IEEE 802.15.4是一种技术标准，它定义了低速率无线个域网 （LR-WPAN）的协议。 它规定了LR-WPAN的物理层和媒体访问控制 ，并由IEEE 802.15工作组维护，该工作组在2003年定义了该标准。它是Zigbee的基础，诸如 ISA100.11a ， WirelessHART ， MiWi ， 6LoWPAN ， 线程和SNAP规范，每个规范通过开发IEEE 802.15.4中未定义的上层进一步扩展了标准。

IEEE802.15.4标准旨在提供一种无线个域网（WPAN）的基本较低网络层，其专注于设备之间的低成本，低速无处不在的通信。它可以与其他方法形成对比，例如Wi-Fi，它提供更多带宽并需要更多功率。重点是附近设备的低成本通信，几乎没有底层基础设施，打算利用它来进一步降低功耗。

基本框架设计了10米通信范围，传输速率为250 kbit / s。通过定义不是一个物理层而是几个物理层，可以通过权衡来支持具有更低功率要求的更多基础嵌入式设备。最初定义了20和40 kbit / s的较低传输速率，在当前版本中添加了100 kbit / s速率。

可以考虑更低的速率，从而对功耗产生影响。如前所述，WPAN中IEEE 802.15.4的主要识别特征是在不牺牲灵活性或通用性的情况下实现极低的制造和运营成本以及技术简单性的重要性。

重要功能包括预留保证时隙（GTS）的实时适用性，通过CSMA / CA实现的冲突避免以及对安全通信的集成支持。设备还包括电源管理功能，如链路质量和能量检测。该标准确实有支持时间和速率敏感应用的规定，因为它能够在纯CSMA / CA或TDMA接入模式下运行。通过标准的GTS功能支持TDMA操作模式。

符合IEEE 802.15.4的设备可以使用三个可能的频带之一进行操作（868/915/2450 MHz）。

（1）支持星型和点对点两种网络拓扑结构；

（2）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；

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

（4）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。

IEEE 802.15.4网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合，又名LR-WPAN网络。在这个网络中，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应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，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设备可以采用非常廉价的实现方案。

IEEE 802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调器（PAN coordinator）的FFD设备，是LR-WPAN网络中的主控制器。PAN网络协调器（以后简称网络协调器）除了直接参与应用以外，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。

无线通信信道的特征是动态变化的。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范围不是确定的。这就造成了LR-WPAN网络中设备的数量以及它们之间关系的动态变化。

IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可以组织成星型网络，也可以组织成点对点网络。在星型结构中，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。在这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。

与星型网不同，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之都可以直接通信。点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。点对点网络模式可以支持ad hoc网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。不过一般认为自组织问题由网络层来解决，不在IEEE 802.15.4标准讨论范围之内。点对点网络可以构造更复杂的网络结构，适合于设备分布范围广的应用，比如在工业检测与控制、货物库存跟踪和智能农业等方面有非常好的应用背景。

网络拓扑的形成过程

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

1、星型网络形成

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

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

星型网络中的两个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。

2、点对点网络的形成

点对点网络中，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。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，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络管理功能。网络协调器的产生同样由上层协议规定，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络协议器。簇树网络是点对点网络的一个例子，下面以簇树网络为例描述点到点网络的形成过程.

在簇树网络中，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接到网络中。任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器，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络的网络协调器。网络协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。网络协调器首先将自己设为簇头（cluster header ,CLH），并将簇标识符（cluster identifier, CID）设置为0，同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识符，形成网络中的第一个簇。接着，网络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，由网络协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。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网络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，进一步扩大网络的覆盖范围。但是过多的簇头会增加簇间消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消息传递的跳数，达到减少延迟和开销的目的。

IEEE 802.15.4网络协议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标准只定义了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块构成。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局域网的物理层和媒体接入控制协议，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应用。在打包提供的免费协议栈代码中，TI公司的协议栈部分以库的形式提供，限制了其应用范围即只能应用于其公司所生产的单片机芯片上，不方便扩展、修改；而Microchip尽管提供了源代码，但在编程风格、多任务操作系统上运行考虑欠周。鉴于此，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协议代码，可为架构上层协议及应用扩展建立良好的基础。

IEEE 802.15.4协议栈

设备被设想为通过概念上简单的无线网络彼此交互。网络层的定义基于OSI模型;尽管在标准中仅定义了较低层，但是可能使用通过汇聚子层访问MAC的IEEE 802.2逻辑链路控制子层来与上层进行交互。实现可能依赖于外部设备或纯粹嵌入式自我功能设备。

物理层是全球使用的OSI参考模型中的初始层。物理层（PHY）最终提供数据传输服务，以及物理层管理实体的接口，物理层管理实体提供对每个层管理功能的访问，并维护相关个人区域网络上的信息数据库。因此，PHY管理物理RF收发器并执行信道选择以及能量和信号管理功能。它在三种可能的未许可频段之一上运行：

该标准的原始2003版本规定了基于直接序列扩频（DSSS）技术的两个物理层：一个工作在868/915 MHz频段，传输速率为20和40 kbit / s，一个工作在2450 MHz频段速率为250 kbit / s。

2006年的修订版提高了868/915 MHz频段的最大数据速率，使它们也能支持100和250 kbit / s。此外，它依赖于所使用的调制方法来定义四个物理层。其中三个保留DSSS方法：在868/915 MHz频段，使用二进制或偏移正交相移键控（第二个是可选的）;在2450 MHz频段，使用后者。使用二进制键控和幅移键控（因此基于并行，非顺序扩频，PSSS）的组合来定义备选的可选868 / 915MHz层。可以在支持的868/915 MHz PHY之间进行动态切换。

除了这三个频段之外，IEEE 802.15.4c研究组还考虑了中国新开通的314-316 MHz，430-434 MHz和779-787 MHz频段，而IEEE 802.15任务组4d则对802.15.4-进行了修订。 2006年支持日本新的950-956 MHz频段。这些小组的第一次标准修订于2009年4月发布。

2007年8月，IEEE 802.15.4a发布，将2006年早期版本中可用的4种PHY扩展到6种，包括一种使用直接序列超宽带（UWB）的PHY和另一种使用啁啾扩频（CSS）的PHY。UWB PHY分配的频率分为三个范围：1 GHz以下，3 GHz和5 GHz之间，以及6到10 GHz之间。CSS PHY在2450 MHz ISM频段中分配频谱。

2009年4月，IEEE 802.15.4c和IEEE 802.15.4d被发布，扩展了可用的PHY，增加了几个PHY：一个用于使用O-QPSK或MPSK的780 MHz频段，另一个用于使用GFSK或BPSK的950 MHz。

IEEE 802.15.4e被特许定义了对现有标准802.15.4-2006的MAC修正，该标准采用信道跳变策略来改善对工业市场的支持，增强对外部干扰的鲁棒性和持久的多径衰落。2012年2月6日，IEEE标准协会理事会批准了IEEE 802.15.4e，其结束了所有任务组4e的工作。

媒体访问控制（MAC）通过使用物理信道实现MAC帧的传输。除了数据服务，它还提供管理界面，并自身管理对物理信道和网络信标的访问。它还控制帧验证，保证时隙并处理节点关联。最后，它提供了安全服务的挂钩点。

请注意，IEEE 802.15标准不使用802.1D或802.1Q，即它不交换标准以太网帧。物理帧格式在IEEE802.15.4-2011的5.2节中规定。它适用于大多数IEEE 802.15.4 PHY仅支持高达127字节的帧的事实（适应层协议，例如6LoWPAN，提供支持更大网络层数据包的分段方案）。

标准中没有定义更高级别的层和互操作性子层。其他规格 - 如ZigBee，SNAP和6LoWPAN/Thread- 建立在此标准之上。RIOT，OpenWSN，TinyOS，Unison RTOS，DSPnano RTOS，nanoQplus，Contiki和Zephyr操作系统也使用一些IEEE 802.15.4硬件和软件。

该标准定义了两种类型的网络节点。

第一个是全功能设备（FFD）。它可以作为个人区域网络的协调者，就像它可以作为公共节点一样。它实现了一种通信模型，允许它与任何其他设备通信：它还可以中继消息，在这种情况下，它被称为协调器（PAN协调器，当它负责整个网络时）。

另一方面，存在功能降低的设备（RFD）。这些是非常简单的设备，具有非常适度的资源和通信要求;因此，他们只能与FFD沟通，永远不能充当协调员。

IEEE 802.15.4明星和点对点

IEEE 802.15.4集群树

网络可以构建为点对点网络或星形网络。但是，每个网络至少需要一个FFD才能充当网络的协调者。因此，网络由分开适当距离的设备组形成。每个设备都有一个唯一的64位标识符，如果满足某些条件，则可以在受限制的环境中使用短16位标识符。即，在每个PAN域内，通信可能使用短标识符。

点对点（或点对点）网络可以形成任意的连接模式，并且它们的扩展仅受每对节点之间的距离的限制。它们旨在作为能够执行自我管理和组织的临时网络的基础。由于标准没有定义网络层，因此不直接支持路由，但是这样的附加层可以增加对多跳通信的支持。可以添加进一步的拓扑限制;该标准提到了集群树作为一种结构，该结构利用RFD一次只能与一个FFD相关联以形成RFD仅为树的叶子的网络的事实，并且大多数节点是FFD。除了全局协调器之外，该结构可以扩展为通用网状网络，其节点是具有每个集群的本地协调器的集群树网络。

还支持更结构化的星型模式，其中网络的协调器必然是中心节点。在选择唯一的PAN标识符之后，当FFD决定创建其自己的PAN并声明自己的协调器时，这样的网络可以发起。之后，其他设备可以加入网络，该网络完全独立于所有其他星形网络。

帧是数据传输的基本单元，其中有四种基本类型（数据，确认，信标和MAC命令帧），它们在简单性和鲁棒性之间提供了合理的权衡。另外，可以使用由协调器定义的超帧结构，在这种情况下，两个信标充当其限制并提供与其他设备的同步以及配置信息。超帧由16个相等长度的时隙组成，可以进一步划分为活动部分和非活动部分，在此期间协调器可以进入省电模式，而不需要控制其网络。

在超帧内，争用发生在它们的限制之间，并由CSMA / CA解决。每次传输必须在第二个信标到达之前结束。如前所述，具有明确定义的带宽需求的应用程序最多可以使用一个或多个无争用保证时隙的七个域，这些域位于超帧的末尾。超帧的第一部分必须足以为网络结构及其设备提供服务。超帧通常在低延迟设备的环境中使用，即使长时间不活动，也必须保持其关联。

向协调器的数据传输需要信标同步阶段（如果适用），然后是CSMA / CA传输（如果正在使用超帧，则通过时隙）;确认是可选的。来自协调器的数据传输通常遵循设备请求：如果正在使用信标，则这些信号用于发出请求信号;协调器确认该请求，然后以设备确认的数据包发送数据。当超帧不使用时也是如此，只有在这种情况下，没有信标可以跟踪待处理的消息。

点对点网络可以使用未经过时隙的CSMA / CA或同步机制;在这种情况下，任何两个设备之间的通信都是可能的，而在“结构化”模式中，其中一个设备必须是网络协调器。

通常，所有实施的程序都遵循典型的请求 - 确认/指示 - 响应分类。

通过CSMA / CA协议访问物理介质。不使用信标机制的网络利用基于媒体监听的非时隙变化，由随机指数退避算法利用;致谢不遵守这一规定。当信标正在使用时，通用数据传输利用未分配的时隙;再次，确认不遵循相同的过程。

在某些情况下，确认消息可以是可选的，在这种情况下，可以做出成功的假设。无论如何，如果设备无法在给定时间处理帧，则它根本不确认其接收：基于超时的重传可以执行多次，之后决定是否中止或继续尝试。

由于这些设备的预测环境要求电池寿命最大化，因此协议倾向于采用导致它的方法，实施对未决消息的定期检查，其频率取决于应用需求。

关于安全通信，MAC子层提供可由上层利用的设施，以实现期望的安全级别。高层进程可以指定密钥来执行对称加密以保护有效载荷并将其限制为一组设备或仅限于点对点链路;可以在访问控制列表中指定这些设备组。此外，MAC计算连续接收之间的新鲜度检查，以确保可能的旧帧或不再被认为有效的数据不会超越更高层。

除了这种安全模式之外，还有另一种不安全的MAC模式，它允许访问控制列表仅作为根据它们（假定的）源决定接受帧的手段。