《可穿戴計算：基于人體傳感器網絡的可穿戴系統建模與實現》 —1.7　通信標準

1.7　通信標準

上述要求對可以在WSN中使用的網絡協議類型提出了非常嚴格的限制條件。鑒于每個節點能夠獲得的電量預算有限，短距離無線通信就成為先決條件。一種無線網絡通信協議的實現必須是健壯的、容錯的，甚至在惡劣環境中能夠自我配置，而這種惡劣的環境已經成為相當大的技術挑戰，這需要（并且仍然需要）幾個標準化組織的努力，比如IEEE和IETF。

IEEE 802.15.4［7］是在WSN領域中迄今為止最廣泛采用的標準。實際上，它旨在提供無線個人局域網（WPAN）中基本的、較低的網絡層級（物理層和MAC層），它專注于提供設備之間低成本、低速、無處不在的通信。其重點是在幾乎沒有底層基礎架構的條件下，為附近設備提供極低成本的通信支持。這個基本協議構成一個傳輸速率為250kbit/s的10米通信范圍。通過幾個物理層的定義，還有可能在功耗更低的前提下，支持更多數量的嵌入式設備。最初定義了20kbit/s和40kbit/s的較低傳輸速率，后來又增加了100kbit/s的速率。更低的速率可以認為是耗電量造成的影響。802.15.4的主要特點是在不犧牲靈活性和通用性的前提下，實現了極低的制造和運行成本，以及技術的簡單性。它的重要特性包括通過保留有保證的時隙實現服務的實時性，利用CSMA/CA避免沖突，以及集成對安全通信的支持。它可以在下面三個不需要許可的頻段運行：

868.0～868.6MHz：歐洲，允許1個通信信道。

902～928MHz：北美，最多30個信道。

2400～2483.5MHz：全球使用，最多16個信道。

為了完善IEEE 802.15.4標準，ZigBee［8］協議已經實現。ZigBee是一種低成本、低功耗的無線網狀網絡標準，它建立在802.15.4中定義的物理層和介質訪問控制層上，旨在實現比諸如藍牙等技術更簡單、更便宜的通信方式。ZigBee芯片供應商通常把無線電收發、微控制器和60～256kB的閃存集成在一顆芯片上進行銷售。ZigBee網絡層原生支持星形和樹形網絡，以及通用的網狀網絡。每個網絡都必須擁有一個協調器設備。特別是在星形網絡中，協調器必須是中心節點。具體來說，ZigBee規范通過添加四個主要組件完善了802.15.4標準：

網絡層，支持正確使用MAC子層，并為應用層提供合適的接口。

應用層是ZigBee所定義的最高層級，代表與最終用戶的接口。

ZigBee設備對象（ZDO）是負責所有設備管理、安全密鑰和策略的協議。它負責定義設備（即協調器或終端設備）的角色。

制造商定義的應用對象，它允許自定義并支持完全集成。

藍牙［9］是一種專有的開放式無線技術標準，用于固定和移動設備間的短距離數據交換（在2400～2480MHz的ISM頻段內使用短波長無線傳輸），可以創造具有高度安全性的WPAN。藍牙使用稱為跳頻擴頻的無線電技術，將待發送的數據分成若干部分，并在多達79個頻帶（每個1MHz）上傳輸這些數據部分。藍牙是一種具有主從結構的、基于分組的協議。一個主設備可以在所謂的微微網中與多達7個從設備通信，所有從設備共享主設備的時鐘，數據包交換基于主設備定義的基本時鐘。該規范還為連接兩個或多個微微網以形成一個散射網提供支持，在這個網中，某些設備在一個微微網中擔任主設備的角色，并同時在另一個微微網中擔任從設備的角色。雖然是專為WPAN設計的，不過藍牙的第一個版本實際上僅適用于在充電前不需要很長電池壽命的BSN系統。這是因為藍牙的功耗曲線明顯高于802.15.4。造成藍牙無法在BSN領域中使用的其他限制因素是較高的通信延遲（通常約為100ms）和較長的通信建立時間（受發現設備過程的影響，這可能需要幾秒鐘）。

為了克服這些限制，藍牙發布了4.0版本，也被稱為低功耗藍牙（BLE）［10］。在BLE的眾多設計驅動因素中，其中一項是對一些特定應用的支持，這些應用包括醫療保健、體育和健身等。此類應用的推動者是與Continua Health Alliance合作的藍牙特別興趣小組。BLE在經典藍牙工作的相同頻率范圍（2400～2480MHz）內工作，但使用了不同的信道集合。BLE使用40個2-MHz的寬信道，而不是79個1-MHz的寬信道。BLE的設計有兩種實現方案：單模式和雙模式。像手表和運動傳感器這類基于單模式BLE實現所產生的小型設備將利用較低的功耗和生產成本。然而，純粹的BLE并沒有向后兼容傳統的藍牙協議，而是在雙模式實現中，將新的低能耗功能集成到經典的藍牙電路中。該架構將共享經典藍牙中的無線電和天線技術，從而用新的低功耗堆棧來增強現有芯片。

ANT［11］是一種工作在2.4GHz頻段的超低功耗無線通信協議棧。典型的ANT協議收發器需要預先加載協議軟件，而且必須由一個應用程序處理器進行控制。它的特點是計算開銷低、效率高，因此支持此協議的無線電具有較低的能耗。與BLE類似，ANT也已經瞄準運動、健康和家庭健康監控領域，以及其他WSN應用場景。到目前為止，ANT已被許多商用腕戴式儀器、心率監測、速度和距離監測、自行車電腦以及健康監測設備所采用。

IEEE 802.15 WPAN Task Group 6（BAN）［12］正在開發一種專門為低功耗設備優化的通信標準。這種設備運行在人體上、人體內或人體周圍，服務于各種應用，包括醫療、消費電子、個人娛樂等領域。與IEEE 802.15.4相比，IEEE 802.15.6專注于BSN領域，旨在解決該領域諸如較小的通信范圍（該標準支持2～5m范圍）和較大的數據速率（最高至10Mbps）等特性，這樣有助于降低功耗，滿足安全和生物友好性等要求。

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