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IEEE 802.15工作组主要制定无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）标准。WPAN的主要特点是无线传输的距离比较近，一般在10m以内。因为传输距离短，无线发射功率比较小，所以IEEE 802.15协议相比IEEE 802.11协议更为节能。
IEEE 802.15标准的先驱是蓝牙（Bluetooth）技术 [7] 。1998年3月，IEEE成立802.15工作组，致力于WPAN的物理层和数据链路层协议的标准化。1999年7月，蓝牙技术联盟（SIG）发布了1500多页的蓝牙规范1.0版。此后不久，IEEE 802.15工作组将蓝牙文档作为基础，开始进行修订 [8] 。
2002年，802.15工作组提出第一个IEEE 802.15协议——IEEE 802.15.1，该协议是基于蓝牙协议1.1版本的。由于IEEE 802.15.1采用的频段是2.4GHz，与IEEE 802.11b/g协议的频段冲突，因此，出现了802.15.2工作组，它负责制定相应的规则来解决二者的共存性问题。蓝牙并不能满足无线个域网的所有需求，它的典型应用场景有个人数字终端之间的连接、音频数据等近距传输。而对于长时间工作的传感器以及清晰的实时视频数据传输等，蓝牙技术则不能胜任。
为了满足这些需求，IEEE成立了802.15.3工作组和802.15.4工作组。802.15.3工作组的目标是建立宽带个人无线网，提供个人设备间的高速无线数据传输。802.15.4工作组的目标是建立一个低速但实现简单且节能的个域网。IEEE 802.15.4的典型应用场景有无线传感器网络、个人遥控装置等。随后，又有了对个人域的无线Mesh网络以及相对于个人域10m范围更小的身体域无线网的需求，于是IEEE又成立了802.15.5和802.15.6工作组来制定相关有针对性的标准。
IEEE 802.15已在无线个域网的应用中取得较大成功，下面介绍IEEE 802.15协议簇中的主要协议。
（1）IEEE 802.15.1标准
IEEEE 802.15.1标准将MAC子层与物理层结合起来，然后划分为以下四个子层。
· RF层（RF Layer）：该无线接口基于天线能力，功率范围为0～20dBm。蓝牙技术运行在2.4GHz波段，链路传输范围为10cm～100m。
· 基带层（Baseband Layer）：在设备之间形成微微网（Piconet），通过蓝牙技术将网络设备连接在一起。
· 链路管理层（Link Manager）：在蓝牙设备之间，建立和维护数据链路。它的其他功能包括安全、基带数据包大小协商、电源模式、蓝牙设备的周期性控制，以及蓝牙设备在微微网中的连接状态控制等。
· 逻辑链路控制和适配协议层（Logical Link Control and Adaptation Protocol，L2CAP）：为上层协议提供无连接和面向连接的服务。
在推出IEEE 802.15.1-2002协议之后，蓝牙标准继续向前发展，在2005年，IEEE 802.15工作组发布了基于蓝牙1.2标准的IEEE 802.15.1-2005标准，这一标准与前一标准相比，主要的改进之处是在实际应用中有更高的传输速率、更快的建立网络连接速度，该标准采用了新技术，这使得其抗干扰能力更好。
（2）IEEE 802.15.2标准
IEEE 802.15.2标准不单单是为了定义新的通信协议，而是因为WiFi的标准IEEE 802.11b、IEEE 802.11g都使用2.4GHz频率，与IEEE 802.15会产生干扰，IEEE 802.15.2正是为了解决它们之间的相互干扰问题而提出的。
由于在该工作组开始工作时，IEEE 802.15协议簇中的主要应用是IEEE 802.15.1，因此该协议中主要描述并解决了IEEE 802.15.1与IEEE 802.11、IEEE 802.11b的互干扰问题，但相应的解决方案对解决IEEE 802.15的其他协议与IEEE 802.11协议簇的干扰问题也有很大的帮助。
解决上述共存问题的机制主要有两种：合作机制和非合作机制。在合作机制下，两种无线网络之间通过通信来解决共存问题；在非合作机制下，两种无线网络之间不通信，而是通过适应性设备抑制、适应性数据包选择以及适应性的发包策略来解决共存问题 [9] 。
（3）IEEE 802.15.3标准
IEEE 802.15.3-2003标准旨在为便携电子设备提供高速、低功耗、低成本、支持多媒体功能的无线连接。这个标准提供11～55Mbit/s的数据传输速率，并在距离小于70m时可以为数据流提供可靠的服务。此外，这个标准使设备自动组成网络，不需要用户干预。在保护用户隐私和数据完整性方面，该标准提供针对数据和命令的128位AES加密方法。最后，该标准提供的多种技术可以使IEEE 802.15.3的微微网与其他无线网络实现更好的共存。
（4）IEEE 802.15.4标准
随着通信技术的飞速发展，人们对无线移动通信尤其是短距离无线移动通信的需求日益增多。为了满足用户对低速率、低成本、低能耗的短距离无线通信的需求，2000年12月，IEEE成立了802.15.4工作组。经过将近3年的努力，2003年5月，IEEE正式发布了IEEE 802.15.4标准 [10] 。该标准针对低速率无线个域网（LR-WPAN）制定了物理层和介质接入控制层规范。IEEE 802.15.4标准的发布，填补了短距离低速率通信领域标准的空白，并且具有成本低、协议简单灵活等特点。
基于IEEE 802.15.4标准的低速率无线个人区域网，网络节点间的通信距离通常为10m，并且有868MHz、915MHz和2.4GHz三个物理频率可供选择，其中，各频率支持的数据传输速率分别为20Kbit/s、40Kbit/s和250Kbit/s。
（5）IEEE 802.15.5与IEEE 802.15.6
IEEE在2006年成立了802.15.5工作组，其目的是制定一套无线Mesh网络标准。IEEE 802.15.5定位于无线Mesh网络的MAC子层，不需要ZigBee或路由支持，它继承了IEEE 802.15.1～IEEE 802.15.4的一些基本思想，且完全支持Mesh结构。在IEEE 802.15.5标准中，Mesh网络被定义为一个个域网，它有两种组网方式：全网状拓扑和部分网状拓扑。在全网状拓扑中，每一个节点直接与其他任何一个节点相连；在部分网状拓扑中，只有部分节点与其他所有节点相连，而其他节点则只是与连通度较大的节点相连。IEEE 802.15.5标准主要涉及的问题包括：碰撞避免的信标调度策略、路由算法、分布式安全问题、能效操作模式、对网状节点和网状个域网移动性的支持等 [11] 。
IEEE在2007年12月初宣布成立802.15.6工作组，这个工作组的主要任务是研究“身体域网络”（Body Area Network，BAN）协议，如图2-12所示。它面向的需求主要有适中的带宽、很低的功耗、很近的传输距离。IEEE 802.15.6标准的典型应用场景包括医疗和运动学中的身体数据监测，以及个人娱乐等，如心跳速率的监测、游戏、视频娱乐等。
图2-12 IEEE 802.15.6示例
IEEE 802.15.3协议是为提供高速个人局域网而设计的，提供针对多媒体的数据传输。物理层和MAC子层中都存在概念上的管理实体，分别称为物理层管理实体（Physical Layer Management Entity，PLME）和MAC子层管理实体。这些实体负责提供层间的管理服务接口。
在IEEE 802.15.3协议提出后，为了适应更多的环境以及提供更好的性能，IEEE相继成立了多个工作组以进行该协议的进一步研究，其中包括IEEE 802.15.3a、IEEE 802.15.3b、IEEE 802.15.3c等工作组。其中，产生了不少的成功经验，但也有个别工作组因为种种原因而放弃了后续研究的情况。
1.微微网
IEEE 802.15.3协议组成的网络一般称为微微网，其通信距离一般为10m。微微网由一系列元素组成，基本元素是设备（device，DEV），微微网的结构如图2-13所示。其中一个DEV担任微微网协调者（PicoNet Coordinator，PNC）的角色。PNC提供整个微微网的网络时隙协调功能，并负责管理整个微微网的QoS需求、节能模式和访问模式等。
微微网的DEV之间可以独立地相互通信。在微微网的基础上，允许DEV申请成为一个已有微微网的附属微微网，这种情况下，原微微网称为父微微网，新的DEV组建的微微网称为子微微网或邻居微微网。具体成为哪一种，取决于DEV连入父微微网的PNC的方式。
图2-13 微微网的结构
IEEE 802.15.3的MAC子层主要是针对个人局域网的高速数据传输而设计的，特别是多媒体高速应用。该协议采取了一系列措施来组织网络，主要包括微微网的网络协调、DEV的接入和脱离、DEV的工作模式和微微网的结束过程等。
（1）微微网的网络协调
当网络中有一个DEV作为PNC开始发送信标（beacon）帧时，一个微微网就建立了，即使没有与它相关联的其他DEV。信标帧主要发送关于微微网的协调信息。
为了建立一个微微网，PNC通过扫描所有可用信道来寻找一个空闲信道。找到这样的信道后，马上发送信标帧来声明该微微网的存在，如果没有空闲信道，则该DEV将尝试成为一个依赖微微网。如果微微网的建立过程并不能保证“最有能力”的DEV成为PNC，则在后续的DEV加入过程中允许更有能力的DEV成为新的PNC。
当一个DEV连入一个已有微微网时，PNC会根据一定的策略检查新加入的DEV是否更适合担任PNC的角色。如果适合，那么原有的PNC就会将PNC的角色移交给新加入的DEV。在移交过程中，原PNC负责时间分配，不会造成数据丢失。当PNC断电或者需要离开现有微微网时，也会将PNC的权力移交给网络中的一个DEV。
子微微网是一个建立在已有微微网基础上的网络，已有的微微网称为父微微网。子微微网在功能上有助于扩展父微微网的覆盖范围和转移一些计算或存储要求。在该协议中，允许一个父微微网有多个子微微网，同时允许子微微网有自己的子微微网。子微微网除使用父微微网的信道时间分配（Channel Time Allocation，CTA）以外，完全是一个自治的微微网网络。子微微网的PNC同时作为两个微微网的成员，可以与两个网络中的其他DEV进行数据交换。
邻居微微网同样是建立在已有微微网基础上的，它实际上提供了一种在没有可用频段的情况下与已有微微网共享频段的方法。除与父微微网共享一个CTA以外，邻居微微网完全是一个自治系统，并且邻居微微网和父微微网之间并不能进行数据通信。
（2）DEV的接入和脱离
在DEV接入微微网的过程中，微微网会为每一个DEV分配一个唯一的ID，作为该设备在微微网中的地址，称为DEVID。当DEV接入微微网后，PNC会向网络中的所有设备广播消息，告知其他设备有新设备接入，并且为该DEV分配DEVID。当DEV主动脱离微微网或PNC将某个DEV从网络中移除时，分配给该DEV的DEVID就不再起作用了，但PNC仍会将该DEVID保留一段时间，然后才会将该ID分配给其他新加入的DEV。
（3）DEV的工作模式
为了适应多变的工作环境，以及提供不同层次的服务，IEEE 802.15.3协议为微微网和网络中的DEV提供了多种工作模式。
在安全方面，微微网可以工作在两种模式下：模式0（开放模式）和模式1（安全模式）。在模式0下，MAC子层不提供对成员的检测和对数据的保护，也不提供数据完整性检验和数据加密。在模式1下，MAC子层提供对设备成员的检验和对负载的控制，DEV在使用微微网的资源之前需要与PNC建立信任机制。微微网中的数据传输要求进行数据完整性检验，并可以进行数据保护和数据加密。
IEEE 802.15.3的一个重要特性是节能，可以使设备在干电池供电的情况下长时间工作。延长电池寿命的推荐办法就是在DEV不使用时关机或者减少能量损耗。该标准提供的三种节电模式可以达到这种效果：设备同步节电（Device Synchronized Power Save，DSPS）模式、微微网同步节电（Piconet-Synchronized Power Save，PSPS）模式、异步节电（Asynchronous Power Save，APS）模式。微微网中的DEV可以工作在四种电源管理模式下：ACTIVE模式、DSPS模式、PSPS模式或APS模式。
在ACTIVE模式下，DEV处于工作状态。在PSPS模式下，允许DEV在PNC定义期间“睡眠”，在DEV要进入PSPS模式时，需要给PNC发送请求。在DSPS模式下，一组DEV在多个超帧期间“睡眠”，但在同一超帧期间“醒来”，DEV通过加入DSPS集合同步它们的“睡眠”模式，其中DSPS集合规定了DEV“醒来”的周期间隔和下次DEV“醒来”的时间。DSPS集合除允许DEV同时“醒来”和交换通信量以外，还能使其他DEV更容易确定DSPS模式下的DEV何时可以接收信号。
在APS模式下，允许DEV为扩展的周期保存能量，直到选择侦听信标为止。在APS模式下，DEV的唯一职责是在关联超时周期（Association Timeout Period，ATP）结束之前与PNC通信，以维持与微微网内其他成员的关系。无论DEV采用何种功率管理模式，微微网中的每个DEV都可以在没有被分配收发数据的时候关闭电源。
（4）微微网的结束过程
在一个PNC停止工作时，如果微微网中没有其他可供使用的DEV作为新的PNC，则PNC会在信标帧中写入相应的信息并通知网络中的其他DEV。在原有PNC没有完成PNC交接而突然退出微微网时，微微网会首先停止工作一段时间，经过一个连接超时时间段（即ATP）后，原有微微网中可以作为PNC的设备会发出信标帧组建新的微微网。如果存在依赖于当前网络的微微网，则微微网结束时会向依赖于它的微微网发送消息，从而顺利退出该依赖微微网。
2.IEEE 802.15.3的物理层技术
IEEE定义了工作在2.4GHz～2.4835GHz频段的IEEE 802.15.3物理层方案，共提供5个信道。在节点密度较高的情况下，有4个可用信道，在与IEEE 802.11b共存使用的情况下，有3个可用信道，相应信道的中心频率以及与IEEE 802.11b的兼容情况见表2-3。
IEEE 802.15.3的物理层采用QPSK（Quadrature Phase-Shift Keying）、DQPSK（Differential Quadrature Phase-Shift Keying）、16-QAM（16-Quadrature Amplitude Modulation）、32-QAM、64-QAM等调制方式，支持11Mbit/s、22Mbit/s、33Mbit/s、44Mbit/s和55Mbit/s等速率传输。其中22Mbit/s是基本的传输速率，在该速率下，并不需要额外编码，而在其他速率下，则需要采用TCM（Trellis Coded Modulation）的编码方式。调制方式、编码与相应的传输速率的关系见表2-4。
表2-3 IEEE 802.15.3信道列表
表2-4 调制方式、编码与相应的传输速率的关系
为了提高效率，IEEE 802.15.3的物理层在组帧时对MAC子层的帧头和帧体分别进行了打包与传输。
3.IEEE 802.15.3的MAC子层技术
IEEE 802.15.3的MAC子层的帧结构是为高速个人局域网而设计的。每一个帧由帧头和帧体两部分组成，如图2-14所示。帧体由可变长度的帧负载和一个帧校验序列（FCS）组成；帧头由六部分组成，其中流索引用来对微微网中传输的数据流进行唯一标记，分块控制部分用来记录帧分割和重组的相关信息，SrcID和DestID分别用来记录数据的发送源与目的地，PNID用来记录Piconet的唯一ID，帧控制部分用来记录各种不同的帧类型。
图2-14 IEEE 802.15.3的帧格式
IEEE 802.15.3协议在MAC子层定义了四种帧：信标帧、确认帧、命令帧和数据帧。信标帧的数据负载单元由 n 个信息元素和一个微微网同步参数组成，信息元素中包含了PNC设定时间分配和管理微微网的信息。确认帧分为立即确认帧（Immediate ACK）和延后确认帧（Delayed ACK）两种。立即确认帧仅包含一个10位的MAC帧头，其中定义了针对各种帧的确认。延后确认帧主要包含以下几部分： n 个MAC子层协议数据单元ID（MPDU ID）、1个记录已确认的协议数据单元数的字节、帧长，以及在一个脉冲中可以发送的最大帧数目。命令帧的负载由两字节的命令类型、两字节的用来记录命令长度的字段，以及命令体构成，从而实现组建微微网和管理设备等功能。数据帧用来传输上层发到MAC子层的数据，它的负载字段包含了上层需要传送的数据。
IEEE 802.15.3标准提供三种不同的帧发送策略：无确认策略，用于不需要确认帧的情况，这种情况的出现主要是由于返回帧的时间太长或上层协议提供了确认策略；立即确认策略，通常用于需要对发送的每一帧都进行确认的情况；延后确认策略，源设备一次发送多个帧而不需要对每个帧进行单独确认，当源设备发送确认请求时，由目的设备一次性发送对所有帧的确认。当源设备没有收到确认帧时，它会重发或丢弃该帧，这取决于发送帧的类型、已尝试发送的次数、已尝试发送的时间，以及其他现实因素等。
为了使微微网高质量运行，要求PNC可以在不需要用户介入和保证微微网内服务质量的情况下实现信道的动态切换。为了估计当前使用的信道和其他信道的状态，该协议为PNC设计了以下3种方法：通过命令，从微微网的DEV中收集当前使用信道的状态信息；主动扫描所有可用的信道；发送请求命令，通过微微网中的DEV去扫描某一特定信道，并将结果返回给PNC。当PNC发现当前使用的信道不再合适时，PNC就会控制整个微微网转换到新的信道，转换过程并不会改变微微网的注册信息和时间分配等，因此不会影响微微网提供的服务。
IEEE 802.15.4规范了ZigBee技术的下层协议。ZigBee的技术套件紧凑且简单，对硬件的需求很低，8位微处理器80C51即可满足要求，全功能协议软件需要32KB的ROM，最小功能协议软件需要大约4KB的ROM。ZigBee技术的另一个突出特点是能耗较低，一台ZigBee设备依靠电池就可以工作数年时间。
IEEE 802.15.4/ZigBee的物理层和数据链路层基于IEEE 802.15.4协议；网络层和应用层则基于ZigBee协议。IEEE 802.15.4/ZigBee的各层关键技术如图2-15所示。其中，用户应用程序主要包括厂家预置的应用软件。同时，为了给用户提供更广泛的应用，提供了面向仪器控制、信息电器和通信设备的嵌入式API，从而可以广泛地实现设备与用户应用软件间的交互。应用层（Application Layer，APL）提供高级协议栈管理功能。用户应用程序使用此模块来管理协议栈功能。
图2-15 IEEE 802.15.4/ZigBee各层关键技术
设备对象子层（ZigBee Device Objects，ZDO）通过打开和处理目标端点接口来响应接收与处理远程设备的不同请求。与其他的端点接口不同，目标端点接口总是在启动时就被打开并假设绑定到任何发往该端口的输入数据帧。设备配置子层（ZigBee Device Configuration，ZDC）提供标准的ZigBee配置服务，定义和处理描述符请求。远程设备可以通过ZDO子层请求任何标准的描述符信息。当接收到这些请求时，ZDO会调用配置对象以获取相应的描述符值。应用支持子层（APS）主要提供ZigBee端点接口。应用程序可使用该层打开或关闭一个或多个端点，并且获取或发送数据。网络层（NWK）的主要功能是负责建立和维护网络连接，它可以独立处理传入数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求等。
1.IEEE 802.15.4协议框架
（1）IEEE 802.15.4拓扑
IEEE 802.15.4/ZigBee网络中的设备按照功能职责可以划分为三种：网络协调点（PAN Coordinator）、协调点（Coordinator）、终端设备（End Device）。该标准的网络拓扑的主要形态有两种，一种为星形连接，另一种为对等结构连接。由这两种拓扑形式可以衍生出簇树状拓扑 [12] 。
星形网络如图2-16所示。精简功能设备或有限功能设备（Reduced-Function Device，RFD）是能量、计算能力和通信能力有限的设备，而全功能设备（Full-Function Device，FFD）则是计算能力和通信能力较强的设备。网络协调点是整个网络的主控节点，在一个PAN中，只能有一个网络协调点。网络协调点发送信标帧，还负责分配GTS，分配16位短地址。网络协调点是整个网络的初始节点，它可以初始化一个网络，还可以结束一个网络。协调点也可以发送信标帧，以对周围的终端设备和其他协调点进行同步。协调点还可以进行数据包的转发，一般出现在非星形结构的网络中，如对等网络等。终端设备不能发送信标帧，只具有数据包的收发功能。
星形网络以网络协调点为中心，所有设备只能与网络协调点进行通信，因此，在星形网络的形成过程中，第一步就是选取网络协调点。任何一个全功能设备都有成为网络协调点的可能。一个全功能设备在第一次被激活后，首先广播查询网络协调点的请求，如果接收到回应，则说明网络中已经存在网络协调点，设备通过认证可以选择加入这个网络；如果没有收到回应，或者认证过程不成功，则这个全功能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点。
网络协调点要为网络选择一个唯一的标识符，所有该星形网络中的设备都用这个标识符来规定自己的从属关系。不同星形网络之间的设备通过设置专门的网关来完成相互之间的通信。在选择一个标识符后，网络协调点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。如果星形网络中的两个设备需要互相通信，那么都是先把各自的数据包发送给网络协调点，再由网络协调点转发给对方。
在如图2-17所示的对等网络中，任意两个设备只要能够互相收到对方的无线信号，就可以直接进行通信，不需要其他设备的转发。但在点对点网络中，仍然需要一个网络协调点，不过该协调点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。网络协调点的产生由上层协议规定，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调点。
在如图2-18所示的簇树网络中，绝大多数设备是全功能设备，而有限功能设备总是作为簇树的叶子节点设备连接到网络中。任意一个全功能设备都可以充当协调点，为其他设备提供同步信息。在这些协调点中，只有一个可以充当整个网络的网络协调点。网络协调点可能和网络中的其他设备一样，也可能比其他设备拥有更多的计算资源和能量资源。网络协调点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标识符，形成网络中的第一个簇。
图2-16 星形网络
图2-17 对等网络
图2-18 簇树网络
接着，网络协调点开始广播信标帧。邻近设备在收到信标帧后，就可以申请加入该簇。由网络协调点决定设备是否可以成为簇成员。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点的邻居列表，新加入的设备会将簇头作为它的父设备并加入自己的邻居列表，这样就形成了一个简单的簇树。
网络协调点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时和通信开销。为了减少延时和通信开销，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，从而达到减少延时和通信开销的目的。
（2）IEEE 802.15.4的MAC子层的通信模式
IEEE 802.15.4的MAC子层的通信模式分为两种：信标使能模式和非信标使能模式。
在信标使能模式中，IEEE 802.15.4设备使用超帧机制来进行同步传输。每个超帧都以网络协调点发出信标帧为始，这个信标帧中包含了超帧的持续时间以及对这段时间的时隙分配等信息。网络中的普通设备在接收到信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，如进入休眠状态，直到这个超帧结束为止。
超帧将通信时间划分为不活跃期间和活跃期间。在不活跃期间，PAN中的设备不会相互通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。活跃期间又可以划分为三个阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段（Contention Access Period，CAP）和非竞争访问时段（Contention-Free Period，CFP）。超帧的活跃期间被划分为16个等长的时槽，每个时槽的长度、竞争访问时段包含的时槽数等都由网络协调点设定，并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。
在超帧的竞争访问时段，IEEE 802.15.4网络设备使用带时槽的CSMA/CA访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。带时槽的CSMA/CA机制是指，各个设备退避的起始时间以信标为标准。随机退避的时间是单个时槽时间的整数倍。在非竞争访问时段，协调点根据同步时槽的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS。每个GTS由若干个时槽组成，时槽数目在设备申请GTS时指定。如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时槽数目。每个GTS中的时槽都分配给了时槽申请设备，因而不需要竞争信道。IEEE 802.15.4标准要求任何通信都必须在自己分配的GTS内完成。竞争访问时段的功能包括网络设备可以自由收发数据、域内设备向协调者申请GTS时段、新设备加入当前PAN等。
在非信标使能模式中，MAC子层使用传统的CSMA/CA机制进行访问控制。当设备要访问信道时，先等待一段随机长度的时间，再检查信道的情况。如果信道空闲，就发送数据。如果信道忙，就再次等待一段随机长度的时间，然后再次检查信道。
2.IEEE 802.15.4的物理层技术
IEEE 802.15.4的物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层数据服务包括以下五方面的功能 [13] ：激活和关闭射频收发器、信道能量检测（Energy Detect）、检测接收数据包的链路质量标识符（Link Quality Indication，LQI）、空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA），以及收发数据。
信道能量检测为网络层提供信道选择依据。它主要测量目标信道中接收信号的功率强度，因为这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。链路质量标识符为网络层或应用层提供接收数据时的无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元将会被一起提交给上层处理。
空闲信道评估用来判断信道是否空闲。IEEE 802.15.4定义了三种空闲信道评估模式：第一种，简单判断信道的信号能量，当信号能量低于某一门限值时，就认为信道空闲；第二种，通过判断无线信号的特征进行评估，这个特征主要包括两方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道是否空闲的判断。
物理帧的第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符（Start-of-Frame Delimiter，SFD）字段长度为一个字节，其值固定为0xA7，表示一个物理帧的开始。收发器在接收完前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字节上。帧长度（Frame Length）由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元（PHY Service Data Unit，PSDU），一般用来承载MAC帧。
在物理层的载波调制方面，物理层定义了三个载波频率用于收发数据。在这三个频率上，发送数据使用的传输速率、信号处理过程以及调制方式等方面存在一些差异。三个频率总共提供了27个信道（Channel）：868MHz频率提供1个信道，915MHz频率提供10个信道，2450MHz频率提供16个信道。
868MHz频率和915MHz频率的数据处理过程：首先使用二进制数据差分编码处理物理层协议数据单元（PHY Protocol Data Unit，PPDU），然后将差分编码后的每一个位转换为长度为15的片序列（Chip Sequence），最后信号通过BPSK调制到信道上。2450MHz频率的处理过程：首先将PPDU二进制数据中的每4位转换为一个符号（Symbol），然后将每个符号转换成长度为32的片序列，最后信号通过O-QPSK调制方式调制到载波上。
3.IEEE 802.15.4的MAC子层技术
IEEE 802.15.4的MAC子层提供两种服务：MAC子层数据实体和MAC子层管理实体（MAC SubLayer Management Entity，MLME）。前者保证MAC子层协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
MAC子层的主要功能包括下面六个方面：
· 协调点产生并发送信标帧，普通设备根据协调点的信标帧与协调点同步；
· 支持与PAN的关联（association）和取消关联（disassociation）操作；
· 支持无线信道通信安全；
· 使用CSMA/CA机制访问信道；
· 支持GTS机制；
· 支持不同设备的MAC子层间的可靠传输。
其中，关联操作是指一个设备在加入一个特定网络时，向协调点注册和身份认证的过程。WPAN中的设备有可能从一个网络切换到另一个网络，这时就需要进行关联和取消关联操作。
（1）数据传输模式
IEEE 802.15.4标准中的数据传输分为三种模式：普通节点到协调点的传输、协调点到普通节点的传输，以及对等节点间的数据传输。由于IEEE 802.15.4的MAC子层的通信模式分为两种，即信标使能模式和非信标使能模式，因此，针对每种数据传输模式，分别介绍两种通信模式下的数据传输方式。
在普通节点到协调点的传输模式下，对于信标使能模式，普通节点首先侦听网络信标，接收到信标帧后完成与协调点的同步，而后在超帧竞争期采用带时槽的CSMA/CA机制将数据帧发给协调点，协调点在成功接收到该帧后回复相应的应答。对于非信标使能模式，普通节点将采用带时槽的CSMA/CA机制向协调点传输MAC帧，协调点在成功接收到该帧后回复相应的应答。
在协调点到普通节点的传输模式下，对于信标使能模式，如果协调点有数据要发给普通节点，将把预发的信息存储到相应的缓存区中，在信标帧中指出有将要发给某节点的数据，并把该节点的地址封装到信标帧预发地址列表（Pending Address Field）中。普通节点周期地侦听网络信标，收到信标帧后，若发现信标帧的地址列表中有自身地址，则采用带时槽的CSMA/CA机制向协调点发送数据请求命令帧，协调点给予应答。此后，协调点可以紧随该应答帧将预传输的数据发给该普通节点，或者采用带时槽的CSMA/CA机制传输相应的数据。普通节点成功接收到数据后也将回复应答帧，至此整个通信过程结束。对于非信标使能模式，普通节点将采用非带时槽的CSMA/CA机制，以应用所定义的传输速率向协调点定期发出数据请求命令，协调点回复应答帧。
（2）MAC子层帧格式
MAC子层帧结构的设计目标是用最低复杂度来实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。每个MAC子层的帧都由帧头（MHR）、负载（payload）和帧尾（MFR）三部分组成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。
在MAC子层中，设备地址有两种格式：16位（2个字节）的短地址和64位（8个字节）的扩展地址。16位短地址是设备与PAN的协调点关联时，由协调点分配的网内局部地址；64位扩展地址是全球唯一地址，在设备进入网络之前就分配好了。16位短地址只能保证在PAN内部是唯一的，所以在使用16位短地址进行网间通信时，需要结合16位的PAN标识符才有意义。
两种地址类型的地址信息的长度是不同的，从而导致MAC帧头的长度也是可变的。一个数据帧使用哪种地址类型，由帧控制字段的内容指示。在帧结构中，没有表示帧长度的字段，这是因为物理层的帧里面有表示MAC帧长度的字段，MAC负载长度可以通过物理层帧长和MAC帧头的长度计算出来。
IEEE 802.15.4网络共定义了四种类型的帧：信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧。信标帧的负载数据单元由四部分组成：超帧描述字段、GTS分配字段、待转发数据目标地址字段和信标帧负载数据。信标帧中的超帧描述字段规定了这个超帧的持续时间、活跃期间持续时间，以及竞争访问时段持续时间等信息。GTS分配字段将无竞争时段划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给了某个设备。待转发数据目标地址中列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址。
如果一个设备发现自己的地址出现在待转发数据的目标地址字段里，则意味着协调点存有属于它的数据，所以它就会向协调点发出请求传送数据的MAC命令帧。信标帧中的负载数据为上层协议提供数据传输接口。例如，在使用安全机制时，负载域将根据被通信设备设定的安全通信协议填入相应的信息。通常情况下，这个字段可以被忽略。在非信标使能模式下，协调点在其他设备的请求下也会发送信标帧，此时，信标帧的功能是辅助协调点向设备传输数据，整个帧中只有待转发数据的目标地址字段有意义。
数据帧用来传输上层发送到MAC子层的数据，它的负载字段包含了上层需要传送的数据。数据负载传送至MAC子层时，被称为MAC服务数据单元。它的首尾被分别附加了MHR头信息和MFR尾信息后，就构成了MAC帧。
MAC命令帧用于组建PAN、传输同步数据等。目前定义好的命令帧主要完成三方面的功能：把设备关联到PAN、与协调点交换数据、分配GTS。命令帧在格式上和其他类型的帧没有太多的区别，只是帧控制字段的帧类型位有所不同。帧头的帧控制字段的帧类型为011B（B表示二进制数据），表示这是一个命令帧。命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。负载数据是一个变长结构，所有命令帧负载的第一个字节是命令类型字节，后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义。
与其他无线协议，如IEEE 802.11等相比，IEEE 802.15在WPAN领域目前还无法占据统治地位。现阶段，在WPAN领域，众多的技术都在蓬勃发展，IEEE 802.15并不是唯一的或者最优的选择。下面介绍其他一些近距离无线通信技术。
（1）UWB
UWB即超宽带（Ultra-WideBand），美国联邦通信委员会（FCC）将它定义为基带带宽与载波频率的比值大于0.25，或者带宽大于500MHz的信号。在FCC制定的规范中，超宽带技术在短距离（小于10m）和低发射功率（平均EIRP为-41.2dBm/MHz）时，有高达Gbit/s级的巨大传输潜力。它只需要非常小的电量就可以正常工作，可工作在3.1GHz～10.6GHz的频带内。
802.15.3a工作组实际上就是致力于建立一个基于UWB的物理层标准。两种技术在理论上都具备高传输速率、短距离、低功耗且实现简单的UWB特性，一种是传统的脉冲发射（Impulse Radio）方案，它采用脉冲幅度调制（Pulse Amplitude Modulation）或脉冲位置调制（Pulse Position Modulation）方式，发送持续时间极短、频带极宽的基带脉冲信号，超宽带（UWB）这个名字正是由此技术而来；另一种是MB-OFDM（MultiBanded OFDM）技术，它将FCC划归给UWB的3.1GHz～10.6GHz频带分割成多个超过500MHz的次频带，在每个次频带中应用OFDM调制方式。
虽然MB-OFDM与UWB技术的传统定义有所不同，但其每个次频带的频宽仍符合FCC对UWB的定义。同时，通过OFDM技术将频带划分成多个窄带，能够更精确地控制各个频带的发射功率，有利于与现有的窄带通信系统共存，满足FCC的功率门限要求。由于有些大公司已掌握OFDM技术，因此MB-OFDM技术得到了许多大公司的支持。然而，脉冲发射技术也仍然有它的支持者，因为更宽频带的信号具有更好的多径特性。最终采用MB-OFDM技术的WiMedia联盟实际上胜出。
（2）Bluetooth 2.0/2.1和Wibree
Bluetooth 2.0+Enhanced Data Rate（EDR，即增强的数据速率）标准于2004年10月发布。与以前的蓝牙标准相比，其主要优点包括：具有3倍数据传输速率，通过减少工作负载降低电能消耗，以更大频宽简化多连接模式，向下兼容过去所有的蓝牙规格，进一步降低误码率。Bluetooth 2.1+EDR标准于2007年6月发布，其主要改进在于采用了低功耗技术和近距离通信（Near Field Communication，NFC）技术。
超低功耗蓝牙无线技术Wibree是一种低能耗无线局域网接入技术，能够方便、快捷地接入手机、PDA、无线计算机外围设备、娱乐设备和医疗设备等便携式设备。Wibree技术最初由诺基亚公司提出，并与Broadcom、CSR等一些半导体厂商一起联合推动该项技术的发展。该项技术类似于蓝牙技术，但是能耗仅相当于蓝牙技术的一小部分。使用Wibree技术的信号能够在2.4GHz的无线电频率内以最高达到1Mbit/s的数据传输速率覆盖5～10m的范围。Wibree技术可以很方便地和蓝牙技术一起部署到一块独立宿主芯片或一块双模芯片上。
（3）IrDA
红外数据协会（Infrared Data Association，IrDA）相继制定了很多红外通信协议，有侧重于传输速率方面的，有侧重于低功耗方面的，也有二者兼顾的。IrDA是以红外线为媒介的工业用无线传输标准。红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75μm～25μm之间。红外数据协会成立后，为保证不同厂商的红外产品能获得较好的通信效果，限定所用红外波长范围为850nm～900nm。
IrDA 1.0协议基于异步收发器UART，最高通信传输速率为115.2Kbit/s，简称串行红外（Serial Infrared，SIR）协议，采用3/16ENDEC编解码机制。IrDA 1.1协议将通信传输速率提高到4Mbit/s，简称快速红外协议FIR（Fast Infrared，FIR），采用4相位脉冲调制（Four-Position Pulse Position Modulation，4PPM）机制，同时在低速时保持1.0协议规定。之后，IrDA又推出了最高通信传输速率为16Mbit/s的协议，简称超高速红外（Very Fast Infrared，VFIR）协议。
IrDA标准包括三个基本规范和协议：红外物理层连接规范（Infrared Physical Layer Link Specification，IrPHY）、红外连接访问协议（Infrared Link Access Protocol，IrLAP）和红外连接管理协议（Infrared Link Management Protocol，IrLMP）。IrPHY规范制定了红外通信硬件设计上的目标和要求；IrLAP和IrLMP为两个软件层，负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP的基础上，IrDA针对一些特定的红外通信应用领域，还陆续发布了一些更高级别的红外协议，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等。
（4）NFC
近距离无线通信（Near Field Communication，NFC）技术由飞利浦公司和索尼公司共同开发，是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信。NFC提供了一种简单、触控式的解决方案，可以让消费者简单且直观地交换信息、访问内容与服务。
NFC将非接触读卡器、非接触卡和点对点（Peer-to-Peer）功能整合进一块单芯片，是一个开放接口平台，可以对无线网络进行快速、主动设置，也可以用于连接蓝牙设备和无线IEEE 802.11设备。