ZigBee無線傳輸技術(shù)綜述

摘要：ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee協(xié)議采用IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的物理層和鏈路層，并在其上增加了網(wǎng)絡(luò)層，安全模塊和應(yīng)用支持子層模塊，從而實(shí)現(xiàn)了大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋。ZigBee由于其在低功耗、低復(fù)雜度、自組織等方面的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選通信協(xié)議。
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；ZigBee協(xié)議；路由算法；ZigBee應(yīng)用

0 引言
ZigBee的基礎(chǔ)是IEEES02．15．4，這是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEES02．15．4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議由五家公司共同提出：Honeywell、Invensys、三菱電氣、摩托羅拉和飛利浦。IEEF802．15．4工作組為ZigBee定義了三個(gè)免受權(quán)頻段：2．4 GHz(全球應(yīng)用)，915MHz(美國(guó))和868 MHz(歐洲)。
ZigBee采用DSSS技術(shù)，與藍(lán)牙等無線通訊技術(shù)相比，它具有如下特點(diǎn)：
(1)功耗更低：ZigBee Alliance網(wǎng)站公布，以一般電池電力而言，ZigBee產(chǎn)品可使用數(shù)月至數(shù)年之久。它非常適用于那些需要一年甚至更長(zhǎng)時(shí)間才需更換電池的設(shè)備(如典型的監(jiān)控設(shè)備)。
(2)接入設(shè)備多：ZigBee的解決方案支持每個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有255個(gè)激活節(jié)點(diǎn)，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以聯(lián)接大型網(wǎng)絡(luò)。2．4 GHz頻段可容納16個(gè)通道，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有255個(gè)激活節(jié)點(diǎn)(藍(lán)牙只有8個(gè))，ZigBee技術(shù)允許在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中包含4千多個(gè)節(jié)點(diǎn)。
(3)成本更低：ZigBee只需要80C51之類的低檔處理器以及少量的軟件即可實(shí)現(xiàn)，無需主機(jī)平臺(tái)。從天線到應(yīng)用實(shí)現(xiàn)只需1塊芯片即可。藍(lán)牙需依靠較強(qiáng)大的主處理器(如ARM7)，芯片構(gòu)架也比較復(fù)雜。
(4)傳輸速率更低：ZigBee的低功率導(dǎo)致了低傳輸速率，其原始數(shù)據(jù)吞吐速率在2．4 GHz(10channels)頻段為250kbps，在915 MHz(6cha-nnels)頻段為40 kbps，在868MHz(1channel)頻段為20kbps。傳輸距離為10～20m。

1 ZigBee協(xié)議棧
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，根據(jù)開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)模型，從上往下具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和應(yīng)用層。從網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議有ZigBee聯(lián)盟制定，IEEES02．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。
1．1 物理層(PHY)
物理層是協(xié)議層的最底層，主要工作是要啟動(dòng)與關(guān)閉無線傳輸接收器、傳輸與接收數(shù)據(jù)、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號(hào)能量偵測(cè)、數(shù)據(jù)調(diào)變傳輸與接收解調(diào)、空閑頻道評(píng)估(CCA)和針對(duì)接收的封包執(zhí)行鏈路品質(zhì)指示(LQI)。
IEEE802．15．4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2．4 GHz和868／915 MHz物理層。2．4 GHz的物理層通過采用16相調(diào)制技術(shù)，能夠提供250 kbps的傳輸速率。868 MHz的傳輸速率為20 kbps，916 MHz上的傳輸速率則是40 kbps。
物理層提供兩個(gè)服務(wù)：數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)：在物理無線信道上接受和發(fā)送物理協(xié)議數(shù)據(jù)單元。管理服務(wù)：維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。
物理層負(fù)責(zé)下面的任務(wù)：
(1)無線收發(fā)信機(jī)的激活和去激活。
(2)在當(dāng)前信道上的能量檢測(cè)。
(3)鏈路質(zhì)量指示，用在接受的數(shù)據(jù)包上。
(4)清除信道估計(jì)算法用在CSMA／CA技術(shù)中。
(5)信道頻率選擇。
(6)信道數(shù)據(jù)的接受。
1．2 數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)
物理層之上的數(shù)據(jù)鏈路層基于物理層所提供的服務(wù)，負(fù)責(zé)設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立，維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模式的幀傳送與接受，信道接入控制，幀校驗(yàn)，預(yù)留時(shí)隙管理和廣播信息管理。IEEE802．15．4的MAC層可足夠靈活地來處理這些數(shù)據(jù)通信。MAC層有兩種信道訪問機(jī)制：無標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)識(shí)使能網(wǎng)絡(luò)。無標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成功接受到信息包后能產(chǎn)生一個(gè)積極的回應(yīng)。標(biāo)識(shí)使能網(wǎng)絡(luò)采用超幀結(jié)構(gòu)，這一方面為了有專用的帶寬和低的反應(yīng)時(shí)間，另一方面可通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)定在預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)傳輸標(biāo)識(shí)。
MAC層使用標(biāo)識(shí)使能來處理周期性數(shù)據(jù)，當(dāng)有標(biāo)識(shí)使能時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)會(huì)被喚醒來檢測(cè)信息，然后再返回睡眠狀態(tài)。間歇性數(shù)據(jù)可以在無標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中被處理或是以不連貫的方式被處理。當(dāng)以不連貫方式處理時(shí)，通信需要在能節(jié)約大量能量的情況下，設(shè)備才加入網(wǎng)絡(luò)。低反應(yīng)時(shí)間操作可用于保證時(shí)間分割(GTS)操作中。GTS是高服務(wù)質(zhì)量的一種方法，它允許每個(gè)設(shè)備有一個(gè)特定的時(shí)間間隔，這樣每個(gè)超幀就可以自由傳輸而不需要反應(yīng)和爭(zhēng)搶。
1．3 網(wǎng)絡(luò)層
物理層上面的網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，它確保正確的操作IEEES02．15．4MAC子層和應(yīng)用層提供服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用層提供兩種服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)實(shí)體和管理實(shí)體。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通過提供管理服務(wù)，同時(shí)，利用來完成一些管理任務(wù)，負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。
ZigBee提供了：星形網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
(1)星型網(wǎng)絡(luò)配置包含了一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或更多的終端設(shè)備。在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信。如果某個(gè)終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)終端設(shè)備，它會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)接收器終端設(shè)備。
(2)樹狀網(wǎng)絡(luò)，在這種配置下，終端設(shè)備可以選擇加入ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee路由器。路由器提供兩種功能的服務(wù)。一是為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)增加可能的節(jié)點(diǎn)數(shù)。二是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋的物理范圍。有了路由器以后，終端設(shè)備不需要在協(xié)調(diào)器的射頻范圍內(nèi)，也可以加入網(wǎng)絡(luò)。在樹狀網(wǎng)絡(luò)中，所有的信息都由樹節(jié)點(diǎn)來組織路由。
(3)網(wǎng)狀網(wǎng)類似于樹狀網(wǎng)絡(luò)配置，只是FFD可以直接把消息發(fā)送給其他的FFD而不用沿著樹來傳輸。來自RFD的消息依然要通過它的父節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于減少了消息傳輸?shù)臅r(shí)延并且增加了可靠性。