ZigBee 在單兵作戰系統中的應用

ZigBee 是一種新興的短距離、低速率、低功耗無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù),他是一種介于無(wú)線(xiàn)標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。他此前被稱(chēng)作“HomeRF Lite”或“FireFly”無(wú)線(xiàn)技術(shù),主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接。ZigBee 的網(wǎng)絡(luò )標準由IEEE802. 15 工作組負責制定,ZigBee 是IEEE 802. 15. 4 標準在商業(yè)推廣上的名稱(chēng)。802. 15. 4 標準的適用范圍非常貼近生產(chǎn)和生活,對數據速率和QoS 的要求不高,目標市場(chǎng)是工業(yè),家庭以及醫療等需要低功耗低成本以及大面積使用無(wú)線(xiàn)監控設備的領(lǐng)域。其基本技術(shù)參數如表1 所示。

表1 　ZigBee 基本技術(shù)參數
工作頻率 2. 4 GHz ISM 868 MHz 915 MHz
傳輸速率 250 kb/ s 20 kb/ s 40 kb/ s
信道數量 16 1 10
覆蓋范圍 10～75 m
擴頻方式 直接序列擴頻
接入方式 CSMA/ CA
調制方式 BPSK/ O QPSK
糾錯方式 CRC ,ARQ
安全機制 分級安全控制以及MAC 和NWK ,AES
業(yè)務(wù)類(lèi)型 分組交換
功率消耗 極低
狀態(tài)模式 激活/ 休眠
網(wǎng)絡(luò )結構 星型網(wǎng)/ 網(wǎng)狀網(wǎng)/ 對等網(wǎng)
網(wǎng)絡(luò )容量 256 個(gè)終端　最多可達65 536 個(gè)
協(xié)議堆棧 28 kB
響應時(shí)間 15～30 ms

1 　單兵作戰系統
單兵綜合作戰系統是以單兵為基本單元,人機環(huán)境統籌考慮,應用多種先進(jìn)技術(shù)的高技術(shù)士兵裝備系統,他使士兵、武器、裝備間形成了一個(gè)有機的整體,從而全面增強單兵的火力、機動(dòng)、通信、觀(guān)瞄和防護能力,使每一個(gè)士兵都成為有效的火力攻擊單位,既能獨立作戰,又能協(xié)調行動(dòng),全面提高單兵作戰效能,使士兵有條件在未來(lái)信息化戰場(chǎng)上贏(yíng)得優(yōu)勢。
單兵綜合作戰系統一般分為5 個(gè)子系統: 武器子系統、通訊子系統、觀(guān)瞄子系統、生命子系統、防護子系統。
(1) 武器子系統　
必須做到系統重量輕、持續作戰能力強、能對付多種目標,可安裝一系列的附件,如光學(xué)瞄具、激光瞄具、激光測距儀等。
(2) 通訊裝備子系統　
主要是提高單兵的全天候作戰能力及單兵之間、分隊之間、單兵與后方指揮員之間的聯(lián)系及情報交換能力。他包括分隊內部成員之間短距離通信設備以及分隊與后方指揮員之間長(cháng)距離通信設備。
(3) 觀(guān)瞄子系統　
主要為士兵提供觀(guān)察敵情,瞄準射擊的裝備。他主要由夜視、夜瞄以及長(cháng)距離瞄準裝置組成,并為消除帶頭盔后給士兵瞄準帶來(lái)的不方便,可設計武器瞄準具與頭盔正前方的顯示屏相連,士兵平視就能實(shí)施瞄準及觀(guān)察。
(4) 生命子系統　
主要是利用各種傳感器對士兵各種生命體征以及周?chē)h(huán)境數據進(jìn)行采集分析,由單兵穿戴式計算機對傳感器的監測結果進(jìn)行分析,得出一個(gè)數值代碼并將其發(fā)送到后方指揮部,指揮員就可判斷出前線(xiàn)作戰士兵的生理狀態(tài):是否受傷,傷情如何;是否處于疲勞、寒冷、疾病、恐懼等不良狀態(tài)等。這對傷病員的及時(shí)救護、給養的供應提供了客觀(guān)依據,并使指揮員對部隊的戰斗力有一個(gè)準確的判斷。ZigBee 短距離、低成本、低功耗、易實(shí)現的特點(diǎn)非常適合作為生命子系統的組成部件。
(5) 防護子系統　
主要采用各種新材料以達到防襲擊、防激光致盲、防噪聲及防水、防潮和防寒等全環(huán)境防護能力,他包括多功能頭盔和防護服。

2 　ZigBee 在生命子系統中的應用
ZigBee 在生命子系統中的應用工作流程如圖1 所示。

2. 1 　工作原理
在一個(gè)單兵小分隊中,每個(gè)分隊成員佩戴一個(gè)ZigBee生物傳感器節點(diǎn),他是集ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊與生物傳感器模塊為一體的,可以對士兵生命體征諸如脈搏、血壓、呼吸、體溫等進(jìn)行數據采集,并通過(guò)ZigBee 方式無(wú)線(xiàn)傳輸至主協(xié)調器。他主要由脈搏傳感器、溫度傳感器、狀態(tài)傳感器、模擬信號放大器、A/ D 轉換器、電平比較器、信號存儲器和ZigBee 無(wú)線(xiàn)收發(fā)器及相關(guān)軟件組成。位于小分隊中心位置的成員身上攜帶有ZigBee 主協(xié)調器。主協(xié)調器的主要功能是為建立和啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )這一過(guò)程設置參數,其中包括選擇一個(gè)射頻信道、惟一的網(wǎng)絡(luò )標識符以及一系列操作參數。每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )都必須包括一臺主協(xié)調器,在本應用中,由于小分隊成員的活動(dòng)范圍非常接近,所以無(wú)需中繼設備,可以直接將終端無(wú)線(xiàn)接入主協(xié)調器。
網(wǎng)絡(luò )中的所有設備都擁有一個(gè)64 位的IEEE 地址,也可以使用16 位短地址來(lái)減少數據包大小,這樣只要記錄下終端地址就可以很容易確定士兵身份。路由選擇在默認時(shí)使用樹(shù)形路由選擇,即在做路由選擇策略時(shí)利用樹(shù)形結構選址。有了樹(shù)形路由選擇,設備不必保存占用龐大內存的路由表或進(jìn)行任何額外的空中下載技術(shù)(over the air) 操作來(lái)發(fā)現路徑,因此最小化了網(wǎng)絡(luò )流量,同時(shí)簡(jiǎn)化了設備結構,降低了成本和設備功耗,適合在軍事上大面積裝備。主協(xié)調器通過(guò)接口模塊與單兵穿戴式計算機相聯(lián),接口模塊的主要作用是完成數據格式的轉換,去除各種干擾,以便讓計算機能識別處理生物傳感器收集來(lái)的各種參數。穿戴式計算機內部軟件要具備3 種功能:ZigBee 網(wǎng)絡(luò )控制功能、數據分析處理轉換功能、衛星通信設備管理功能。
ZigBee 網(wǎng)絡(luò )控制主要包括系統啟動(dòng)關(guān)閉、終端地址分配、差錯控制、各種參數設定等。數據分析處理轉換主要是將終端收集來(lái)的各種參數進(jìn)行波形分析、頻率分析、數據統計等,得出士兵所處狀態(tài)結論,將之轉換成特殊編碼格式,加載到衛星上傳回后方指揮中心。
衛星通信設備管理功能包括系統啟動(dòng)與否、接口控制、數據格式選擇等。
單兵衛星系統由輕型便攜式無(wú)線(xiàn)電臺加衛星天線(xiàn)組成。電臺用金屬包裝,經(jīng)久耐用,能夠抗得住野戰暴露或在機動(dòng)部隊使用時(shí)所處的惡劣環(huán)境。背負式電臺易于攜帶,包括天線(xiàn)和電池組在內僅十幾kg ,體積不到0102 m3 ,可以在任何天氣條件下使用。
2. 2 　系統安全性可靠性
本應用中的安全可靠性分為3 步分:ZigBee傳輸的安全可靠性,穿戴式計算機數據處理的安全可靠性,衛星傳輸的安全可靠性。其中后兩方面在其他文獻中已有大量論述,本文不再討論。
ZigBee 采用了分級的安全性策略:無(wú)安全性、接入控制表、32 b AES 和128 b AES。如果對系統安全性要求不高,可以選擇級別較低的安全措施,從而換取系統成本和功耗的降低;反之,在安全性要求較高時(shí),可以選擇較高的安全級別。由于本例應用于軍事領(lǐng)域,所以應采用較高的安全級別。
ZigBee 分別在MAC 層和網(wǎng)絡(luò )層采取了安全策略。在數據經(jīng)過(guò)一跳就到達目的地時(shí),ZigBee 只用MAC 層提供的安全機制;當在多跳的情況下,ZigBee 就要依賴(lài)高層來(lái)保證安全。
MAC 層安全套件基于以下3 種操作模式:計數器模式的AES 加密、密碼塊鏈接模式的數據完整性、二者相結合的加密和完整性(CCM 模式) 。MAC 層的AES 加密算法可以保護MAC 命令、信標、信息幀和應答幀的秘密性、完整性和真實(shí)性。MAC 幀的頭部有一個(gè)比特用來(lái)指示MAC 幀是否加密。每一個(gè)密鑰只與一個(gè)安全套件相關(guān)聯(lián)。為了保證數據完整性,MAC 層計算頭部和凈荷數據得到一個(gè)消息完整碼,其長(cháng)度為4 ,8 或16 B。同時(shí),在每個(gè)MAC 幀頭也都有一個(gè)幀編號,用于防止幀丟失和幀重傳。密鑰的建立、安全操作模式的選擇和對處理過(guò)程的控制則由高層來(lái)負責。
網(wǎng)絡(luò )層也使用AES ,他的安全套件是基于CCM 3 操作模式。CCM 3 包括所有CCM 的功能,同時(shí)提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM 3 允許單個(gè)密鑰用于不同的安全套件。因此一個(gè)密鑰并不只屬于單個(gè)安全套件,一個(gè)高層應用可以靈活地指定網(wǎng)絡(luò )層所用的安全套件。網(wǎng)絡(luò )層負責安全處理,但對處理過(guò)程的控制則由高層通過(guò)建立密鑰和決定使用哪一種CCM 3 安全套件來(lái)實(shí)現。此外,幀序號和消息完整碼也可以加在網(wǎng)絡(luò )層幀中。
ZigBee 的信道接入方式采用CSMA/ CA(載波偵聽(tīng)多址/ 沖突避免) ,能有效地減少幀的沖突。為抗干擾和多徑衰落,ZigBee 在物理層采用直接序列擴頻和頻率捷變FA技術(shù)。為了保證幀的正確傳輸,ZigBee 在MAC 層采用了兩個(gè)措施:自動(dòng)請求重傳ARQ 和幀緩存。當一幀傳給一個(gè)設備時(shí),如果接受設備處于忙或者休眠狀態(tài)而不能接收該幀,那么網(wǎng)絡(luò )的主協(xié)調設備就暫時(shí)緩存該幀,直到收端能接收該幀。在網(wǎng)絡(luò )層,ZigBee 支持網(wǎng)狀網(wǎng),存在冗余路由,保證了網(wǎng)絡(luò )的健壯性。

3 　結　語(yǔ)
ZigBee 所具有的短距離、低成本、低功耗、易實(shí)現、安全可靠的特點(diǎn)非常適合作為單兵作戰系統中生命子系統的組成部件。不僅能對士兵生命體征數據進(jìn)行傳輸,后續的技術(shù)開(kāi)發(fā)還可以對敵核、生、化武器污染監測數據進(jìn)行傳輸。當傳感器的檢測信號表明敵方施放了核、生、化武器,就會(huì )自動(dòng)發(fā)出報警信號,同時(shí)將檢測結果通過(guò)ZigBee發(fā)送裝置傳輸到指揮部,為己方贏(yíng)得較長(cháng)的預警時(shí)間ZigBee 的應用為指揮人員提供了準確評價(jià)部隊戰斗力的客觀(guān)依據,提高了部隊裝備的信息化含量,從而使我軍在未來(lái)信息化戰爭中處于有利地位。