張利紅，陰亞?wèn)|

（1.福建江夏學(xué)院，福州350108；2.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京100029）

近幾年來(lái)，無(wú)線傳感器和制動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展很快，并得到了學(xué)術(shù)界、企業(yè)界和標(biāo)準(zhǔn)定制組織的特別關(guān)注，此項(xiàng)技術(shù)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是家庭自動(dòng)控制.無(wú)線家庭自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)（Wireless Home Automation Network，WHAN）能夠進(jìn)行家庭監(jiān)視和控制，因而可使家居更舒適、管理更有效.典型的WHAN由若干資源有限的嵌入式裝置構(gòu)成，這些裝置一般采用電池供電并且裝配有低功耗射頻收發(fā)機(jī).有線解決方案要求使用管道和電纜，無(wú)線通信的使用則使網(wǎng)絡(luò)中裝置的添加和去除變得靈活并且減少了安裝成本.然而無(wú)線傳播的動(dòng)態(tài)特性、資源有限性和裝置機(jī)動(dòng)性對(duì)WHAN的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn).

許多組織和公司已根據(jù)不同的框架和原則形成了各種WHAN方案.本文將首先分析WHAN的主要特性和要求，然后介紹分析當(dāng)前主流的和正在形成的適用于 WHAN的體系架構(gòu)和技術(shù)，包括ZigBee、Z－Wave、INSTEON、Wavenis和6LoWPAN 等，并根據(jù)WHAN的要求結(jié)合其他技術(shù)和非技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)這些解決方案進(jìn)行分析討論.

1 WHAN的主要特性和要求

WHAN可以使用在家居生活的方方面面［1－2］，例如：

遠(yuǎn)程控制：雖然紅外技術(shù)已廣泛用于遠(yuǎn)程控制器和家居裝置之間的無(wú)線通信中，如電視、HiFi音響和空調(diào)的控制等，但是紅外技術(shù)只能進(jìn)行可視短距離的單向數(shù)據(jù)通信.而射頻技術(shù)則能夠克服這些缺點(diǎn)，進(jìn)行視線外、中長(zhǎng)距離（＞10m）的雙向數(shù)據(jù)通信.

電力管理：通過(guò)各種傳感器收集的監(jiān)測(cè)參數(shù)如溫度、濕度、亮度等，可有效地控制窗簾、空調(diào)等裝置而避免無(wú)謂的能量浪費(fèi)；通過(guò)監(jiān)控和預(yù)警用電高峰，可以有效避免用電高峰發(fā)生；電力供應(yīng)公司還可以使用WHAN進(jìn)行電力負(fù)荷的管理.

遠(yuǎn)程護(hù)理：穿戴式無(wú)線傳感器能定期匯報(bào)多項(xiàng)身體生理指標(biāo)水平（如溫度、血壓和胰島素等），以進(jìn)行精確診斷；當(dāng)加速度傳感器發(fā)現(xiàn)有人跌倒時(shí)，可立即發(fā)出警報(bào).

安全保障：基于煙霧監(jiān)測(cè)器、玻璃破損傳感器和運(yùn)動(dòng)傳感器的高級(jí)安保系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)到可能存在的危險(xiǎn)境況并觸發(fā)適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)機(jī)制，如煙霧監(jiān)測(cè)器可觸發(fā)火警.

通過(guò)對(duì)WHAN在家居生活方面的使用分析，可以將其主要特性和要求總結(jié)為以下方面：

（1）WHAN的節(jié)點(diǎn)數(shù)量和節(jié)點(diǎn)密度都可能很高.

（2）由于墻、地板、書桌等反射面的存在，家庭空間將成為典型的多徑環(huán)境；由于WiFi、藍(lán)牙、無(wú)繩電話甚至微波爐的使用，工業(yè)科學(xué)醫(yī)療 （Industrial Scientific and Medical，ISM）頻段已擁擠不堪，因此決定了WHAN容易遭遇信道干擾、沖突.

（3）要求能進(jìn)行多跳通信，以使中介節(jié)點(diǎn)能為不在信源節(jié)點(diǎn)傳輸距離內(nèi)的接收節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)終端到終端連接.

（4）支持多種通信機(jī)制，如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（開關(guān)向某盞燈發(fā)送命令）、單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（遙控器向一組裝置發(fā)送命令）和多點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)（若干傳感器向中央控制器回報(bào)測(cè)量值）之間的通信.

（5）雖然大多數(shù)家居裝置都是固定不動(dòng)的，但某些裝置的移動(dòng)特性和射頻信號(hào)傳播的動(dòng)態(tài)特性要求網(wǎng)絡(luò)具有斷鏈自愈合功能，并且由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓斐傻臄噫滈g隔必須短暫.

（6）對(duì)于某些監(jiān)控應(yīng)用而言，延遲無(wú)關(guān)緊要；而對(duì)于緊急狀態(tài)和用戶操作而言，WHAN必須能夠快速響應(yīng).

（7）WHAN必須能夠進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)連接，以滿足遠(yuǎn)程家居監(jiān)視和管理；某些應(yīng)用（如入侵警報(bào)系統(tǒng)）需要使用安全保護(hù)機(jī)制.

（8）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須具有少量的存儲(chǔ)能力（kB量級(jí)RAM）、有限的處理能力（MHz級(jí)處理器）；可以使用電池甚至某種能量獲取形式進(jìn)行供電.

2 WHAN解決方案分析比較

2.1 WHAN解決方案

WHAN從提出至今已有十幾年歷史，世界眾多企業(yè)和組織紛紛對(duì)其展開研究并提出了各種方案.本文將挑選具有代表性和發(fā)展前景的解決方案進(jìn)行介紹分析.

2.1.1 ZigBee

ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟發(fā)展起來(lái)的低傳輸速率、短距離應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，過(guò)去稱為“HomeRF Lite”、“RF－EasyLink”、“FireFly”等，目前統(tǒng)一稱為Zig－Bee技術(shù)［3］.ZigBee協(xié)議棧主要由物理層（PHY），數(shù)據(jù)鏈路控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）組成.ZigBee較低的兩層協(xié)議棧采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定義，而其他棧由ZigBee協(xié)議自身定義.ZigBee最初采用的IEEE80.15.4工作于868MHz、915MHz和2.4GHz頻段，這些頻段分別為歐洲、美國(guó)和全球免費(fèi)頻段，其數(shù)據(jù)傳輸率分別為20kb／s、40kb／s和250kb／s.前2種采用二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制（BPSK），而2.4GHz頻段采用偏置正交相移鍵控調(diào)制（O－QPSK）；2種通信機(jī)制都使用了直接序列擴(kuò)頻（DSSS）.ZigBee的MAC層存在2種信道接入模式：信標(biāo)模式（beacon－enabled）和無(wú)信標(biāo)模式（beaconless）.第一種方式假定存在某個(gè)節(jié)點(diǎn)作為個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)同步信標(biāo)；根據(jù)這種方案，信標(biāo)間隔可分為3個(gè)周期：①競(jìng)爭(zhēng)接入期（CAP）.在此時(shí)期，將使用帶有碰撞避免（CA）的載波偵聽(tīng)多址接入（CSMA）；②無(wú)競(jìng)爭(zhēng)期（CFP）.在此時(shí)期，節(jié)點(diǎn)可以在分配到的獲保障的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；③靜止期.在此時(shí)期，節(jié)點(diǎn)將保持休眠模式.在無(wú)信標(biāo)模式下，裝置將使用簡(jiǎn)單的載波偵聽(tīng)多址接入／碰撞避免（CSMA／CA）策略；IEEE802.15.4允許使用確認(rèn)應(yīng)答（acknowledgments，ACKs）進(jìn)行單播傳輸.ZigBee將裝置定義為3種角色：協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn).ZigBee網(wǎng)絡(luò)層明確支持樹狀和網(wǎng)狀拓?fù)鋵ぶ泛吐酚?，樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以ZigBee協(xié)調(diào)器為根節(jié)點(diǎn)，適合數(shù)據(jù)收集，包括容易實(shí)現(xiàn)多跳數(shù)據(jù)發(fā)送的地址分配機(jī)制；在網(wǎng)狀拓?fù)渲?，采用了基于自組網(wǎng)按需平面距離向量（Ad hoc On－demand Distance Vector，AODV）的路由協(xié)議設(shè)定和路由維護(hù)，可用于任意點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信.還提供多點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)路由，用于多點(diǎn)裝置節(jié)點(diǎn)與中央收集節(jié)點(diǎn)或者接收節(jié)點(diǎn)之間的通信.可用于WHAN的ZigBee的相關(guān)應(yīng)用情景模式有2種：ZigBee家庭自動(dòng)化公共應(yīng)用情景模式［4］和ZigBee智能電力情景模式［5］.前者對(duì)裝置描述、命令、屬性和其他ZigBee住宅或商業(yè)環(huán)境應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例進(jìn)行了定義；后者處理的內(nèi)容主要集中在電力需求響應(yīng)和電力負(fù)荷管理等應(yīng)用方面.

2.1.2 Z－Wave

Z－Wave［6］是ZenSys公司（現(xiàn)在為Sigma Designs的分公司）發(fā)展起來(lái)的無(wú)線協(xié)議框架，由Z－Wave聯(lián)盟推動(dòng)用于家居和商業(yè)環(huán)境自動(dòng)化.Z－Wave主要定位于在網(wǎng)絡(luò)中提供從控制單元到單點(diǎn)或多點(diǎn)之間的可靠短信息傳輸.Z－Wave依照PHY層、MAC層、傳遞層、路由層和應(yīng)用層等結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織.Z－Wave主要在900MHz ISM頻段（歐洲868MHz，美國(guó)908MHz）運(yùn)行，采用二進(jìn)制頻移鍵控（BFSK）調(diào)制提供9.6kb／s和40kb／s的數(shù)據(jù)傳輸率，最近Z－Wave 400系列單芯片已能在2.4GHz頻段提供200kb／s的傳輸率.Z－Wave的MAC層使用了碰撞避免機(jī)制，允許在信道可用時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀傳輸；否則，傳輸將被延遲且延遲時(shí)間隨機(jī).傳遞層對(duì)連續(xù)的兩節(jié)點(diǎn)之間的通信進(jìn)行管理，其在ACKs基礎(chǔ)上提供了一種可選中轉(zhuǎn)機(jī)制.Z－Wave定義了2種裝置：管理器和伺服器.管理器向伺服器詢問(wèn)或發(fā)送命令，而伺服器則回應(yīng)管理器或執(zhí)行命令.Z－Wave路由層執(zhí)行基于源路由的路由方式，其將路由遵循的路徑包含在管理器發(fā)送的數(shù)據(jù)中，可以通過(guò)多達(dá)4次跳轉(zhuǎn)完成傳輸，在滿足了家居環(huán)境要求的同時(shí)能限制源路由數(shù)據(jù)的管理開銷.管理器維護(hù)著一張表征整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木W(wǎng)表，手持管理器（如遙控器）將首先嘗試通過(guò)直接傳輸?shù)竭_(dá)目標(biāo)；如果傳輸失敗，管理器將估計(jì)自己的位置并計(jì)算到達(dá)目標(biāo)的最佳路由.伺服器扮演著路由器角色，路由伺服器存儲(chǔ)了靜態(tài)路由（指向管理器），并且可以自主地將信息傳輸給其他節(jié)點(diǎn).由于一般情況下傳感器檢測(cè)過(guò)程中的詢問(wèn)延時(shí)是可以接受的，因此伺服器適合于監(jiān)測(cè)傳感器；同樣，伺服器可作為響應(yīng)激活命令并完成動(dòng)作的制動(dòng)器.路由伺服器則可用于對(duì)時(shí)間要求苛刻并且無(wú)請(qǐng)求的傳輸應(yīng)用，如警報(bào)激活.

2.1.3 INSTEON

INSTEON［7］是 由 SmartLabs 發(fā) 展 起 來(lái) 并 由INSTEON聯(lián)盟推動(dòng)的家居自動(dòng)化解決方案.INSTEON與眾不同的特性在于其為由RF連接和電力線連接的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，裝置可以通過(guò)RF、電力線或者同時(shí)采用2種方式進(jìn)行連接.INSTEON射頻采用904MHz中心頻率的頻移鍵控（FSK）調(diào)制，粗略數(shù)據(jù)傳輸率為38.4kb／s.INSTEON裝置之間地位平等，這意味著其中任何裝置都可以擔(dān)當(dāng)發(fā)送器、接收器和中繼轉(zhuǎn)發(fā)器.不同距離裝置之間的通信通過(guò)采用多跳路徑的方式完成，這種方式在很多方面與傳統(tǒng)技術(shù)不同.所有的裝置都會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)收到的信息，除非自己為信息發(fā)送目標(biāo)；每條信息跳傳的最大次數(shù)限制為4次.多跳轉(zhuǎn)傳輸采用同步時(shí)隙機(jī)制完成，這些時(shí)隙采用一定數(shù)量的電力線零點(diǎn)交叉進(jìn)行定義；在同步時(shí)隙機(jī)制中，裝置被允許在特定時(shí)隙里進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而相同傳輸距離內(nèi)的其他裝置將不允許傳輸其他信息.未依附在電力線上的RF裝置可以進(jìn)行異步傳輸，但依附在電力線上的RF裝置將同步轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)信息.與經(jīng)典碰撞避免機(jī)制不同的是，INSTEON網(wǎng)絡(luò)中相同傳輸距離內(nèi)的裝置允許同時(shí)發(fā)送相同信息，這種方式稱為同步聯(lián)播.

2.1.4 Wavenis

Wavenis是Coronis Systems開發(fā)的用于多環(huán)境下監(jiān)控應(yīng)用的無(wú)線協(xié)議棧，可以用于家居和樓宇自動(dòng)化.Wavenis現(xiàn)在由Wavenis開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（Wavenis OSA）所推動(dòng)和管理，它定義了物理、鏈路和網(wǎng)絡(luò)層的功能屬性［8］.通過(guò)應(yīng)用編程界面（API），可從更高層面訪問(wèn)Wavenis服務(wù).Wavenis主要運(yùn)行于433MHz、868MHz和915MHz頻段，分別為亞洲、歐洲和美國(guó)的ISM頻段；有些產(chǎn)品也能運(yùn)行在2.4GHz頻段.Wavenis能提供的最低和最高數(shù)據(jù)傳輸率分別是4.8kb／s和100kb／s，而19.2kb／s為典型值.Wavenis使用GFSK進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制和跨50kHz信道頻帶的快速跳頻擴(kuò)頻（FHSS）.Wavenis的MAC子層提供同步和非同步機(jī)制，在同步網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)混合使用載波偵聽(tīng)多址（CSMA）和時(shí)分多址（TDMA），其中TDMA作為對(duì)廣播或組播的應(yīng)答傳輸機(jī)制.正常工作時(shí)，節(jié)點(diǎn)將分配到一個(gè)利用自身地址計(jì)算得到的偽隨機(jī)時(shí)隙，在時(shí)隙傳輸前，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行載波偵聽(tīng)（CS）；若信道繁忙，節(jié)點(diǎn)將計(jì)算一個(gè)新傳輸時(shí)隙；對(duì)于異步網(wǎng)絡(luò)，在可靠性作為關(guān)鍵要求的應(yīng)用中，CSMA／CA機(jī)制將被使用.Wavenis邏輯鏈路控制（LLC）子層通過(guò)提供每幀和每窗口的ACKs來(lái)對(duì)流程和錯(cuò)誤控制進(jìn)行管理.Wavenis只定義一種類型裝置，且其網(wǎng)絡(luò)細(xì)分為4等級(jí)層次樹，樹底層可擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)收集器和網(wǎng)關(guān)的角色.加入Wavenis網(wǎng)絡(luò)的裝置將試圖尋找一個(gè)合適的父系，為此，新裝置將廣播對(duì)特定等級(jí)裝置發(fā)出的請(qǐng)求和一個(gè)充分的服務(wù)質(zhì)量（QoS）值；QoS值考慮了某些參數(shù)，包括接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）測(cè)試值、電池電量以及已依附在此裝置上的裝置個(gè)數(shù)等.

2.1.5 6LoWPAN

盡管當(dāng)初許多學(xué)者對(duì)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性提出質(zhì)疑，但如今IPv6在這些網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中獲得了良好的應(yīng)用演示［9］.實(shí)際上，IPv6擁有為無(wú)國(guó)界自構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)而準(zhǔn)備的多種方案，并且能滿足這些網(wǎng)絡(luò)所需的大量地址空間.同時(shí)，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)小組（IETF）已完成了將互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到傳感器和制動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制.此外，最近成立的智能物體IP（IPSO）聯(lián)盟已經(jīng)在推動(dòng)將IP使用到這些裝置中了.雖然IETF所做的工作尚未完成，但基于IP的傳感器網(wǎng)絡(luò)正在發(fā)展中，并且將極大地?cái)U(kuò)充互聯(lián)網(wǎng)末端.在不遠(yuǎn)的將來(lái)，全標(biāo)準(zhǔn)化的基于IP的WHAN解決方案將進(jìn)入實(shí)用化.IETF IPv6低功耗無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（6LoWPAN）工作小組已為在IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)之上傳輸IPv6數(shù)據(jù)包定義了幀格式和若干機(jī)制.6LoWAPN中的機(jī)制包括：①分裂，Pv6支持1 280bytes長(zhǎng)的數(shù)據(jù)包，而IEEE802.15.4的最大數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為127bytes；②頭標(biāo)題壓縮，將40bytes長(zhǎng)的IPv6頭標(biāo)題壓縮為2bytes長(zhǎng)的頭標(biāo)題；③IPv6地址自構(gòu)造；④針對(duì)LoWPANs的IPv6鄰居發(fā)現(xiàn).如果LoWPAN采用網(wǎng)狀拓?fù)?，將需要路由協(xié)議，而LoWAPNs路由將設(shè)定為2種方式：“網(wǎng)格下”（mesh under）和“路由上”（route over）.在 “網(wǎng) 格 下 ”方 式 中，路 由 將 使 用IEEE802.15.4地址在IP之下完成；在這種結(jié)構(gòu)里整個(gè)LoWPAN以單IP鏈接的方式出現(xiàn).在“路由上”方式中，每次射頻跳轉(zhuǎn)等同于IP跳轉(zhuǎn)，路由發(fā)生在IP層.6LoWPAN裝置各種各樣，邊緣路由器將某個(gè)LoWPAN與其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)；網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)分別在“網(wǎng)格下”和“路由上”完成路由任務(wù)；主機(jī)只是進(jìn)行IPv6數(shù)據(jù)包產(chǎn)生和接收的簡(jiǎn)單裝置.

2.2 WHAN解決方案的性能分析比較

以上對(duì)若干種主流WHAN解決方案的形成、特點(diǎn)和運(yùn)行原理進(jìn)行了分析介紹.下面將從WHAN的特性和要求以及其他技術(shù)和非技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，對(duì)這些解決方案進(jìn)行分析比較，為工程中WHAN解決方案的選定、設(shè)計(jì)和開發(fā)提供一定的參考.

2.2.1 物理層

表1對(duì)各種WHAN解決方案的物理層的特性進(jìn)行了總結(jié).在調(diào)制技術(shù)方面，Z－Wave和INSTEON采用易于實(shí)現(xiàn)的FSK窄帶調(diào)制；Wavenis使用GFSK，其頻譜利用率比FSK更高；相比之下，基于IEEE802.5.4的ZigBee和6LoWPAN采用PSK調(diào)制更為復(fù)雜且靈敏度（SNR）更高；另外，IEEE802.15.4和 Wavenis物理層使用了擴(kuò)頻技術(shù)，能夠提供針對(duì)多徑和窄帶干擾的保護(hù).在傳輸信道模式方面，IEEE802.15.4在915MHz和2.4GHz頻段提供多信道選擇，因此，Zig－Bee和6LoWPAN可以建立基于最小干擾信道選擇的干擾避免機(jī)制.事實(shí)上，如果任意節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到嚴(yán)重干擾，ZigBee協(xié)調(diào)器可決定在新信道上組建新網(wǎng)絡(luò).INSTEON、Wavenis和Z－Wave（除400系列單芯片外）運(yùn)行在亞千兆Hz頻段內(nèi)的單一信道，雖然這些頻段在家居環(huán)境中將受到比2.4GHz頻段更小的干擾并且簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，但并不能確定在未來(lái)亞千兆Hz段會(huì)出現(xiàn)多大的干擾.考慮到這點(diǎn)，最近推出的ZWave400系列芯片則具有靈活的頻率機(jī)制，其接收機(jī)可同時(shí)監(jiān)聽(tīng)3個(gè)不同的頻段，并且在干擾最小的頻段中進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)射.

表1 各種WHAN解決方案的物理層總結(jié)

2.2.2 鏈路層

表2對(duì)WHAN解決方案的鏈路層的特性進(jìn)行了總結(jié).在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑矫妫琙－Wave和INSTEON使用簡(jiǎn)單的8bytes CRC校驗(yàn)，ZigBee和6LoWPAN采用IEEE802.15.4中更加安全的16bytes CRC校驗(yàn)，Wavenis則使用更加先進(jìn)的比特錯(cuò)誤控制技術(shù)——BCH編碼技術(shù).除INSTEON之外，其他解決方案均提供可選的鏈路層ACKs作為可靠鏈路層傳輸；此屬性允許用戶根據(jù)應(yīng)用要求來(lái)定制解決方案，比如在警報(bào)和遠(yuǎn)程護(hù)理應(yīng)用中，可以在可靠性、能量、帶寬節(jié)省之間進(jìn)行折中.

表2 各種WHAN解決方案的鏈路層總結(jié)

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)層

表3對(duì)各WHAN解決方案的網(wǎng)絡(luò)層的特性進(jìn)行了總結(jié).在路由和跳轉(zhuǎn)傳輸方面，Z－Wave中只有收集器保存和維護(hù)著路由表（路由伺服器只有事先設(shè)定的到若干目標(biāo)的路由）.相比較而言，ZigBee家居自動(dòng)化公共應(yīng)用情景模式針對(duì)家居環(huán)境中可能出現(xiàn)的高密度性而推薦使用了大路由表，但這提高了對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器的要求.在 Wavenis中，每個(gè)裝置只存儲(chǔ)了自己到根節(jié)點(diǎn)的路由；而根節(jié)點(diǎn)不存在像其他節(jié)點(diǎn)一樣的限制，因而存儲(chǔ)了到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的路由.INSTEON裝置采用同時(shí)聯(lián)播代替了路由，避免了為進(jìn)行多跳傳輸而進(jìn)行狀態(tài)存儲(chǔ).在路由度量值方面，由于在家居環(huán)境中多徑和干擾影響傳輸性能，而使用鏈接質(zhì)量度量值能有效地改善傳輸性能，因此ZigBee和6LoWPAN使用了IEEE802.15.4中的鏈接質(zhì)量指示器（LQI）來(lái)獲得鏈接質(zhì)量度量值，而LQI通常采用誤碼率估計(jì)（bit error rate estimate，BER）來(lái)實(shí)現(xiàn).Wavenis使用基于RSSI的鏈路質(zhì)量估計(jì)，在多徑和干擾的環(huán)境下無(wú)法做到精確估計(jì).Z－Wave選擇基于跳轉(zhuǎn)計(jì)算度量值的路由，并且對(duì)鏈路質(zhì)量無(wú)察覺(jué).在路由更改延時(shí)方面，由于INSTEON使用同時(shí)聯(lián)播代替路由，當(dāng)中間媒介裝置不可用時(shí)，數(shù)據(jù)仍然可以通過(guò)替代路徑到達(dá)目標(biāo)，而不會(huì)產(chǎn)生連接間隙.其他采用路由的解決方案都會(huì)存在檢測(cè)鏈路失敗后尋找可替代路徑而產(chǎn)生的延時(shí).Z－Wave路由更改延時(shí)（RCL）平均為1s，而ZigBee路由更改延時(shí)平均為50～100ms［8］.

表3 各種WHAN解決方案的網(wǎng)絡(luò)層總結(jié)

2.2.4 應(yīng)用層

表4對(duì)各WHAN解決方案的應(yīng)用層的特性進(jìn)行了總結(jié).ZigBee、Z－Wave和INSTEON具有一系列為各種WHAN應(yīng)用而適當(dāng)定義的命令和屬性，而這種功能6LoWPAN卻沒(méi)有.此外，考慮到裝置受限和LoWPANs使用50～60bytes的傳輸層負(fù)載，傳統(tǒng)應(yīng)用層互聯(lián)協(xié)議（HTTP和SNMP）和數(shù)據(jù)編碼格式自然不適用于基于6LoWPAN的 WHAN.在終端到終端的連接可靠性方面，ZigBee、Z－Wave和INSTEON采用簡(jiǎn)單的終端到終端應(yīng)答確認(rèn)和轉(zhuǎn)播機(jī)制，ZigBee還能過(guò)濾重復(fù)數(shù)據(jù)包；6LoWPAN進(jìn)行可靠傳輸時(shí)，應(yīng)用方案會(huì)使用序列號(hào)擴(kuò)展的UDP、ACKs和重傳.事實(shí)上，TCP對(duì)于限制級(jí)裝置而言太復(fù)雜，且在無(wú)線環(huán)境中表現(xiàn)不佳.

表4 各種WHAN解決方案的網(wǎng)絡(luò)層總結(jié)

2.2.5 其他方面

表5從網(wǎng)絡(luò)安全、互聯(lián)網(wǎng)鏈接、硬件開銷和標(biāo)準(zhǔn)化及市場(chǎng)采用等方面對(duì)各 WHAN方案進(jìn)行了總結(jié).在網(wǎng)絡(luò)安全方面，ZigBee和6LoWPAN利用了IEEE802.15.4提供的鏈路層安全服務(wù)，使用了密鑰長(zhǎng)度為128bits的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）算法；ZigBee提供了應(yīng)用層的密鑰管理，而6LoWPAN卻沒(méi)有制訂密鑰方案.Z－Wave 400系列芯片提供了128－bit AES加密；INSTEON提供了各種加密方法但推薦使用簡(jiǎn)單的滾碼加密；Wavenis也提供了若干種加密算法，包括128－bit AES算法.在互聯(lián)網(wǎng)連接方面，6LoWAPN的最大優(yōu)勢(shì)在于其與互聯(lián)網(wǎng)的互通性，基于6LoWPAN的WHAN與互聯(lián)網(wǎng)連接并不需要使用協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，可通過(guò)IP路由、提供終端到終端IP通信等方式連接至互聯(lián)網(wǎng).本文討論的其他WHAN解決方案在開始設(shè)計(jì)時(shí)并不提供IP支持，但絕大多數(shù)解決方案現(xiàn)已將IP作為關(guān)鍵元素，以滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求.2009年，ZigBee宣稱已將IETF標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合到其規(guī)范文檔；Sigma Design提出了IP－Wave芯片，可以在Z－Wave單芯片解決方案中運(yùn)行IP 棧［10］；Wavenis－OSA聯(lián)盟亦宣稱IP正在被考慮寫入未來(lái)的Wavenis規(guī)范中［11］.在硬件開銷方面，ZigBee、Z－Wave和INSTEON實(shí)現(xiàn)了達(dá)到應(yīng)用層功能的協(xié)議框架.ZigBee所需封裝最大，因?yàn)槠浒艘徽族e(cuò)綜復(fù)雜、應(yīng)用廣泛的機(jī)制.相比較而言，Z－Wave和INSTEON只是為家居自動(dòng)化而定制發(fā)展起來(lái)的，并且提供相對(duì)簡(jiǎn)單的解決方案.因?yàn)橥铰?lián)播相對(duì)簡(jiǎn)單，INSTEON是所要求存儲(chǔ)器數(shù)量最少的WHAN技術(shù).Wavenis并未細(xì)分網(wǎng)絡(luò)層之上的應(yīng)用服務(wù)，消耗的RAM少，但要求使用中型尺寸閃存.而當(dāng)前6LoWPAN的實(shí)現(xiàn)（包括路由和傳輸層協(xié)議，但不包括應(yīng)用層協(xié)議）所需ROM／flash比ZigBee、Z－Wave和Wavenis都要少.在標(biāo)準(zhǔn)化和市場(chǎng)采用方面，INSTEON、Z－Wave和 Wavenis的缺點(diǎn)在于其規(guī)范不夠公開化，而ZigBee規(guī)范雖是公開的，但其獲取需ZigBee聯(lián)盟成員身份；相比較而言，作為互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的6LoWPAN是真正公開的且不需要授權(quán)，這意味著其將擁有比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更多的受眾.用于WHAN的ZigBee產(chǎn)品在市面上出現(xiàn)的比其他解決方案晚，第一款WHAN ZigBee產(chǎn)品出現(xiàn)于2009年8月，而這時(shí)Z－Wave、Wavenis和INSTEON產(chǎn)品已面市多年.6LoWPAN已經(jīng)被若干生產(chǎn)商采納實(shí)現(xiàn)，將主要被部署在智能電力第2版（SE2）；SE2致力于在電力供應(yīng)商和消費(fèi)者之間提供終端到終端連接，已被公認(rèn)為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院智能電網(wǎng)路線圖的一部分［12］.

表5 各種WHAN解決方案的其他方面總結(jié)

3 結(jié) 語(yǔ)

本文調(diào)查了當(dāng)前或即將出現(xiàn)的適用于WHAN的解決方案，包括ZigBee、Z－Wave、INSTEON、Wavenis和6LoWPAN等.首先分析了 WHAN的特點(diǎn)和需求；其次介紹并分析了各種WHAN解決方案的由來(lái)、原理和特性；接著從WHAN的特點(diǎn)和需求出發(fā)，在技術(shù)和非技術(shù)層面上，對(duì)各種WHAN解決方案進(jìn)行了分析對(duì)比，可為WHAN的設(shè)計(jì)開發(fā)提供一定的參考.

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