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zigbee概述 几种无线通信技术性能比较

2018年04月23日 11:19 网络整理 作者:工程师3 用户评论(0

  zigbee概述

  “ZigBee”是什么?从字面上猜像是一种蜜蜂。因为“ZigBee”这个词由“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,所以“ZigBee”就是跳着“之”字形舞的蜜蜂。不过,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无线通信技术,国内也有人翻译成“紫蜂”。

  这只蜜蜂的来头还是要从它的历史开始说起,早在上世纪末,就已经有人在考虑发展一种新的通信技术,用于传感控制应用(sensor and control),这个想法后来在IEEE 802.15工作组当中提出来,于是就成立了TG4工作组,并且制定了规范IEEE 802.15.4。但是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,于是2002年ZigBee Alliance成立,正式有了“ZigBee”这个名词。两年之后,ZigBee的第一个规范ZigBee V1.0诞生,但这个规范推出的比较仓促,存在一些错误,并不实用。此后ZigBee Alliance又经过两年的努力,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,今年年底将会发布更新版本的规范ZigBee 2007,这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,主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗,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非常高。最后,这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。

  从ZigBee的发展历史可以看到,它和IEEE 802.15.4有着密切的关系,事实上ZigBee的底层技术就是基于IEEE 802.15.4的,因此有一种说法认为ZigBee和IEEE 802.15.4是同一个东西,或者说“ZigBee”只是IEEE 802.15.4的名字而已,其实这是一种误解。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”可以看作是一个商标,也可以看作是一种技术,当把它看作一种技术的时候,它表示一种高层的技术,而物理层和MAC层直接引用IEEE 802.15.4。事物是不断的发展变化的,尤其是通信技术,可以想象将来的ZigBee可能不会使用IEEE 802.15.4定义的底层,就跟蓝牙(Bluetooth)宣布下一代底层采用UWB技术一样,但是“ZigBee”这个商标以及高层的技术还会继续保留。

  ZigBee协议栈速读

  我们无法预料将来ZigBee会基于怎样的底层技术,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,分别是用于欧洲的868MHz频带,用于美国的915MHz频带,以及全球通用的2.4GHz频带,但这三个频带的物理层并不相同,它们各自的信道带宽分别是0.6MHz, 2MHz和5MHz,分别有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别,虽然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别;调制方面都使用了调相技术,但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK,而2.4GHz频段采用的是OQPSK。我们可以以2.4GHz频段为例看看发射机基带部分的框图(如图1),可以看到物理层部分非常简单,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,但我们可以再看看它和Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/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。在发射功率为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30~50m作用距离,在室外如果障碍物较少,甚至可以达到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,我们可以看到IEEE 802.15.4的数据速率并不高,对于2.4GHz频段只有250kb/s,而868MHz频段只有20kb/s,915MHz频段只有40kb/s。因此我们完全可以把它归为低速率的短距离无线通信技术。

  

zigbee概述 几种无线通信技术性能比较

  图1 IEEE 802。15.4 物理层2.4GHz频段发射机基带框图

  

zigbee概述 几种无线通信技术性能比较

  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。不过ZigBee实际上并没有对时分复用GTS技术进行相关的支持,因此我们可以暂不考虑它,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,因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMA/CA的技术,简单来说,就是节点在发送数据之前先监听信道,如果信道空闲则可以发送数据,否则就要进行随机的退避,即延迟一段随机时间,然后再进行监听,这个退避的时间是指数增长的,但有一个最大值,即如果上一次退避之后再次监听信道忙,则退避时间要增倍,这样做的原因是如果多次监听信道都忙,有可能表明信道上的数据量大,因此让节点等待更多的时间,避免繁忙的监听。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,紧接着是竞争接入时期,在这段时间内各节点以竞争方式接入信道,再后面是非竞争接入时期,节点采用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不会很大。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,我们可以参看一下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。

  

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  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网络层的主要功能是路由,路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法—树路由和网状网路由。树路由采用一种特殊的算法,具体可以参考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,而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点,路由器的子节点也可以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。这种结构又好像蜂群的结构,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。其实有很多地方仔细一想,就可以发现ZigBee和蜂群的许多暗合之处。树路由利用了一种特殊的地址分配算法,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,于是寻址的时候根据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,节省存储资源,但缺点是很不灵活,浪费了大量的地址空间,并且路由效率低,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本,非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。它可以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当中还可以进行邻居表路由,其实邻居表可以看作是特殊的路由表,只不过只需要一跳就可以发送到目的节点。

  网络层的上面是应用层,包括了APS、AF和ZDO几部分,主要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)、服务发现和设备发现等等。其中端点是应用对象存在的地方,ZigBee允许多个应用同时位于一个节点上,例如一个节点具有控制灯光的功能,又具有感应温度的功能,又具有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,如开关应用和灯的应用。更通俗的理解,“绑定”可以说是通信的一方了解另一方的通信信息的方法,比如开关需要控制“灯”,但它一开始并不知道“灯”这个应用所在的设备地址,也不知道其端点号,于是它可以广播一个消息,当“灯”接收到之后给出响应,于是开关就可以记录下“灯”的通信信息,以后就可以根据记录的通信信息去直接发送控制信息了。服务发现和设备发现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可以进行描述,于是可以通过这些描述符来寻找合适的服务或者设备。

  ZigBee还提供了安全组件,采用了AES128的算法对网络层和应用层的数据进行加密保护,另外还规定了信任中心(trust center)的角色—全网有一个信任中心,用于管理密钥和管理设备,可以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。

  

zigbee概述 几种无线通信技术性能比较

  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基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的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,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

  

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( 发表人:黄飞燕 )

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