第二章 相關理論與技術
2.2 無線感測網路
2.2.1 IEEE 802.15.4 標準
IEEE 802 標準是 IEEE 為區域網路（Local Area Network, LAN）和無線都會網路
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（Wireless Metropolitan Area Network, WMAN）所提出的通訊協定，較有名的家族成 員有 IEEE 802.3（乙太網路）、IEEE 802.11（無線區域網路），及最新成員 IEEE 802.16
（ Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX ） 和 IEEE 802.20
（Management by Wandering Around, MBWA）等。無線個人區域網路（WPAN）的標 準化是由 IEEE 802.15 第 4 群組[5]（Task Group 4,TG4）負責，該小組於 2002 年以 Bluetooth 1.0 為基礎發表了第一個 WPAN 標準－IEEE 802.15.1，它是屬於 IEEE 802.x 系列標準之一，負責定義開放式通訊系統互連參考模型（Open System Interconnection Reference Model, OSI），參考模型中的媒體存取控制層（MAC）及網路實體層（PHY）
作為基底架構，如圖 2.4 所示，ZigBee Alliance 則向上制定網路層（Network Layer）
及應用層（Application Layer），以針對 250 kbps 以下的低傳輸速率制定個人無線區域 網路標準。其目的是提供一個具有易於安裝使用、低耗電、低功率、低複雜度、短距 離、可支援大量網路節點及安全資料傳輸等特色之通訊標準，在媒體存取控制層亦可 搭配開發廠商自定的網路層及應用層，或是由其他聯盟組織所訂定網路層及應用層之 標準，如 ZigBee Alliance 等[15]。
圖 2.4 IEEEE 802.15.4 網路協定層級圖[15]
應用層（Application）
Zigbee 傳輸安全
&
網路層（Network）
媒體存取控制層（MAC）
實體層（PHY）
868/915 MHz 實體層（PHY）
2400 MHz（2.4G）
Application Customer
ZigBee Alliance
IEEE 802.15.4
Zigbee Stack
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IEEE 802.15.4 網路協定層級架構組成〆
實體層（PHY）
主要負責開啟或關閉無線電傳送或接收，在資料傳輸之前，會先偵測通訊頻 帶是否已完全清空，若通道無資料傳輸，再開始使用載波偵測多重存取技術－碰 撞迴避（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA-CA）機制，
若是產生碰撞則稍後重新再傳，掌控偵測封包的連線訊號品質，及選擇適合頻帶 完成資料傳送與接收。
媒體存取控制層（MAC）& 網路層（Network）
除了主要負責與實體層溝通，還包括裝置與協調者間之信標（Beacon）的同 步、裝置加密安全機制、若裝置為協調者時亦予產生信標、在個人區域網路加入 或退出處理機、頻帶掃描、以及控制與保證時槽（Guaranteed Time-Slot, GTS）
機制的使用。
應用層（Application）
搭配開發廠商所自定的程式碼指定功能於網路層及應用層，或是由其他聯盟 組織所訂定網路層及應用層之標準。
IEEE 802.15.4[5]工作小組把低速率控制網路之無線網路通訊協定，其傳輸速率介 於 20kbps 至 250kbps 之間，分成了三種頻帶，868MHz、915MHz 頻帶與 2.4GHz 頻 帶，如表 2.2 所示，依所使用通訊頻帶而決定地區有所不同，前者只在歐洲和美國等 地區開放々後者則為全球免授權開放頻帶，由於 2.4GHz 為全球統一免授權開放之頻
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帶，此全球標準化將可有益許多公司開發國際性的網路通訊產品。
表 2.2 IEEE 802.15.4 頻帶與傳輸速率關係表[5]
頻帶 頻率範圍
（MHz） 頻道數 Chip Rate
（kchip/s）
傳輸速率
（kbps） 區域 868MHz 868.3 1 300 20 歐洲 915MHz 902-928 10 600 40 美國 2.4GHz 2405-2480 16 2000 250 全球
低速率無線個人區域網路 IEEE 802.15.4 定義了兩種的實體裝置，分別是全功能 裝置全功能裝置（Full Function Device, FFD）和精簡功能裝置（Reduced Function Device, RFD）[1]。其中，FFD 可扮演三種網路成員的角色，分別是個人區域網路協 調者（PAN Coordinator）、協調者（Coordinator）、裝置（Device）。而 RFD 僅能 扮演 Device 的角色[31]。
IEEE 802.15.4 實體裝置組成類別〆
全功能裝置（FFD）〆FFD 可成為個人區域網路的協調者，在同一頻帶中有兩個 或是兩個以上的裝置，可構成一個無線個人區域網路，並可以和其他無線裝置通 訊。
精簡功能裝置（RFD）〆RFD 無法成個人區域網路的協調者，並且在一個無線 個人區域網路中，必頇包含至少一個 FFD 作為無線個人區域網路之協調者，其 操作非常簡單執行使用，而且通常僅和一個全功能無線裝置通訊。
其中 IEEE 802.15.4 實體裝置網路角色成員包含有〆
個人區域網路協調者（PAN Coordinator）〆必頇為全功能裝置 FFD，在個
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人區域網路必頇存在，並且只會僅一個 PAN Coordinator，主要是負責中央 控制擴充網路實體範圍，並控制網路拓樸的形成。
協調者（Coordinator）〆必頇為全功能裝置 FFD，主要負責建立網路、分配 網路位置、轉送資料、協調部分網路成員的流量，並發送或接收命令與資料。
裝置（Device）〆所使用的裝置可以是 FFD 或 RFD，是整個網路拓樸中的 末端節點角色，只負責發送資料與接收命令，不能做轉送資料的動作，因此 只需提供少量的資源即可。