ZigBee無線傳輸技術綜述

摘要：ZigBee技術是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術。ZigBee協議采用IEEE802．15．4標準的物理層和鏈路層，并在其上增加了網絡層，安全模塊和應用支持子層模塊，從而實現了大區域網絡覆蓋。ZigBee由于其在低功耗、低復雜度、自組織等方面的優勢，逐漸成為無線傳感器網絡的首選通信協議。
關鍵詞：ZigBee技術；ZigBee協議；路由算法；ZigBee應用

0 引言
ZigBee的基礎是IEEES02．15．4，這是IEEE無線個人區域網工作組的一項標準，被稱作IEEES02．15．4(ZigBee)技術標準。ZigBee協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，與藍牙等無線通訊技術相比，它具有如下特點：
(1)功耗更低：ZigBee Alliance網站公布，以一般電池電力而言，ZigBee產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時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網絡協調器帶有255個激活節點，多個網絡協調器可以聯接大型網絡。2．4 GHz頻段可容納16個通道，每個網絡協調器帶有255個激活節點(藍牙只有8個)，ZigBee技術允許在一個網絡中包含4千多個節點。
(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現，無需主機平臺。從天線到應用實現只需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協議棧
ZigBee標準采用分層結構，根據開放式通信系統互聯模型，從上往下具有物理層、數據鏈路層、網絡層、應用支持子層和應用層。從網絡層以上的協議有ZigBee聯盟制定，IEEES02．15．4標準定義物理層和數據鏈路層。
1．1 物理層(PHY)
物理層是協議層的最底層，主要工作是要啟動與關閉無線傳輸接收器、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指示(LQI)。
IEEE802．15．4定義了兩個物理層標準，分別是2．4 GHz和868／915 MHz物理層。2．4 GHz的物理層通過采用16相調制技術，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。
物理層提供兩個服務：數據服務和管理服務。數據服務：在物理無線信道上接受和發送物理協議數據單元。管理服務：維護一個由物理層相關數據組成的數據庫。
物理層負責下面的任務：
(1)無線收發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，負責設備間無線數據鏈路的建立，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據通信。MAC層有兩種信道訪問機制：無標識網絡和標識使能網絡。無標識網絡節點成功接受到信息包后能產生一個積極的回應。標識使能網絡采用超幀結構，這一方面為了有專用的帶寬和低的反應時間，另一方面可通過網絡協調器設定在預定時間間隔內傳輸標識。
MAC層使用標識使能來處理周期性數據，當有標識使能時，傳感節點會被喚醒來檢測信息，然后再返回睡眠狀態。間歇性數據可以在無標識網絡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，通信需要在能節約大量能量的情況下，設備才加入網絡。低反應時間操作可用于保證時間分割(GTS)操作中。GTS是高服務質量的一種方法，它允許每個設備有一個特定的時間間隔，這樣每個超幀就可以自由傳輸而不需要反應和爭搶。
1．3 網絡層
物理層上面的網絡層由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接口。網絡層為應用層提供兩種服務實體：數據實體和管理實體。網絡層數據實體通過提供數據傳輸服務，網絡層管理實體通過提供管理服務，同時，利用來完成一些管理任務，負責維護網絡數據。
ZigBee提供了：星形網絡、樹狀網絡和網狀網絡三種拓撲結構。
(1)星型網絡配置包含了一個ZigBee協調器節點和一個或更多的終端設備。在星型網絡中，所有的終端設備都只與協調器通信。如果某個終端設備需要傳輸數據到另一個終端設備，它會把數據發送給協調器，然后協調器依次將數據轉發到目標接收器終端設備。
(2)樹狀網絡，在這種配置下，終端設備可以選擇加入ZigBee協調器或者ZigBee路由器。路由器提供兩種功能的服務。一是為整個網絡增加可能的節點數。二是擴展網絡覆蓋的物理范圍。有了路由器以后，終端設備不需要在協調器的射頻范圍內，也可以加入網絡。在樹狀網絡中，所有的信息都由樹節點來組織路由。
(3)網狀網類似于樹狀網絡配置，只是FFD可以直接把消息發送給其他的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點來轉發。網狀網絡拓撲的優勢在于減少了消息傳輸的時延并且增加了可靠性。