbee聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡層NWK（Network Layer），應用層APL（Application Layer）架構(gòu)。其中應用層包括應用支持子層APS（Application Support Sub-Layer），應用框架AF（Application Framework），zigbee設備對象ZDO（zigbee Device Objects）以及用戶定義應用對象（Manufacturer-Defined Application Objects ）。［16］

　　IEEE 802.15.4工作在工業(yè)科學醫(yī)療ISM（Industrial、Scientific and Medical）頻段，定義了兩個物理層PHY，分別工作在兩個頻段上：868/915 MHz和2.4GHz。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz的歐洲頻段和915MHz的美國與澳大利亞等國的頻段。高頻段2.4GHz則全球通用。

　　IEEE 802.15.4 MAC層采用避免沖突多載波信道接入CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式，主要負責傳輸信標幀，同步以及提供可信賴的傳輸機制。

　　1.1.2 網(wǎng)絡節(jié)點類型

　　在W-PAN中有三種網(wǎng)絡角色：PAN網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器和設備。這三種角色在IEEE 802.15.4規(guī)范中分別對應zigbee協(xié)調(diào)器ZC（zigbee Coordinator）、zigbee路由器ZR（zigbee Router）和終端設備ZED（zigbee End Device）。

　　協(xié)調(diào)器和路由器只能是全功能器件FFD。一個PAN的網(wǎng)絡中，至少要有一個全功能器件成網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，它可以看作是一個PAN的網(wǎng)關節(jié)點（SINK節(jié)點），它是網(wǎng)絡建立的起點，負責PAN網(wǎng)絡的初始化，確定PAN的ID號和PAN操作的物理信道并統(tǒng)籌短地址分配，充當信任中心和儲存安全密鑰，與其他網(wǎng)絡的連接等。協(xié)調(diào)器在加入網(wǎng)絡之后獲得一定的短地址空間。這個空間內(nèi)，他有能力允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡，并分配短地址。當然協(xié)調(diào)器還具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。在任何一個拓撲網(wǎng)絡上，所有設備都有一個唯一的64位IEEE長地址，該地址可以在PAN中用于直接通信。或者當所有設備之間都已經(jīng)存在連接時，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)?6位的網(wǎng)絡短地址分配給PAN設備。因此在設備發(fā)起連接時采用的是64位的長地址，只有連接成功后，系統(tǒng)分配了PAN的標志符后，才能采用16位的短地址來通信。路由器可以只運行一個存放有路由協(xié)議的精簡協(xié)議棧，負責網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的路由，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)功能。

　　在網(wǎng)絡中最基本的節(jié)點就是終端節(jié)點ZED，一個終端節(jié)點可以是全功能器件FFD或者是精簡功能器件RFD。

　　1.2.1 IEEE 802.15.4

　　IEEE802.15.4包括用于低速無線個人域網(wǎng)LR-WPAN的物理層PHY和媒體接入控制層MAC兩個規(guī)范。圖2-4給出了IEEE 802.15.4的分層參考模型。

　　1.2.1.1 IEEE 802.15.4 PHY層

　　物理層的作用主要是利用物理介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，負責處理數(shù)

　　據(jù)傳輸率并架空數(shù)據(jù)出錯率，以便透明低傳送比特流。zigbee協(xié)議的物理層主要負責以下任務：

　?。?）啟動和關閉RF收發(fā)器。

　?。?）信道能量檢測。

　?。?）對接收到的數(shù)據(jù)報進行鏈路質(zhì)量指示LQI（Link Quality Indication）。

　?。?）為CSMA/CA算法提供空閑信道評估CCA（Clear Channel Assessment）。

　　（5）對通信信道頻率進行選擇。

　　（6）數(shù)據(jù)包的傳輸和接收

　　IEEE 802.15.4的物理層定義了物理信道和MAC子層間的接口，提供數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務維護一個物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。

　　1.2.1.2 IEEE 802.15.4 MAC層

　　IEEE 802.15.4媒體介入控制層的沿用了傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)中的帶沖突避免的載波多路偵聽訪問技術CSMA/CA方式，以提高系統(tǒng)的兼容性。這種設計，不但使多種拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的應用變得簡單，還可以實現(xiàn)非常有效的功耗管理。

　　MAC層完成的具體任務如下：

　?。?）協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀（Beacon）。

　?。?）普通設備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標幀與協(xié)調(diào)器同步。

　?。?）支持PAN網(wǎng)絡的關聯(lián)（Association）和取消關聯(lián)（Disassociation）操作。

　?。?）為設備的安全性提供支持。

　?。?）使用CSMA-CA機制共享物理信道。

　?。?）處理和維護時隙保障GTS（Guaranteed Time Slot）機制。

　?。?）在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的數(shù)據(jù)鏈路。

　　在IEEE 802.15.4的MAC層中引入了超幀結(jié)構(gòu)和信標幀的概念。這兩個概念的引入極大了方便了網(wǎng)絡管理，我們可以選用以超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡內(nèi)設備間的通信。每個超幀都以網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)出信標幀為始，在這個信標幀中包含了超幀將持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息。網(wǎng)絡中的普通設備接收到超幀開始時的信標幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務，例如進入休眠狀態(tài)直到這個超幀結(jié)束。

　　MAC子層提供兩種服務：MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務（MAC sub-layer management entity，MLME）。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中正確收發(fā)，后者維護一個存儲MAC子層協(xié)議相關信息的數(shù)據(jù)庫。