浅谈g无线技术zigbee

1、2.4G无线技术-Zigbee浅谈导读: Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，要紧用于近距离无线连接。 关键字 zigbee概述“ZigBee”是什么？从字面上猜像是一种蜜蜂。因为“ZigBee”那个词由“Zig”和“Bee”两部分组成，“Zig”取自英文单词 “zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，因此“ZigBee”确实是跳着“之”字形舞的蜜蜂。只是，ZigBee并非是一种蜜蜂，事实上，它与蓝牙类似是一种新兴的短距离技术，国内也

2、有人翻译成“紫蜂”。这只蜜蜂的来头依旧要从它的历史开始讲起，早在上世纪末，就差不多有人在考虑进展一种新的通信技术，用于传感操纵应用（sensor and control），那个方法后来在IEEE 802.15工作组当中提出来，因此就成立了TG4工作组，同时制定了规范IEEE 802.15.4。然而IEEE 802的规范只专注于底层，要达到产品的互操作和兼容，还需要定义高层的规范，因此2002年ZigBee Alliance成立，正式有了“ZigBee”那个名词。两年之后，ZigBee的第一个规范ZigBee V1.0诞生，但那个规范推出的比较仓促，存在一些错误，并不有用。此后ZigBee Al

3、liance又通过两年的努力，推出了新的规范ZigBee 2006，这是一个比较完善的规范。据联盟最新的消息，今年年底将会公布更新版本的规范ZigBee 2007，那个版本增加了一些新的特性。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“Home Lite”或“FireFly”无线技术，要紧用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的之间相互协调实现通信。这些传感器只需要专门低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率特不高。最后，这些数据就能够进入用于分析或者被另外一

4、种无线技术如收集。从ZigBee的进展历史能够看到，它和IEEE 802.15.4有着紧密的关系，事实上ZigBee的底层技术确实是基于IEEE 802.15.4的，因此有一种讲法认为ZigBee和IEEE 802.15.4是同一个东西，或者讲“ZigBee”只是IEEE 802.15.4的名字而已，事实上这是一种误解。实际上ZigBee和IEEE 802.15.4的关系，有点类似于WiMAX和IEEE 802.16，Wi-Fi和IEEE 802.11，Bluetooth和IEEE 802.15.1。“ZigBee”能够看作是一个商标，也能够看作是一种技术，当把它看作一种技术的时候，它表示一种

5、高层的技术，而物理层和层直接引用IEEE 802.15.4。事物是不断的进展变化的，尤其是通信技术，能够想象今后的ZigBee可能可不能使用IEEE 802.15.4定义的底层，就跟蓝牙（Bluetooth）宣布下一代底层采纳UWB技术一样，然而“ZigBee”那个商标以及高层的技术还会接着保留。ZigBee协议栈速读我们无法预料今后ZigBee会基于如何样的底层技术，只好从它现在的底层IEEE 802.15.4开始了解，IEEE 802.15.4包括物理层和MAC层两部分。ZigBee工作在三种频带上，分不是用于欧洲的868MHz频带，用于美国的915MHz频带，以及全球通用的2. Hz频带

6、，但这三个频带的物理层并不相同，它们各自的信道带宽分不是0.6MHz， 2MHz和5MHz，分不有1个，10个和16个信道。不同频带的扩频和调制方式也有所区不，尽管都使用了直接序列扩频（DSSS）的方式，但从比特到码片的变换方式有比较大的差不;调制方面都使用了调相技术，但868MHz和915MHz频段采纳的是BPSK，而2.4GHz频段采纳的是OQPSK。我们能够以2.4GHz频段为例看看发射机基带部分的框图（如图1），能够看到物理层部分特不简单，而IEEE 802.15.4芯片的低价格正是得益于底层的简单性。可能我们会担心它的性能，但我们能够再看看它和Bluetooth/IEEE 802.1

7、5.1以及/IEEE 802.11的性能比较（如图2），在同样比特信噪比的情况下，IEEE 802.15.4要优于其他两者。直接序列扩频技术具有一定的抗干扰效果，同时在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术。在发射为0dBm的情况下，Bluetooth通常能有10m作用范围，而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室内通常能达到3050m作用距离，在室外假如障碍物较少，甚至能够达到100m作用距离;同时调相技术的误码性能要优于调频和调幅技术。因此综合起来，IEEE 802.15.4具有性能比较好的物理层。另一方面，我们能够看到IEEE 802.15.4的数据速率并不高，关于2.4GH

8、z频段只有250kb/s，而868MHz频段只有20kb/s，915MHz频段只有40kb/s。因此我们完全能够把它归为低速率的短距离无线通信技术。图1 IEEE 802。15.4 物理层2.4GHz频段发射机基带框图图2 几种无线通信技术性能比较物理层的上面是MAC层，它的核心是信道接入技术，包括时分复用GTS技术和随机接入信道技术CSMA/CA。只是ZigBee实际上并没有对时分复用GTS技术进行相关的支持，因此我们能够暂不考虑它，而专注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的网络所有节点都工作在同一个信道上，因此假如邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层

9、采纳了CSMA/CA的技术，简单来讲，确实是节点在发送数据之前先监听信道，假如信道空闲则能够发送数据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时刻，然后再进行监听，那个退避的时刻是指数增长的，但有一个最大值，即假如上一次退避之后再次监听信道忙，则退避时刻要增倍，如此做的缘故是假如多次监听信道都忙，有可能表明信道上的数据量大，因此让节点等待更多的时刻，幸免繁忙的监听。通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道。在MAC层当中还规定了两种信道接入模式，一种是信标（beacon）模式，另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种“超帧”的格式，在超帧的开始发送信标帧，里面含有一些时序以及网络的信息

10、，紧接着是竞争接入时期，在这段时刻内各节点以竞争方式接入信道，再后面是非竞争接入时期，节点采纳时分复用的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态，等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。显然，在信标模式当中由于有了周期性的信标，整个网络的所有节点都能进行同步，但这种同步网络的规模可不能专门大。实际上，在ZigBee当中用得更多的可能是非信标模式。MAC层往上就属于ZigBee真正定义的部分了，我们能够参看一下ZigBee的协议栈（图3）。底层技术，包括物理层和MAC层由IEEE 802.15.4制定，而高层的网络

11、层、应用支持子层（APS）、应用框架（AF）、ZigBee设备对象（ZDO）和安全组件（SSP），均由 ZigBee Alliance所制定。图3 ZigBee协议栈这些部分当中最下面的是网络层。和其他技术一样，ZigBee网络层的要紧功能是路由，路由是它的核心。目前ZigBee网络层要紧支持两种路由算法树路由和网状网路由。树路由采纳一种专门的算法，具体能够参考ZigBee的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为根的一棵树，因为整个网络是由协调器所建立的，而协调器的子节点能够是路由器或者是末端节点，路由器的子节点也能够是路由器或者末端节点，而末端节点没有子节点，相当于树的叶子。这种结构又看起

12、来蜂群的结构，协调器相当于蜂后，是唯一的，而路由器相当于雄蜂，数目不多，末端节点则相当于数量最多的工蜂。事实上有专门多地点认真一想，就能够发觉ZigBee和蜂群的许多暗合之处。树路由利用了一种专门的地址分配算法，使用四个参数深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数来计算新节点的地址，因此寻址的时候依照地址就能计算出路径，而路由只有两个方向向子节点发送或者向父节点发送。树状路由不需要路由表，节约存储资源，但缺点是专门不灵活，白费了大量的地址空间，同时路由效率低，因此常常作为最后的路由方法，或者干脆不用。ZigBee当中还有一种路由方法是网状网路由，这种方法实际上是AODV路由算法的一个简化版

13、本，特不适合于低成本的无线自组织网络的路由。它能够用于较大规模的网络，需要节点维护一个路由表，耗费一定的存储资源，但往往能达到最优的路由效率，而且使用灵活。除了这两种路由方法，ZigBee当中还能够进行邻居表路由，事实上邻居表能够看作是专门的路由表，只只是只需要一跳就能够发送到目的节点。网络层的上面是应用层，包括了APS、AF和ZDO几部分，要紧规定了一些和应用相关的功能，包括端点（endpoint）的规定，还有绑定 （binding）、服务发觉和设备发觉等等。其中端点是应用对象存在的地点，ZigBee同意多个应用同时位于一个节点上，例如一个节点具有操纵灯光的功能，又具有感应温度的功能，又具有

14、收发文本消息的功能，这种设计有利于复杂ZigBee设备的出现。而绑定是用于把两个“互补的”应用联系在一起，如应用和灯的应用。更通俗的理解，“绑定”能够讲是通信的一方了解另一方的通信信息的方法，比如开关需要操纵“灯”，但它一开始并不明白“灯”那个应用所在的设备地址，也不明白其端点号，因此它能够广播一个消息，当“灯”接收到之后给出响应，因此开关就能够记录下“灯”的通信信息，以后就能够依照记录的通信信息去直接发送操纵信息了。服务发觉和设备发觉是应用层需要提供的，ZigBee定义了几种描述符，对设备以及提供的服务能够进行描述，因此能够通过这些描述符来查找合适的服务或者设备。ZigBee还提供了安全组件

15、，采纳了AES128的算法对网络层和应用层的数据进行加密爱护，另外还规定了信任中心（trust center）的角色全网有一个信任中心，用于治理密钥和治理设备，能够执行设置的安全策略。Zigbee的基础是IEEE802.15.4（如下图1所示），这是IEEE无线个人区域网（Personal Area Network，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4（Zigbee）技术标准。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化（如下图2所示）。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的差不多节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器

16、的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种可不能意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输可不能被其它节点获得。ZigBee性能分析面对ZigBee协议栈作了一些介绍，要明白ZigBee能胜任什么工作，还需要作进一步的分析，要紧有几个方面：数据速率、可靠性、时延、能耗特性、组网和路由。ZigBee的数据速率比较低，在2.4GHz的频段也只有250kb/s，而且这只是链路上的速率，除掉帧头开销、信道竞争、应答和重传，真正能被应用所利用的速率可能不足100kb/s，同时这余下的速率也可能要被

17、邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分。因此我们不能奢望ZigBee去做一些如传输视频之类的高难度的情况，起码目前是如此，而应该聚焦于一些低速率的应用，比如人们早就给它找好的一个应用领域传感和操纵。至于可靠性，ZigBee有专门多方面进行保证，首先是物理层采纳了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，而MAC层和应用层（APS部分）有应答重传功能，另外MAC层的CSMA机制使节点发送之前先监听信道，也能够起到避开干扰的作用，网络层采纳了网状网的组网方式（图4），从源节点到达目的节点能够有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性，假如原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现故障，

18、ZigBee能够进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信（图5、图6）。据了解，在最新的ZigBee 2007协议栈规范当中，将会引入一个新的特性频率捷变（frequency agility），这也是ZigBee加强其可靠性的一个重要特性。那个特性大致的意思是当ZigBee网络受到外界干扰，比如Wi-Fi的干扰，无法正常工作时，整个网络能够动态的切换到另一个工作信道上。图4 ZigBee可靠的网状网组网方式图5 ZigBee网络受到外部干扰图6 通过更换路径避开干扰时延也是一个重要的考察因素。由于ZigBee采纳随机接入MAC层，同时不支持时分复用的信道接入方式，因此关于一些实时的业务并不能

19、专门好支持。而且由于发送冲突和多跳，使得时延变成一个不易确定的因素。能耗特性是ZigBee的一个技术优势。通常情况下，ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低，在不需要通信的时候，节点能够进入专门低功耗的休眠状态，现在能耗可能只有正常工作状态的千分之一。由于一般情况下休眠的时刻占总运行时刻的大部分，有时可能正常工作的时刻还不到1%，因此达到专门高的节能效果。在这种情况下，ZigBee的网络有可能依靠一般的电池连续运转一两年。因此，ZigBee节点能够方便的在休眠状态和正常运行状态之间灵活的切换，和它底层的特性是分不开的。ZigBee从休眠状态转换到活跃状态一般只需要十几毫秒，而且由于使用直

20、接扩频而不是跳频技术，重新接入信道的时刻也专门快。最后是组网和路由特性，它们属于网络层的特性，ZigBee在这方面做得相当出色。首先是大规模的组网能力ZigBee能够支持每个网络多达六万多个节点，相比之下，Bluetooth只支持每个网络8个节点。这是因为ZigBee的底层采纳了直扩技术，假如采纳非信标模式，网络能够扩展得专门大，因为不需要同步。而且节点加入网络和重新加入网络的过程也专门快，一般能够做到一秒以内甚至更快，而Bluetooth通常需要3s时刻。在路由方面，ZigBee支持可靠性专门高的网状网的路由，因此能够布设范围专门广的网络，同时支持多播和广播的特性，能够给丰富的应用带来有力的

21、支撑。ZigBee应用浅谈上面介绍了ZigBee的一些技术优势，也谈到了不足之处，目前有些讲法把它跟其它他的无线技术，如Wi-Fi、Bluetooth、NFC等等进行类比，讲某种技术不如另一种，甚至讲某种技术要取代另一种，如此的讲法是片面的。作为一种低速率的短距离无线通信技术， ZigBee有其自身的特点，因此应该有为它量身定做的应用，尽管在某些应用方面可能和其他技术重叠。下面就来简单看看ZigBee可能的一些应用，包括智能家庭、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用。智能家庭：家里可能都有专门多电器和电子设备，如电灯、电视机、冰箱、洗衣机、电脑、空调等等，可能还有烟雾感应、报警器和摄像

22、头等设备，往常我们最多可能就做到点对点的操纵，但假如使用了ZigBee技术，能够把这些电子电器设备都联系起来，组成一个网络，甚至能够通过网关连接到 Internet，如此用户就能够方便的在任何地点监控自己家里的情况，同时省却了在家里布线的苦恼。原文位置工业操纵：工厂环境当中有大量的传感器和，能够利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业治理，降低成本。自动抄表：抄表可能是大伙儿比较熟悉的情况，像煤气表、电表、水表等等，每个月或每个季度可能都要统计一下读数，报给煤气、电力或者供水公司，然后依照读数来收费。现在在大多数地点依旧使用人工的方式来进行抄表，逐家逐户的敲门，专门不方便。而

23、ZigBee能够用于那个领域，利用传感器把表的读数转化为，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZigBee进行抄表还能够带来其它好处，比如煤气或水电公司能够直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发觉能源使用过快的时候能够自动降低使用速度。医疗监护：电子医疗监护是最近的一个研究热点。在人体身上安装专门多传感器，如脉搏、血压，监测健康状况，还有在人体周围环境放置一些监视器和报警器，如在病房环境，如此能够随时对人的躯体状况进行监测，一旦发生问题，能够及时做出反应，比如通知医院的值班人员。这些传感器、监视器和报警器，能够通过ZigBee技术组成一个监测的网络，由因此无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也能够比较自由的行动，特不方便。传感器网络应用：传感器网络也是最近的一个研究热点，像物资跟踪、建筑物监测、环境爱护等方面都有专门好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，同时能够自动组