6.1.1　IEEE 802.15.4协议简介

IEEE 802.15.4网络是一种能量消耗少，结构简单且容易实现的无线通信网络，它主要致力于解决无线连接在能量值和网络吞吐量低的网络中应用的问题。与WLAN相比，IEEE 802.15.4网络基本上不需要基础设施的支持。为了满足上述要求，IEEE协议工作组还特意为IEEE 802.15.4网络制定了物理层和MAC层协议的实现标准，具体要求如下。

• 在不同的载波频率下实现20 kbps、40 kbps、100 kbps以及250 kbps四种不同的传输速率；

• 支持星状和点对点两种网络拓扑结构；

• 在网络中有16位和64位两种地址格式，16位地址由协调器分配，64位地址是全球唯一的扩展地址；

• 采用可选的时隙保障（GTS）机制；

• 采用冲突避免的载波多路侦听技术（CSMA/CA）；

• 支持ACK反馈机制，确保数据的可靠传输。

IEEE 802.15.4网络又称为LR WPAN网络，在这个网络中，根据设备所具有的通信能力和硬件条件，可以将它分为全功能设备（Full-Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduced-Function Device，RFD）。与RFD相比，FFD在硬件功能方面要完善许多，例如FFD采用直接电源供电，功能强大，而RFD采用电池供电；另外在通信范围方面，FFD可以与其他所有FFD和RFD设备进行通信，而RFD只能与其相关联的FFD进行通信，一般我们称这个FFD为该RFD的协调器。在整个网络中，由一个FFD充当网络协调器（PAN Coordinator），网络协调器除了直接参与应用，还需要完成成员身份管理、链路状态信息管理和分组转发等任务，如图6.1所示。

LR WPAN的网络拓扑结构根据应用的场景可以分为两种，星状网络和点对点网络，如图6.2所示。在星状网络中，整个网络的数据传输都要通过网络协调器来进行控制，其余各个终端设备只能与网络协调器进行数据的交换。网络协调器首先负责为整个网络选择一个可用的通信信道和唯一的标识符，然后允许其他设备通过扫描、关联等一系列操作加入自己的网络中，并为这些设备转发数据，因此星状网络一般适用于智能家居、个人健康护理等应用。

图6.1　LR WPAN网络

图6.2　LR WPAN的两种网络拓扑结构

点对点网络与星状网络有所不同，在点对点网络中，只要通信设备在对方的无线辐射范围内就可以与之通信。点对点网络中也存在网络协调器，主要负责管理链路状态、身份认证等，不再作为中心节点转发数据。根据点对点网络的特点，可分为分簇网络、Mesh网络等。点对点网络是一种自组织和自修复的网络，一般应用于工业检测、货物库存等方面，具有非常好的应用前景。