通信原理.doc

ZigBee无线通信技术 论文作者 魏成博 院 系 信息工程学院 专 业 电子信息工程专业 学 号 1071000194 完成日期 2012年 6月6日 中文提要ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件的技术标准。ZigBee技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化，家庭自动化控制(新建安装)与仪表控制为重点。商业大楼可以利用ZigBee完成自动控制，管理员可以有效地管理空调，灯光，火灾感应系统等各项开关控制系统，可以达到减少能源费用，降低管理人力等节约目的。ZigBee仪表控制系统相当适合人工高昂，幅员辽阔，或是抄表员素质不良，抄表准确度不高，又或抄表员不易进入水，电，瓦斯仪表所在地的地方。具有这样背景的地方促使ZigBee仪表控制市场具有一定的需求。AbstractZigBee is a new short-range, low-rate wireless network technology, is a group based on the IEEE802.15.4wireless standards development, networking, security and related application software technical standard.The application of ZigBee technology is very extensive, at this stage to commercial building automation, home automation control ( a new installation ) and instrument control as the focus. Commercial buildings can also use the ZigBee to complete the automatic control, the administrator can effectively manage the air-conditioning, lighting, fire sensing system of the switch control system, can reduce energy costs, reduce management manpower saving purpose. ZigBee instrument control system suitable for constructed high, with a vast territory, or meter reading quality bad, meter accuracy is not high, or the meter reading is not easy to enter the water, electricity, gas meter location. With such background to ZigBee instrument control market has certain requirements.目录第一章 ZigBee技术综述11.1 ZigBee技术概述11.2 ZigBee技术21.3 ZigBee协议31.3.1 ZigBee协议标准31.3.2 ZigBee协议栈31.4 ZigBee技术优势51.4.1 ZigBee与蓝牙比较61.4.2 ZigBee与WLAN共存61.4.3 ZigBee和FSK电台性能比较71.4.4 ZigBee通信可靠性保证7第二章 ZigBee技术应用领域8第11页第一章 ZigBee技术综述1.1 ZigBee技术概述ZigBee这个字源自于蜜蜂跳ZigZag形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂有关花粉位置 等资讯，以达到彼此沟通讯息之目的，故以此作为新一代无线通讯技术之命名。 ZigBee先前亦被称为“HomeRFLite,RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee。ZigBee是一个由可多到65000个无线数据传输模块组成的一个无线数据传输网络平台，是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格，增加了逻辑网络、网络安全和应用层。ZigBee的主要应用领域包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合。ZigBee和802.15.4标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250K，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近。ZigBee无线技术适合组建WPAN网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和控制信号的传输是非常适合的。ZigBee无线可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个，在中国采用2.4G频段，是免申请和免使用费的频率。图1.1 ZigBee的频带与数据传输率1.2 ZigBee技术ZigBee是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层为IEEE80215A协议标准，网络层由Zigbee技术联盟指定，应用层的开发应用根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。在组网性能上，Zigbee设备可构造为星型网络、簇数型网络、网状网络，在每一个Zigbee组成的无线网络内，连接地址码分为16bit短地址或者64bit长地址，具有较大网络容量。图1.2 ZigBee的网络拓扑结构网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大，计算能力最强。发送网络信标。建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息。寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征 更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。也能用作终端设备精简功能设备（RFD）:RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。附带有限的功能来控制成本和复杂性在网络中通常用作终端设备。ZigBee相对简单的实现自然节省了费用，RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成 本。1.3 ZigBee协议1.3.1 ZigBee协议标准在物理层(PhysicalLayer;PHY)方面，802.15.4之工作频率分为2.4GHz,915MHz 和868MHz三种，分别提供250Kbps.40Kbps和20Kbps之传输速率，其传输范围介于10到100公尺之间，一般是30公尺。由于ZigBee使用的是2.4GHz,915MHz和868MHz频段，这些频段因是免费开放使用，故已有多种无线通讯技术使用，因此ZigBee为避免被干扰，故在各个频段皆是采用直接序列展频(DSSS)技术。直接序列扩频(DSSS),(Directseqcuencespreadspectrdm)是直接利用具有高码率的扩频码系列采用各种调制方式在发端与扩展信号的频谱，而在收端，用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息。直接序列扩频通讯的主要技术特点是:抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址(DMA),抗多径干扰和直扩通信速率高等. 而在数据链路层(MediaAccessControlLayer;MAC)方面，主要是沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统相容性，所谓的CSMA/C人是在传输之前，会先检查通道是否有资料传输，若通道无资料传输，则开始进行资料传输动作，若是产生碰撞，则稍后重新再传。1.3.2 ZigBee协议栈ZigBee协议栈采用分层模型，主要由物理层（PHY）、媒体接入层（MAC）、网络/安全层以及应用框架层组成。在ZigBee技术中，PHY层和MAC层采用IEEE802.15.4协议标准，其中，PHY提供了两种类型服务：即通过物理层管理实体接口（PLME）对PHY层数据和PHY层管理提供服务。PHY层数据服务可以通过无线物理信道发送和接受物理层协议数据单元（PPDU）来实现。ZigBee技术的网络/安全层主要用于ZigBee的LR-WPAN网的组网连接、数据管理以及网络安全等；应用框架层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对ZigBee技术的开发应用，在不同的应用场合，其开发应用框架不同，从目前来看，不同的厂商提供的应用框架是有差异的，应根据具体应用情况和所选择的产品来综合考虑其应用框架。Application Framework应用层（AF）Application Support Sublayer应用支持层（APS）Network Layer网络层(NWK)Medium Access Control Layer数据链路层（MAC）Physical Layer物理层（PHY）表1.1 ZigBee协议栈分层1) 物理层(Physical Layer,PHY)物理层(PHY)是IEEE 802.15.4标准中定义的最低一层。它包括两个物理子层，分别工作在869/915MHz和2.4GHz不同的频率范围上。物理层的职责包括：ZigBee的激活与钝化；当前信道的能量检测；接受链路服务质量信息；ZigBee的信道接入方式；信道频率选择以及数据传输和接收等。2)数据链路层（Medium Access Control Layer,MAC）数据链路层（MAC）是由IEEE 802.15.4标准所定义。MAC层的职责包括：网络协调器产生网络信标；与信标同步；支持个域网（PAN）链路的建立和断开；为设备的安全性提供支持；信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA/CA）机制；处理和维护保护时隙（GTS）机制；在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路等。3)网络层（Network Layer,NWK）网络层（NWK）是由ZigBee联盟所定义，主要完成从应用层接受数据并向其发送数据。网络层的职责包括：设备连接和断开网络时所采用的机制；帧信息在传输过程中所采用的安全机制；设备之间的路由发现和路由维护和转交；完成对一跳邻居设备的发现和相关节点信息的存储。网络层的主要功能是提供IEEE 802.15.4-2003MAC子层的正确操作，并通过SAP（服务接入点）为应用层提供适当的服务接口，为了与应用层进行接口，网络层从概念上包含有两种具备所需功能的服务实体：数据实体（NLDE）主要是通过其相应的SAP(即NLDE-SAP)提供数据传输服务；管理实体（NLME）则主要通过NLME_SAP来提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制度。4)应用层(ApplicationLayer,APL)应用层（APL）是ZigBee协议栈的最高层。应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言，应用层包括以下几点功能:用应用维持器件的功能属性;用应用层发现该器件工作空间中其他器件的工作;应用层根据服务和需求来使多个器件之间进行通信;应用层主要根据具体应用由用户开发。它包括应用支持层(ApplicationSupportLayer,APS).ZigBee设备对象(ZigBeeDeviceObject,ZDO)和应用对象(ApplicationObject), 应用支持层(ApplicationSupportLayer,APS)提供两个接口:应用支持层管理实体服务接入点(APSManagementEntiytServiceAccessPoint, APSME-SAP)和应用支持层数据实体服务接入点(APSDataEntityServiceAccessPoint,APSDE-SAP)。前者用于实现安全性并通过协调器的ZDO来接受应用层的信息，后者通过应用对象和ZDO来发送数据。 ZigBee设备对象(ZigBeeDeviceObject,ZDO)为应用对象提供接口来发现其它设备和服务。另外，ZDO还回复其它设备关于询问自身信息的请求。ZDO使用APSDE-SAP和NLME-SAP来支持这些功能。 应用对象(ApplicationObject)是实际在ZigBee协议栈上运行的厂商应用。1.4 ZigBee技术优势目前，短距离无线通信技术，除ZigBee技术外，还存在许多其他技术，它们各有个的特色，通过与这些相关技术的分析比较，可以更好的了解它们各自的技术性能和应用领域。ZigBee技术的优势在于以下几点：1) 数据传输速率低：10K/秒250K/秒，专注于低传输应用2) 功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用624个月3) 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本4) 网络容量大：网络可容纳65000个设备5) 时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms6) 网络的自组织、自愈能力强，通信可靠7) 数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性8) 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz(美国)，均为免执照（免费）的频段图1.3 短程无线网络标准1.4.1 ZigBee与蓝牙比较图1.4 ZigBee与蓝牙的性能比较1.4.2 ZigBee与WLAN共存图1.5 ZigBee与WLAN工作频段ZigBee和WLAN共同工作在2.4G的频段，利用ZigBee的#15、#20、#25和#26信道，可有效避免与802.11b的#1、#6、#11信道的互相干扰1.4.3 ZigBee和FSK电台性能比较图1.6 ZigBee和FSK电台性能比较1.4.4 ZigBee通信可靠性保证1）物理层RF通信链接直序扩频采用高处理增益明晰的信道检测对干扰能量进行检测采用跳频技术Frenquency agility2) 协议基于CRC的误码检测/校正采取了避免冲突的策略CSMA/CA为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙发送的数据包都有待于接受方的确定，如出现问题进行重发保持数据包的及时传输Packet data freshness3）网络的自组织、自愈能力强ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个习惯仍然能正常工作。4）抗干扰性能强ZigBee在低信噪比的环境下具有很强的抗干扰性能；ZigBee技术在相同的环境中，ZigBee抗干扰性能远远好于蓝牙和WLAN.图1.7 短程无线技术抗干扰性比较如上图比较所示，在红色点同等环境中，ZigBee的抗干扰性能是蓝牙，WLAN和FSK的1000倍第二章 ZigBee技术应用领域ZigBee应用领域主要有工业控制、智能交通、汽车应用、精确农业、家庭及楼宇自动化、医学、军事应用等。在工业领域，利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如危险化学成分