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IEEE802.15.4与IEEE802.11对比调研报告1、引言通信模块是无线多媒体传感器节点的重要组成部分。目前用于短距离无线通信技术的主要有一下几个标准：IEEE802.11(WiFi)、IEEE802.15.4(ZigBee)、IEEE802.15.1(Bluetooth)。传统无线传感器网络（MSN）应用较多的是IEEE802.15.4(ZigBee)。这是一种短距离、低功耗、低速率的无线通信技术。传统MSN采集的多是温度、适度、震动等标量信息，数据量较小，故ZigBee足够满足对速率的要求。随着无线传感器网络中引入了多媒体，图像、音频、视频流的传输使得无线多媒体传感器网络（WMSN）的数据流量急剧增大。ZigBee的250kbps的速率则很难满足网络对传输速率的要求。因此考虑是否可以采用IEEE802.11(WiFi)技术。IEEE802.11b在2.4GHz频率上的最高传输速率可以达到11Mbps，可以满足传输视频流的要求。鉴于此，对两种技术及相应的芯片进行了调研，并对主要参数进行了对比。2、IEEE802.15.4（ZigBee）简介IEEE802.15.4网络是指在同一区域内使用相同无线信道并通过IEEE802.15.4标准相互通信的一组设备的集合。ZigBee定义了网络的物理层（PHY）和媒介访问层（MAC）。其对物理层的定义为其定义了两个工作频段，即2.4GHz频段和868/915MHz频段。其中前者为全世界通用的免许可证的ISM频段，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有，故实际科研中多使用2.4GHz频段。物理层采用DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频）技术，在2.4GHz频段提供16路速率为250kbps的信道。ZigBee的网络拓扑主要有星状、网状和混合状。ZigBee最突出的有点即省电。ZigBee网络节点设备工作周期较短、收发信息功率低，并且采用了休眠模式，所以ZigBee技术特别省电，避免了频繁的更换电池或充电，从而减轻了网络维护的负担。3、IEEE802.11（WiFi）简介与ZigBee一样，WiFi同样定义了物理层和MAC层。物理层定义其工作频段为2.4GHz和5GHz。IEEE802.11家族有802.11、802.11a、802.11b、802.11c……802.11y等一系列标准，均是在802.11标准上补充及维护得来的。比较重要的几个有802.11a，1999年做了物理层补充，在原来速率为2Mbps的2.4GHz信道的基础上补充了速率为54Mbps的5GHz信道；802.11b，1999年，对物理层补充，11Mbps速率在2.4GHz上；802.11g，2003年对物理层补充，54Mbps速率在2.4GHz上；802.11n，2008年上半年通过正式标准，传输速率提升至300Mbps，甚至是600Mbps。目前市场上的产品也多是支持802.11b/g及802.11n的。WiFi在物理层可以采用FHSS（FrequencyHoppingSpreadSpectrum，跳频扩频）技术和DSSS技术。由于FHSS和DSSS技术在运行机制上完全不同，故采用这两种技术的设备没有互操作性。WiFi既可以组成AdHoc网络，也可以通过接入点组成AP网络。WiFi在传输速率和传输距离上均优于ZigBee，但其相对于ZigBee较高的功耗对其在WMSN中的应用产生了影响。4、IEEE802.15.4与IEEE802.11主要技术参数对比技术标准频段速率传输距离网络类型组网形式802.11b2.4GHz11Mbps140mLANAdhoc/AP802.11g2.4GHz54Mbps140mLANAdhoc/AP802.11n2.4GHz/5GHz300Mbps250mLANAdhoc/AP802.15.4868/915MHz2.4GHz40kbps250kbps75mPANAdhoc通过增大外接天线的增益，WiFi和ZigBee的传输距离均可以增大，但相应功耗也随之增大。两种通信的技术的编码方式等特性不是本次调研重点关注的，在此不再一一列举。5、TIChipconCC2420与Marvell88W8686功耗特性对比在引言中曾经提到，WiFi之所以没有广泛应用在WSN中，最重要的一个原因就是它的功耗较之ZigBee要高。为了对两种技术的功耗特性进行对比，经过调研，选取了两款各自技术的比较有代表性的芯片。ZigBee技术选取了TI的CC2420芯片。CC2420是Chipcon公司推出的用来实现ZigBee应用的单片RF收发器。它具有高度集成、低功耗、低成本、低电压的特点，能够进行鲁棒的无线通信。内置一个数字直接序列扩频调制解调模块，提供9dB的扩频增益，速率可达250kbps。WiFi技术选取了Marvell公司的88W8686芯片。8686芯片是一款低成本、低功耗、高度集成的支持IEEE802.11a/b/g的射频收发器。设计用于在IEEE802.11a或IEEE802.11g下提供6、9、12、18、24、36、48和54Mbps的传输速率；以及在IEEE802.11b下提供1、2、5.5和11Mbps的传输速率。参数ChipconCC2420Marvell88W8686灵敏度-94dBm-85dBm休眠电流20μA1mA空闲电流426μA158mA-195mA接收电流19.7mA209mA-250mA（802.11b，11Mbps）发射电流8.5mA（-25dBm）9.9mA（-15dBm）11mA（-10dBm）14mA（-5dBm）17.4mA（0dBm）175mA-212mA（802.11b，11Mbps）205mA-242mA（802.11g，54Mbps）(Marvell88W8686可以提供三类传输标准下不同速率的10余中传输模式，在此只选择两种常用的传输模式（802.11b标准下11Mbps速率、802.11g标准下54Mbps）进行比对。通过对比得知，88W8686芯片的功耗要比CC2420大一个量级。Intel公司下属的一家风险公司——GainSpan公司推出了一款超低功耗wifi芯片——GS1011SoC。该公司宣称GS1011可以将功耗降低到以往wifi芯片的1/10甚至1/100。但目前尚查不到该芯片的应用实例，同时该芯片的数据手册中，关于功耗部分扔在TBD状态，没有提供准确数据。故不将该芯片纳入本次比对范围。6、两种传输标准在传感器网络领域的应用现状目前国内外现有的无线多媒体传感器节点中，使用ZigBee技术的仍占大多数。比如国外的有伯克利的Mica系列及CITRIC平台、卡耐基梅隆的CMUcam3平台，国内南京邮电大学研制的UbiCell系列节点等。随着多媒体传感器节点的发展，为了保证传输速率，wifi技术的应用也逐渐多了起来。比如伯克利的Stargate系列节点即是使用了wifi技术，在WMSN中充当SINK节点及网关。卡耐基梅隆大学推出的DSPCam平台也同样采用了wifi技术。国内清华精仪系研制的Tip-SN无线传感器节点也同样采用了IEEE802.11技术。7、总结与思考通过对两种通信技术的对比，了解到在传输速率、传输距离、安全性方面，wifi都要优于ZigBee。但在功耗方面，ZigBee相对于wifi拥有无可比拟的优势，这一点非常符合无线传感器网络对于低功耗的需求。WMSN对于传输速率和系统功耗都有较高的要求。选择ZigBee技术的节点多是在应用层进行了配合。通过对采集到的图像及视频流在节点上进行预处理，过滤掉冗余信息和背景信息，只保留前景信息，有效减少数据传输量，以此来配合ZigBee的传输能力。通过网内协作也可以有效降低网络数据传输量。网内协作也是无线传感器网络的一个研究热点。在通信技术方面，IEEE802.11n补充了多进多出技术（MIMO），可以有效的加快传输速率、扩大传输范围。在传感器网络中，受单个节点功耗及体积的限制，增加天线比较困难，有文献提出了用多个传感器节点组成虚拟MIMO。下一步准备细致了解一下MIMO，看看ZigBee有没有相应的补充与延伸。MIMO与ZigBee网络中的网内协作似乎有相通之处。通过深入调研，看看能不能找到共性，是否能够进行移植及组合。近期，超宽带（UWB）有逐渐成为热点的趋势。UWB的传输速率极快、功耗极低，有文献称其非常适合用于WMSN，但UWB的一个不足就是传输范围太小。下一步计划对UWB进行调研，看其是否可以应用于WMSN。