ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)綜述

摘要：ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。ZigBee協(xié)議采用IEEE802．15．4標準的物理層和鏈路層，并在其上增加了網(wǎng)絡(luò )層，安全模塊和應用支持子層模塊，從而實(shí)現了大區域網(wǎng)絡(luò )覆蓋。ZigBee由于其在低功耗、低復雜度、自組織等方面的優(yōu)勢，逐漸成為無(wú)線(xiàn)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應用

0 引言
ZigBee的基礎是IEEES02．15．4，這是IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)工作組的一項標準，被稱(chēng)作IEEES02．15．4(ZigBee)技術(shù)標準。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)免受權頻段：2．4 GHz(全球應用)，915MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。
ZigBee采用DSSS技術(shù)，與藍牙等無(wú)線(xiàn)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)品可使用數月至數年之久。它非常適用于那些需要一年甚至更長(cháng)時(shí)間才需更換電池的設備(如典型的監控設備)。
(2)接入設備多：ZigBee的解決方案支持每個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器帶有255個(gè)激活節點(diǎn)，多個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器可以聯(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)調器帶有255個(gè)激活節點(diǎn)(藍牙只有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)節點(diǎn)。
(3)成本更低：ZigBee只需要80C51之類(lèi)的低檔處理器以及少量的軟件即可實(shí)現，無(wú)需主機平臺。從天線(xiàn)到應用實(shí)現只需1塊芯片即可。藍牙需依靠較強大的主處理器(如ARM7)，芯片構架也比較復雜。
(4)傳輸速率更低：ZigBee的低功率導致了低傳輸速率，其原始數據吞吐速率在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標準采用分層結構，根據開(kāi)放式通信系統互聯(lián)模型，從上往下具有物理層、數據鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層、應用支持子層和應用層。從網(wǎng)絡(luò )層以上的協(xié)議有ZigBee聯(lián)盟制定，IEEES02．15．4標準定義物理層和數據鏈路層。
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(wú)線(xiàn)傳輸接收器、傳輸與接收數據、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號能量偵測、數據調變傳輸與接收解調、空閑頻道評估(CCA)和針對接收的封包執行鏈路品質(zhì)指示(LQI)。
IEEE802．15．4定義了兩個(gè)物理層標準，分別是2．4 GHz和868／915 MHz物理層。2．4 GHz的物理層通過(guò)采用16相調制技術(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)：數據服務(wù)和管理服務(wù)。數據服務(wù)：在物理無(wú)線(xiàn)信道上接受和發(fā)送物理協(xié)議數據單元。管理服務(wù)：維護一個(gè)由物理層相關(guān)數據組成的數據庫。
物理層負責下面的任務(wù)：
(1)無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機的激活和去激活。
(2)在當前信道上的能量檢測。
(3)鏈路質(zhì)量指示，用在接受的數據包上。
(4)清除信道估計算法用在CSMA／CA技術(shù)中。
(5)信道頻率選擇。
(6)信道數據的接受。
1．2 數據鏈路層(MAC)
物理層之上的數據鏈路層基于物理層所提供的服務(wù)，負責設備間無(wú)線(xiàn)數據鏈路的建立，維護和結束，確認模式的幀傳送與接受，信道接入控制，幀校驗，預留時(shí)隙管理和廣播信息管理。IEEE802．15．4的MAC層可足夠靈活地來(lái)處理這些數據通信。MAC層有兩種信道訪(fǎng)問(wèn)機制：無(wú)標識網(wǎng)絡(luò )和標識使能網(wǎng)絡(luò )。無(wú)標識網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)成功接受到信息包后能產(chǎn)生一個(gè)積極的回應。標識使能網(wǎng)絡(luò )采用超幀結構，這一方面為了有專(zhuān)用的帶寬和低的反應時(shí)間，另一方面可通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器設定在預定時(shí)間間隔內傳輸標識。
MAC層使用標識使能來(lái)處理周期性數據，當有標識使能時(shí)，傳感節點(diǎn)會(huì )被喚醒來(lái)檢測信息，然后再返回睡眠狀態(tài)。間歇性數據可以在無(wú)標識網(wǎng)絡(luò )中被處理或是以不連貫的方式被處理。當以不連貫方式處理時(shí)，通信需要在能節約大量能量的情況下，設備才加入網(wǎng)絡(luò )。低反應時(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和爭搶。
1．3 網(wǎng)絡(luò )層
物理層上面的網(wǎng)絡(luò )層由ZigBee標準規定，它確保正確的操作IEEES02．15．4MAC子層和應用層提供服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò )層為應用層提供兩種服務(wù)實(shí)體：數據實(shí)體和管理實(shí)體。網(wǎng)絡(luò )層數據實(shí)體通過(guò)提供數據傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò )層管理實(shí)體通過(guò)提供管理服務(wù)，同時(shí)，利用來(lái)完成一些管理任務(wù)，負責維護網(wǎng)絡(luò )數據。
ZigBee提供了：星形網(wǎng)絡(luò )、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )三種拓撲結構。
(1)星型網(wǎng)絡(luò )配置包含了一個(gè)ZigBee協(xié)調器節點(diǎn)和一個(gè)或更多的終端設備。在星型網(wǎng)絡(luò )中，所有的終端設備都只與協(xié)調器通信。如果某個(gè)終端設備需要傳輸數據到另一個(gè)終端設備，它會(huì )把數據發(fā)送給協(xié)調器，然后協(xié)調器依次將數據轉發(fā)到目標接收器終端設備。
(2)樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )，在這種配置下，終端設備可以選擇加入ZigBee協(xié)調器或者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 )增加可能的節點(diǎn)數。二是擴展網(wǎng)絡(luò )覆蓋的物理范圍。有了路由器以后，終端設備不需要在協(xié)調器的射頻范圍內，也可以加入網(wǎng)絡(luò )。在樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )中，所有的信息都由樹(shù)節點(diǎn)來(lái)組織路由。
(3)網(wǎng)狀網(wǎng)類(lèi)似于樹(shù)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(zhù)樹(shù)來(lái)傳輸。來(lái)自RFD的消息依然要通過(guò)它的父節點(diǎn)來(lái)轉發(fā)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲的優(yōu)勢在于減少了消息傳輸的時(shí)延并且增加了可靠性。