無線感測器網路通訊協定介紹

無線通訊技術其基本原理是利用調變(Modulation)與解調變(Demodulation)這

兩個技術，調變技術是將待傳送的資料加入載波，加以處理後，傳輸至傳輸媒體 以電波訊號傳送。接收端接收到電波訊號後，會將調變過的訊號還原成接收端可 解讀之原始資料，此過程稱之為解調變(Chen and Laneman, 2006)。

二次世界大戰後，無線通訊技術開始發展，為了達到遠距離無線通訊的軍事 需求應用，科學家們研發了無線電傳輸編碼技術(Jackson, 2005)。由於成果與發展 逐漸受到重視，1970 年，第一個使用封包傳輸技術的無線電通訊網路系統被美國 夏威夷大學(University of Hawaii, USA)所研發成功，這套系統又稱為 ALOHA System 架構(Abramson, 1970)，由夏威夷島上四座通訊設備所構成，系統架構為 雙向星狀架構(Bi-directional Star Topology)，在當時已有無線區域網路(Wireless Local Area Network, WLAN)的雛型，但是缺乏通用的無線通訊標準，導致難以擴 張與整合。無線通訊網路通訊協定直到 1997 年 6 月，才因國際電機電子工程師學 會(The Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)首次具體提出 IEEE 802.11 無線通訊協定後，開始快速的發展，在 IEEE 802.11 無線通訊協定中，定 義了實體層與媒體存取控制層。這個無線通訊協定定義了在兩種 2.4 GHz 的 ISM 頻段(Industrial Scientific Medical Band)上的應用，傳輸速率為 2 Mbit/s，以及一種 以紅外線技術傳輸的模式，同時也定義了兩種無線網路架構的規範，一種為不存 在任何網路中心，所有位於網路系統中設備自主交換資訊的「隨意網路」標準，

又稱為隨建即連網路(Ad-Hoc Network)，另一種規範存在一個基地台作為網路系 統的中心，所有資訊都需經由這個中心收集以及派送(D-Link 技術團隊，2005)。

在 1999 年，由 IEEE 所公佈的兩個新的無線通訊協定版本，分別為 802.11a 以及 802.11b，802.11a 所使用的為 5 GHz 的 ISM 頻段，其可提供 54 Mbit/s 傳輸速率；

802.11b 則依然使用 2.4 GHz 的 ISM 頻段，但其可提供較 IEEE 802.11 高的傳輸速 率，可達到 11 Mbit/s(唐，2004)。由於 2.4 GHz 為世界上大部分國家所使用的通 用 ISM 頻段，由於傳輸範圍受到頻率的影響，高載波頻率會降低傳輸距離，因此 802.11b 逐漸成為發展的主流無線通訊協定。隨著應用需求，802.11b 持續加強其

物理層的規格，IEEE 於 2003 年制定了 802.11g，傳輸速率提升至 54 Mbit/s。而隔 6 年後 IEEE 正式通過 802.11n 無線通訊標準，理論上其傳輸速率可以高達為 300 Mbit/s。

由於 IEEE 802.11 主要針對無線區域網路的設置來進行架構開發，主要的訴 求為多個無線網路設備之間的穩定、高速以及大量節點間的存取。在另一方面，

IEEE 802.15 則將開發著重於無線個人區域網路(Wireless Personal Area Network, WPAN)的標準。IEEE 802.15 第四工作小組(Task Group)：IEEE 802.15.4，又被稱 為低速率無線個人網路(Low-Rate Wireless Personal Area Networks, LR-WPAN)，其 開發目標即是針對資訊流量較低的應用，具有較低的開發複雜度且可以經由電池 當作能源來源，維持系統長期運作的網路設備(Balani, 2007)。第一個低速率無線 個人網路版本發表於 2003 年 5 月。

今日主流之低耗能低速率無線個人網路規範，多以此開發小組所發佈的標準 作為基礎，其中較常運用的實作包括 6LoWPAN、ZigBee、INSTEON、Z-Wave 以及 Wavenis 等等。但是除了前兩個實作為遵循一般性的規範外，其餘的實作都 只提供極致選擇給特定需求的應用，且詳細的技術細節都由商業組織擁有並未公 開，需經過授權才可使用(Gomez and Paradells, 2010)；反觀 ZigBee 由於提供較完 整公開的規範，且又能達到低功耗的需求，因此最適合應用於無線感測器網路 (Baronti et al., 2007)。

ZigBee 是一種低傳輸速率(250 kbps)、短距離、低功耗而且架構十分簡單的 無線通訊協定，表 2-3 列出了 Zigbee 與其他無線通訊的比較。Zigbee 的命名是來

控、智能家庭以及醫療照護等等，由於多項優點逐漸被產業採用為短距離無線傳

ZigBee Alliance, 2011)。

表 2-3 無線通訊技術比較表

*kbps: kilobit per second，千位元每秒

*Mbps: Megabit per second，百萬位元每秒

圖 2-12 IEEE 為基礎之 ZigBee 無線通訊協定(李，2006)

圖 2-13 ZigBee 相關應用標準(USA: ZigBee Alliance, 2011)