《可穿戴计算：基于人体传感器网络的可穿戴系统建模与实现》 —1.7　通信标准

1.7　通信标准

上述要求对可以在WSN中使用的网络协议类型提出了非常严格的限制条件。鉴于每个节点能够获得的电量预算有限，短距离无线通信就成为先决条件。一种无线网络通信协议的实现必须是健壮的、容错的，甚至在恶劣环境中能够自我配置，而这种恶劣的环境已经成为相当大的技术挑战，这需要（并且仍然需要）几个标准化组织的努力，比如IEEE和IETF。

IEEE 802.15.4［7］是在WSN领域中迄今为止最广泛采用的标准。实际上，它旨在提供无线个人局域网（WPAN）中基本的、较低的网络层级（物理层和MAC层），它专注于提供设备之间低成本、低速、无处不在的通信。其重点是在几乎没有底层基础架构的条件下，为附近设备提供极低成本的通信支持。这个基本协议构成一个传输速率为250kbit/s的10米通信范围。通过几个物理层的定义，还有可能在功耗更低的前提下，支持更多数量的嵌入式设备。最初定义了20kbit/s和40kbit/s的较低传输速率，后来又增加了100kbit/s的速率。更低的速率可以认为是耗电量造成的影响。802.15.4的主要特点是在不牺牲灵活性和通用性的前提下，实现了极低的制造和运行成本，以及技术的简单性。它的重要特性包括通过保留有保证的时隙实现服务的实时性，利用CSMA/CA避免冲突，以及集成对安全通信的支持。它可以在下面三个不需要许可的频段运行：

868.0～868.6MHz：欧洲，允许1个通信信道。

902～928MHz：北美，最多30个信道。

2400～2483.5MHz：全球使用，最多16个信道。

为了完善IEEE 802.15.4标准，ZigBee［8］协议已经实现。ZigBee是一种低成本、低功耗的无线网状网络标准，它建立在802.15.4中定义的物理层和介质访问控制层上，旨在实现比诸如蓝牙等技术更简单、更便宜的通信方式。ZigBee芯片供应商通常把无线电收发、微控制器和60～256kB的闪存集成在一颗芯片上进行销售。ZigBee网络层原生支持星形和树形网络，以及通用的网状网络。每个网络都必须拥有一个协调器设备。特别是在星形网络中，协调器必须是中心节点。具体来说，ZigBee规范通过添加四个主要组件完善了802.15.4标准：

网络层，支持正确使用MAC子层，并为应用层提供合适的接口。

应用层是ZigBee所定义的最高层级，代表与最终用户的接口。

ZigBee设备对象（ZDO）是负责所有设备管理、安全密钥和策略的协议。它负责定义设备（即协调器或终端设备）的角色。

制造商定义的应用对象，它允许自定义并支持完全集成。

蓝牙［9］是一种专有的开放式无线技术标准，用于固定和移动设备间的短距离数据交换（在2400～2480MHz的ISM频段内使用短波长无线传输），可以创造具有高度安全性的WPAN。蓝牙使用称为跳频扩频的无线电技术，将待发送的数据分成若干部分，并在多达79个频带（每个1MHz）上传输这些数据部分。蓝牙是一种具有主从结构的、基于分组的协议。一个主设备可以在所谓的微微网中与多达7个从设备通信，所有从设备共享主设备的时钟，数据包交换基于主设备定义的基本时钟。该规范还为连接两个或多个微微网以形成一个散射网提供支持，在这个网中，某些设备在一个微微网中担任主设备的角色，并同时在另一个微微网中担任从设备的角色。虽然是专为WPAN设计的，不过蓝牙的第一个版本实际上仅适用于在充电前不需要很长电池寿命的BSN系统。这是因为蓝牙的功耗曲线明显高于802.15.4。造成蓝牙无法在BSN领域中使用的其他限制因素是较高的通信延迟（通常约为100ms）和较长的通信建立时间（受发现设备过程的影响，这可能需要几秒钟）。

为了克服这些限制，蓝牙发布了4.0版本，也被称为低功耗蓝牙（BLE）［10］。在BLE的众多设计驱动因素中，其中一项是对一些特定应用的支持，这些应用包括医疗保健、体育和健身等。此类应用的推动者是与Continua Health Alliance合作的蓝牙特别兴趣小组。BLE在经典蓝牙工作的相同频率范围（2400～2480MHz）内工作，但使用了不同的信道集合。BLE使用40个2-MHz的宽信道，而不是79个1-MHz的宽信道。BLE的设计有两种实现方案：单模式和双模式。像手表和运动传感器这类基于单模式BLE实现所产生的小型设备将利用较低的功耗和生产成本。然而，纯粹的BLE并没有向后兼容传统的蓝牙协议，而是在双模式实现中，将新的低能耗功能集成到经典的蓝牙电路中。该架构将共享经典蓝牙中的无线电和天线技术，从而用新的低功耗堆栈来增强现有芯片。

ANT［11］是一种工作在2.4GHz频段的超低功耗无线通信协议栈。典型的ANT协议收发器需要预先加载协议软件，而且必须由一个应用程序处理器进行控制。它的特点是计算开销低、效率高，因此支持此协议的无线电具有较低的能耗。与BLE类似，ANT也已经瞄准运动、健康和家庭健康监控领域，以及其他WSN应用场景。到目前为止，ANT已被许多商用腕戴式仪器、心率监测、速度和距离监测、自行车电脑以及健康监测设备所采用。

IEEE 802.15 WPAN Task Group 6（BAN）［12］正在开发一种专门为低功耗设备优化的通信标准。这种设备运行在人体上、人体内或人体周围，服务于各种应用，包括医疗、消费电子、个人娱乐等领域。与IEEE 802.15.4相比，IEEE 802.15.6专注于BSN领域，旨在解决该领域诸如较小的通信范围（该标准支持2～5m范围）和较大的数据速率（最高至10Mbps）等特性，这样有助于降低功耗，满足安全和生物友好性等要求。