随着通信技术的迅速发展，人们提出了在人自身附近几米範围之内通信的需求，这样就出现了个人区域网路（personal area network, PAN）和无线个人区域网路（wireless personal area network, WPAN）的概念。WPAN网路为近距离範围内的设备建立无线连线，把几米範围内的多个设备通过无线方式连线在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。IEEE 802.15工作组成立于2002年，这个工作组致力于WPAN网路的物理层（PHY）和媒体访问层（MAC）的标準化工作，目标是为在个人操作空间（personal operating space, POS）内相互通信的无线通信设备提供通信标準。POS一般是指用户附近10米左右的空间範围，在这个範围内用户可以是固定的，也可以是移动的。

基于IEEE 802.15.4无线网路

在IEEE 802.15工作组内有四个任务组（task group, TG），分别制定适合不同套用的标準。这些标準在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。下面是四个任务组各自的主要任务：

（1）任务组TG1：制定IEEE 802.15.1标準，又称蓝牙无线个人区域网路标準。这是一个中等速率、近距离的WPAN网路标準，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。

（2）任务组TG2：制定IEEE 802.15.2标準，研究IEEE 802.15.1与IEEE 802.11（无线区域网路标準，WLAN）的共存问题。

（3）任务组TG3：制定IEEE 802.15.3标準，研究高传输速率无线个人区域网路标準。该标準主要考虑无线个人区域网路在多媒体方面的套用，追求更高的传输速率与服务品质。

（4）任务组TG4：制定IEEE 802.15.4标準，针对低速无线个人区域网路（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定标準。该标準把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭範围内不同设备之间的低速互连提供统一标準。

任务组TG4定义的LR-WPAN网路的特徵与感测器网路有很多相似之处，很多研究机构把它作为感测器的通信标準。

LR-WPAN网路是一种结构简单、成本低廉的无线通信网路，它使得在低电能和低吞吐量的套用环境中使用无线连线成为可能。与WLAN相比，LR-WPAN网路只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。IEEE 802.15.4标準为LR-WPAN网路制定了物理层和MAC子层协定。

IEEE 802.15.4标準定义的LR-WPAN网路具有如下特点：

（1）在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；

IEEE 802.15.4 协定栈

（2）支持星型和点对点两种网路拓扑结构；

（3）有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；

（4）支持冲突避免的载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）；

（5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。

IEEE 802.15.4网路是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标準相互通信的一组设备的集合，又名LR-WPAN网路。在这个网路中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（Full Function Device , FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device , RFD）。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（coordinator）。RFD设备主要用于简单的控制套用，如灯的开关、被动式红外线感测器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样RFD设备可以採用非常廉价的实现方案。

IEEE 802.15.4网路中，有一个称为PAN网路协调器（PAN coordinator）的FFD设备，是LR-WPAN网路中的主控制器。PAN网路协调器（以后简称网路协调器）除了直接参与套用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。

无线通信信道的特徵是动态变化的。节点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖範围不是确定的。这就造成了LR-WPAN网路中设备的数量以及它们之间关係的动态变化。

IEEE 802.15.4网路根据套用的需要可以组织成星型网路，也可以组织成点对点网路。在星型结构中，所有设备都与中心设备PAN网路协调器通信。在这种网路中，网路协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备採用电池供电。星型网路适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小範围的室内套用。

与星型网不同，点对点网路只要彼此都在对方的无线辐射範围之内，任何两个设备之都可以直接通信。点对点网路中也需要网路协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。点对点网路模式可以支持ad hoc网路允许通过多跳路由的方式在网路中传输数据。不过一般认为自组织问题由网路层来解决，不在IEEE 802.15.4标準讨论範围之内。点对点网路可以构造更複杂的网路结构，适合于设备分布範围广的套用，比如在工业检测与控制、货物库存跟蹤和智慧型农业等方面有非常好的套用背景。

网路拓扑的形成过程

虽然网路拓扑结构的形成过程属于网路层的功能，但IEEE 802.15.4为形成各种网路拓扑结构提供了充分支持。这部分主要讨论IEEE 802.15.4对形成网路拓扑结构提供的支持，并详细地描述了星型网路和点对点网路的形成过程。

1、星型网路形成

星型网路以网路协调器为中心，所有设备只能与网路协调器进行通信，因此在星型网路的形成过程中，第一步就是建立网路协调器。任何一个FFD设备都有成为网路协调器的可能，一个网路如何确定自己的网路协调器由上层协定决定。一种简单的策略是：一个FFD设备在第一次被激活后，首先广播查询网路协调器的请求，如果接收到回应说明网路中已经存在网路协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为了这个网路中的普通设备。如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个FFD设备就可以建立自己的网路，并且成为这个网路的网路协调器。当然，这里还存在一些更深入的问题，一个是网路协调器过期问题，如原有的网路协调器损坏或者能量耗尽；另一个是偶然因素造成多个网路协调器竞争问题，如移动物体阻挡导致一个FFD自己建立网路，当移动物体离开的时候，网路中将出现多个协调器。

网路协调器要为网路选择一个惟一的标识符，所有该星型网路中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关係。不同星型网路之间的设备通过设定专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后，网路协调器就允许其他设备加入自己的网路，并为这些设备转发数据分组。

星型网路中的两个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包传送给网路协调器，然后由网路协调器转发给对方。

2、点对点网路的形成

点对点网路中，任意两个设备只要能够彼此收到对方的无线信号，就可以进行直接通信，不需要其他设备的转发。但点对点网路中仍然需要一个网路协调器，不过该协调器的功能不再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网路管理功能。网路协调器的产生同样由上层协定规定，比如把某个信道上第一个开始通信的设备作为该信道上的网路协定器。簇树网路是点对点网路的一个例子，下面以簇树网路为例描述点到点网路的形成过程.

在簇树网路中，绝大多数设备是FFD设备，而RFD设备总是作为簇树的叶设备连线到网路中。任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网路协调器，为其他设备提供同步信息。在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网路的网路协调器。网路协调器可能和网路中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。网路协调器首先将自己设为簇头（cluster header ,CLH），并将簇标识符（cluster identifier, CID）设定为0，同时为该簇选择一个未被使用的PAN网路标识符，形成网路中的第一个簇。接着，网路协调器开始广播信标帧。邻近设备收到信标帧后，就可以申请加入该簇。设备可否成为簇成员，由网路协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的子设备加入网路协调器的邻居列表。新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居列表中。

上面讨论的只是一个由单簇构成的最简单的簇树。PAN网路协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头，以此形成更多的簇。新簇头同样可以选择其他设备成为簇头，进一步扩大网路的覆盖範围。但是过多的簇头会增加簇间讯息传递的延迟和通信开销。为了减少延迟和通信开销，簇头可以选择最远的通信设备作为相邻簇的簇头，这样可以最大限度地缩小不同簇间讯息传递的跳数，达到减少延迟和开销的目的。

IEEE 802.15.4网路协定栈基于开放系统互连模型（OSI），每一层都实现一部分通信功能，并向高层提供服务。

IEEE 802.15.4标準只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以及底层的控制模组构成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。

IEEE 802.15.4是ZigBee，WirelessHART，MiWi等规范的基础，描述了低速率无线个人区域网路的物理层和媒体接入控制协定，属于IEEE 802.15工作组。在868/915M、2.4GHz的ISM频段上，数据传输速率最高可达250kbps。其低功耗、低成本的优点使它在很多领域获得了广泛的套用。在打包提供的免费协定栈代码中，TI公司的协定栈部分以库的形式提供，限制了其套用範围即只能套用于其公司所生产的单片机晶片上，不方便扩展、修改；而Microchip儘管提供了原始码，但在编程风格、多任务作业系统上运行考虑欠周。鑒于此，设计实现结构清晰、层次分明、移植方便、能运行在多任务环境上的IEEE802.15.4协定代码，可为架构上层协定及套用扩展建立良好的基础。