長期以來,低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從bluetooth出現(xiàn)以后,曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已,但是bluetooth的售價一直居高不下,嚴(yán)重影響了這些廠商的使用意愿。如今,這些業(yè)者都參加了ieee802.15.4小組,負(fù)責(zé)制定zigbee的物理層和媒體介入控制層。ieee802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、、低數(shù)據(jù)速率（<250 kbps）、工作在2.4 ghz和868/928 mhz的無線技術(shù),用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。它是zigbee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。 zigbee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器,所以它們的通信效率非常高。
一般而言,隨著通信距離的增大,設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù),zigbee技術(shù)將是zui低功耗和成本的技術(shù)。同時由于zigbee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點,也決定了zigbee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。所以zigbee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等。
1 ieee 802.15.4和zigbee介紹
ieee無線個人區(qū)域網(wǎng)（pan）工作組的ieee 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是zigbee技術(shù)的基礎(chǔ)。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10米左右的低速連接,可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監(jiān)測等消費與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場對象。
1.1 802．15．4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點
ieee802．15．4滿足標(biāo)準(zhǔn)組織（iso）開放系統(tǒng)互連（osi）參考模式。它定義了單一的mac層和多樣的物理層（如圖1所示） 。 zigbee profiles
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層
數(shù)據(jù)鏈路層
ieee802.15.4 llc 802.2llc
ieee802.15.4 mac
868/915 phy 2400 phy
圖1 ieee802.15.4協(xié)議架構(gòu)
ieee802.15.4的mac層能支持多種llc標(biāo)準(zhǔn),通過sscs（service-specific convergence sublayer,業(yè)務(wù)相關(guān)的會聚子層）協(xié)議承載ieee802.2類型一的llc標(biāo)準(zhǔn),同時允許其他llc標(biāo)準(zhǔn)直接使用ieee802.15.4 的mac層服務(wù)。表1列出了ieee802.15.4的llc層和mac層主要功能。
表1 ieee802.15.4的llc層和mac層主要功能
llc子層的主要功能: ieee802.15.4的mac協(xié)議主要功能:
傳輸可靠性保障和控制 設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束
數(shù)據(jù)包的分段與重組 確認(rèn)模式的幀傳送與接收
數(shù)據(jù)包的順序傳輸 信道接入控制
幀校驗
預(yù)留時隙管理
廣播信息管理
ieee802.15.4定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn),分別是2.4ghz物理層和868/915mhz物理層。它們都基于dsss（direct sequence spread spectrum,直接序列擴(kuò)頻）,使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式,區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率。2.4ghz波段為統(tǒng)一的無需申請的ism頻段,有助于zigbee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4ghz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kbps的傳輸速率,有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期,從而更加省電。868mhz是歐洲的ism頻段,915mhz是美國的ism頻段,這兩個頻段的引入避免了2.4ghz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。868mhz的傳輸速率為20kb/s,916mhz是40kb/s。這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小,因此可以降低對接收機(jī)靈敏度的要求,獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離,從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。表2中概括了802．15．4的一些特點。
表2 ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)特征
復(fù)雜程度 比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)低 通信時延 ≥15ms
目的 只支持?jǐn)?shù)據(jù)通信 功耗 約45μs
頻段,數(shù)據(jù)率 868mhz:20kbps 1 mac的控制方式
及信數(shù) 925mhz:40kbps 10
2.4ghz:250kbps 16 星型網(wǎng)絡(luò),對等網(wǎng)絡(luò)
每個網(wǎng)絡(luò)
支持節(jié)數(shù) 65536 尋址方式 64bit ieee地址,
8bit網(wǎng)絡(luò)地址
連接層結(jié)構(gòu) 開放式 溫度 -40℃～85℃
傳輸范圍 室內(nèi):10m速率
250kbps;+0dbmtx
室外:30m～75m速率
40kbps;
300m速率,20kbps 應(yīng)用 傳感器,玩具,
控制領(lǐng)域…
1.2 zigbee技術(shù)概述
zigbee是一組基于ieee批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的,有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它不僅只是802.15.4的名字。ieee僅處理低級mac層和物理層協(xié)議,zigbee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和api進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。*協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4k字節(jié)或者作為hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32k字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個節(jié)點,而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò),對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。zigbee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層,以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識,而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。
完整的zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由zigbee聯(lián)盟制定,ieee802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。
應(yīng)用會聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到zigbee網(wǎng)絡(luò)上,具體而言包括:
（1） 安全與鑒權(quán);
（2） 多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚;
（3） 設(shè)備發(fā)現(xiàn);
（4） 業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。
網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用基于ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,應(yīng)包含以下功能:
（1） 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能:拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù),命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù),包含了尋址、路由和安全;
（2） 同ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣,非常省電;
（3） 有自組織、自維護(hù)功能,以zui大程度減少消費者的開支和維護(hù)成本。
相對于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn),zigbee協(xié)議套件緊湊而簡單,其具體實現(xiàn)的要求很低,以下是zigbee協(xié)議套件的需求估計:
（1） 8位處理器,如80c51;
（2） 協(xié)議套件軟件需要32kbytes的rom;
（3） zui小協(xié)議套件軟件大約4kbytes的rom;
（4） 網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點需要更多的ram,以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等。
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