張利紅，陰亞東

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

近幾年來，無線傳感器和制動器網(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，此項技術(shù)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域是家庭自動控制.無線家庭自動控制網(wǎng)絡(luò)（Wireless Home Automation Network，WHAN）能夠進行家庭監(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.有線解決方案要求使用管道和電纜，無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.然而無線傳播的動態(tài)特性、資源有限性和裝置機動性對WHAN的設(shè)計帶來了挑戰(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)，對這些解決方案進行分析討論.

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，進行視線外、中長距離（＞10m）的雙向數(shù)據(jù)通信.

電力管理：通過各種傳感器收集的監(jiān)測參數(shù)如溫度、濕度、亮度等，可有效地控制窗簾、空調(diào)等裝置而避免無謂的能量浪費；通過監(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進行電力負(fù)荷的管理.

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

安全保障：基于煙霧監(jiān)測器、玻璃破損傳感器和運動傳感器的高級安保系統(tǒng)，可監(jiān)測到可能存在的危險境況并觸發(fā)適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)機制，如煙霧監(jiān)測器可觸發(fā)火警.

通過對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)點數(shù)量和節(jié)點密度都可能很高.

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

（4）支持多種通信機制，如點對點（開關(guān)向某盞燈發(fā)送命令）、單點對多點（遙控器向一組裝置發(fā)送命令）和多點對單點（若干傳感器向中央控制器回報測量值）之間的通信.

（5）雖然大多數(shù)家居裝置都是固定不動的，但某些裝置的移動特性和射頻信號傳播的動態(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）對于某些監(jiān)控應(yīng)用而言，延遲無關(guān)緊要；而對于緊急狀態(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（如入侵警報系統(tǒng)）需要使用安全保護機制.

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

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行介紹分析.

2.1.1 ZigBee

ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟發(fā)展起來的低傳輸速率、短距離應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，過去稱為“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、美國和全球免費頻段，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種通信機制都使用了直接序列擴頻（DSSS）.ZigBee的MAC層存在2種信道接入模式：信標(biāo)模式（beacon－enabled）和無信標(biāo)模式（beaconless）.第一種方式假定存在某個節(jié)點作為個域網(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個周期：①競爭接入期（CAP）.在此時期，將使用帶有碰撞避免（CA）的載波偵聽多址接入（CSMA）；②無競爭期（CFP）.在此時期，節(jié)點可以在分配到的獲保障的時隙內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸；③靜止期.在此時期，節(jié)點將保持休眠模式.在無信標(biāo)模式下，裝置將使用簡單的載波偵聽多址接入／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.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，適合數(shù)據(jù)收集，包括容易實現(xiàn)多跳數(shù)據(jù)發(fā)送的地址分配機制；在網(wǎng)狀拓?fù)渲校捎昧嘶谧越M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，可用于任意點對點通信.還提供多點對單點路由，用于多點裝置節(jié)點與中央收集節(jié)點或者接收節(jié)點之間的通信.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)實例進行了定義；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)展起來的無線協(xié)議框架，由Z－Wave聯(lián)盟推動用于家居和商業(yè)環(huán)境自動化.Z－Wave主要定位于在網(wǎng)絡(luò)中提供從控制單元到單點或多點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)進行組織.Z－Wave主要在900MHz ISM頻段（歐洲868MHz，美國908MHz）運行，采用二進制頻移鍵控（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制，允許在信道可用時進行數(shù)據(jù)幀傳輸；否則，傳輸將被延遲且延遲時間隨機.傳遞層對連續(xù)的兩節(jié)點之間的通信進行管理，其在ACKs基礎(chǔ)上提供了一種可選中轉(zhuǎn)機制.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，可以通過多達4次跳轉(zhuǎn)完成傳輸，在滿足了家居環(huán)境要求的同時能限制源路由數(shù)據(jù)的管理開銷.管理器維護著一張表征整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木W(wǎng)表，手持管理器（如遙控器）將首先嘗試通過直接傳輸?shù)竭_目標(biāo)；如果傳輸失敗，管理器將估計自己的位置并計算到達目標(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.由于一般情況下傳感器檢測過程中的詢問延時是可以接受的，因此伺服器適合于監(jiān)測傳感器；同樣，伺服器可作為響應(yīng)激活命令并完成動作的制動器.路由伺服器則可用于對時間要求苛刻并且無請求的傳輸應(yīng)用，如警報激活.

2.1.3 INSTEON

INSTEON［7］是 由 SmartLabs 發(fā) 展 起 來 并 由INSTEON聯(lián)盟推動的家居自動化解決方案.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RF、電力線或者同時采用2種方式進行連接.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)傳輸采用同步時隙機制完成，這些時隙采用一定數(shù)量的電力線零點交叉進行定義；在同步時隙機制中，裝置被允許在特定時隙里進行數(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)用的無線協(xié)議棧，可以用于家居和樓宇自動化.Wavenis現(xiàn)在由Wavenis開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（Wavenis OSA）所推動和管理，它定義了物理、鏈路和網(wǎng)絡(luò)層的功能屬性［8］.通過應(yīng)用編程界面（API），可從更高層面訪問Wavenis服務(wù).Wavenis主要運行于433MHz、868MHz和915MHz頻段，分別為亞洲、歐洲和美國的ISM頻段；有些產(chǎn)品也能運行在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進行數(shù)據(jù)調(diào)制和跨50kHz信道頻帶的快速跳頻擴頻（FHSS）.Wavenis的MAC子層提供同步和非同步機制，在同步網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點混合使用載波偵聽多址（CSMA）和時分多址（TDMA），其中TDMA作為對廣播或組播的應(yīng)答傳輸機制.正常工作時，節(jié)點將分配到一個利用自身地址計算得到的偽隨機時隙，在時隙傳輸前，節(jié)點進行載波偵聽（CS）；若信道繁忙，節(jié)點將計算一個新傳輸時隙；對于異步網(wǎng)絡(luò)，在可靠性作為關(guān)鍵要求的應(yīng)用中，CSMA／CA機制將被使用.Wavenis邏輯鏈路控制（LLC）子層通過提供每幀和每窗口的ACKs來對流程和錯誤控制進行管理.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合適的父系，為此，新裝置將廣播對特定等級裝置發(fā)出的請求和一個充分的服務(wù)質(zhì)量（QoS）值；QoS值考慮了某些參數(shù)，包括接收信號強度指示（RSSI）測試值、電池電量以及已依附在此裝置上的裝置個數(shù)等.

2.1.5 6LoWPAN

盡管當(dāng)初許多學(xué)者對互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)對傳感器網(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］.實際上，IPv6擁有為無國界自構(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，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)小組（IETF）已完成了將互聯(lián)網(wǎng)擴展到傳感器和制動器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化機制.此外，最近成立的智能物體IP（IPSO）聯(lián)盟已經(jīng)在推動將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，并且將極大地擴充互聯(lián)網(wǎng)末端.在不遠(yuǎn)的將來，全標(biāo)準(zhǔn)化的基于IP的WHAN解決方案將進入實用化.IETF IPv6低功耗無線個域網(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制.6LoWAPN中的機制包括：①分裂，Pv6支持1 280bytes長的數(shù)據(jù)包，而IEEE802.15.4的最大數(shù)據(jù)幀長度為127bytes；②頭標(biāo)題壓縮，將40bytes長的IPv6頭標(biāo)題壓縮為2bytes長的頭標(biāo)題；③IPv6地址自構(gòu)造；④針對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LoWPAN與其他網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)；網(wǎng)格節(jié)點和路由節(jié)點分別在“網(wǎng)格下”和“路由上”完成路由任務(wù)；主機只是進行IPv6數(shù)據(jù)包產(chǎn)生和接收的簡單裝置.

2.2 WHAN解決方案的性能分析比較

以上對若干種主流WHAN解決方案的形成、特點和運行原理進行了分析介紹.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)，對這些解決方案進行分析比較，為工程中WHAN解決方案的選定、設(shè)計和開發(fā)提供一定的參考.

2.2.1 物理層

表1對各種WHAN解決方案的物理層的特性進行了總結(jié).在調(diào)制技術(shù)方面，Z－Wave和INSTEON采用易于實現(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物理層使用了擴頻技術(shù)，能夠提供針對多徑和窄帶干擾的保護.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制.事實上，如果任意節(jié)點監(jiān)測到嚴(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化了硬件設(shè)計，但并不能確定在未來亞千兆Hz段會出現(xiàn)多大的干擾.考慮到這點，最近推出的ZWave400系列芯片則具有靈活的頻率機制，其接收機可同時監(jiān)聽3個不同的頻段，并且在干擾最小的頻段中進行數(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WHAN解決方案的鏈路層的特性進行了總結(jié).在數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃苑矫妫琙－Wave和INSTEON使用簡單的8bytes CRC校驗，ZigBee和6LoWPAN采用IEEE802.15.4中更加安全的16bytes CRC校驗，Wavenis則使用更加先進的比特錯誤控制技術(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)用要求來定制解決方案，比如在警報和遠(yuǎn)程護理應(yīng)用中，可以在可靠性、能量、帶寬節(jié)省之間進行折中.

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對各WHAN解決方案的網(wǎng)絡(luò)層的特性進行了總結(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家居自動化公共應(yīng)用情景模式針對家居環(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ZigBee節(jié)點存儲器的要求.在 Wavenis中，每個裝置只存儲了自己到根節(jié)點的路由；而根節(jié)點不存在像其他節(jié)點一樣的限制，因而存儲了到每一個節(jié)點的路由.INSTEON裝置采用同時聯(lián)播代替了路由，避免了為進行多跳傳輸而進行狀態(tài)存儲.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）來獲得鏈接質(zhì)量度量值，而LQI通常采用誤碼率估計（bit error rate estimate，BER）來實現(xiàn).Wavenis使用基于RSSI的鏈路質(zhì)量估計，在多徑和干擾的環(huán)境下無法做到精確估計.Z－Wave選擇基于跳轉(zhuǎn)計算度量值的路由，并且對鏈路質(zhì)量無察覺.在路由更改延時方面，由于INSTEON使用同時聯(lián)播代替路由，當(dāng)中間媒介裝置不可用時，數(shù)據(jù)仍然可以通過替代路徑到達目標(biāo)，而不會產(chǎn)生連接間隙.其他采用路由的解決方案都會存在檢測鏈路失敗后尋找可替代路徑而產(chǎn)生的延時.Z－Wave路由更改延時（RCL）平均為1s，而ZigBee路由更改延時平均為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對各WHAN解決方案的應(yīng)用層的特性進行了總結(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采用簡單的終端到終端應(yīng)答確認(rèn)和轉(zhuǎn)播機制，ZigBee還能過濾重復(fù)數(shù)據(jù)包；6LoWPAN進行可靠傳輸時，應(yīng)用方案會使用序列號擴展的UDP、ACKs和重傳.事實上，TCP對于限制級裝置而言太復(fù)雜，且在無線環(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)化及市場采用等方面對各 WHAN方案進行了總結(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)，使用了密鑰長度為128bits的高級加密標(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)計時并不提供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行IP 棧［10］；Wavenis－OSA聯(lián)盟亦宣稱IP正在被考慮寫入未來的Wavenis規(guī)范中［11］.在硬件開銷方面，ZigBee、Z－Wave和INSTEON實現(xiàn)了達到應(yīng)用層功能的協(xié)議框架.ZigBee所需封裝最大，因為其包含了一整套錯綜復(fù)雜、應(yīng)用廣泛的機制.相比較而言，Z－Wave和INSTEON只是為家居自動化而定制發(fā)展起來的，并且提供相對簡單的解決方案.因為同步聯(lián)播相對簡單，INSTEON是所要求存儲器數(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)化和市場采用方面，INSTEON、Z－Wave和 Wavenis的缺點在于其規(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爭對手更多的受眾.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)商和消費者之間提供終端到終端連接，已被公認(rèn)為美國國家標(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

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的特點和需求；其次介紹并分析了各種WHAN解決方案的由來、原理和特性；接著從WHAN的特點和需求出發(fā)，在技術(shù)和非技術(shù)層面上，對各種WHAN解決方案進行了分析對比，可為WHAN的設(shè)計開發(fā)提供一定的參考.

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