ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)綜述

候洪麗，張霄霞，王福明

(中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，山西太原030051)

0 引言

ZigBee的基礎(chǔ)是 IEEE802.15.4，這是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作 IEEE802.15.4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議由五家公司共同提出:Honeywell、Invensys、三菱電氣、摩托羅拉和飛利浦。IEEE802.15.4工作組為ZigBee定義了三個(gè)免受權(quán)頻段:2.4 GHz(全球應(yīng)用)，915 MHz(美國(guó))和868 MHz(歐洲)。

ZigBee采用DSSS技術(shù)，與藍(lán)牙等無(wú)線通訊技術(shù)相比，它具有如下特點(diǎn)［1］:

(1)功耗更低:ZigBee Alliance網(wǎng)站公布，以一般電池電力而言，ZigBee產(chǎn)品可使用數(shù)月至數(shù)年之久。它非常適用于那些需要一年甚至更長(zhǎng)時(shí)間才需更換電池的設(shè)備(如典型的監(jiān)控設(shè)備)。

(2)接入設(shè)備多:ZigBee的解決方案支持每個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有255個(gè)激活節(jié)點(diǎn)，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以聯(lián)接大型網(wǎng)絡(luò)。2.4 GHz頻段可容納16個(gè)通道，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有255個(gè)激活節(jié)點(diǎn)(藍(lán)牙只有8個(gè))，ZigBee技術(shù)允許在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中包含4千多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

(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(shí)現(xiàn)，無(wú)需主機(jī)平臺(tái)。從天線到應(yīng)用實(shí)現(xiàn)只需1塊芯片即可。藍(lán)牙需依靠較強(qiáng)大的主處理器(如ARM7)，芯片構(gòu)架也比較復(fù)雜。

(4)傳輸速率更低:ZigBee的低功率導(dǎo)致了低傳輸速率，其原始數(shù)據(jù)吞吐速率在2.4 GHz(10channels)頻段為250 kbps，在 915 MHz(6 channels)頻段為 40 kbps，在 868 MHz(1 channel)頻段為20 kbps。傳輸距離為10～20 m。

1 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，根據(jù)開(kāi)放式通信系統(tǒng)互聯(lián)模型，從上往下具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和應(yīng)用層［2］。從網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議有ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

1.1 物理層(PHY)

物理層是協(xié)議層的最底層，主要工作是要啟動(dòng)與關(guān)閉無(wú)線傳輸接收器、傳輸與接收數(shù)據(jù)、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號(hào)能量偵測(cè)、數(shù)據(jù)調(diào)變傳輸與接收解調(diào)、空閑頻道評(píng)估(CCA)和針對(duì)接收的封包執(zhí)行鏈路品質(zhì)指示(LQI)。

IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4 GHz和868/915 MHz物理層。2.4 GHz的物理層通過(guò)采用16相調(diào)制技術(shù)，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(gè)服務(wù):數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù):在物理無(wú)線信道上接受和發(fā)送物理協(xié)議數(shù)據(jù)單元。管理服務(wù):維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。

物理層負(fù)責(zé)下面的任務(wù):

(1)無(wú)線收發(fā)信機(jī)的激活和去激活。

(2)在當(dāng)前信道上的能量檢測(cè)。

(3)鏈路質(zhì)量指示，用在接受的數(shù)據(jù)包上。

(4)清除信道估計(jì)算法用在CSMA/CA技術(shù)中。(5)信道頻率選擇。

(6)信道數(shù)據(jù)的接受。

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)

物理層之上的數(shù)據(jù)鏈路層基于物理層所提供的服務(wù)，負(fù)責(zé)設(shè)備間無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的建立，維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模式的幀傳送與接受，信道接入控制，幀校驗(yàn)，預(yù)留時(shí)隙管理和廣播信息管理。IEEE802.15.4的MAC層可足夠靈活地來(lái)處理這些數(shù)據(jù)通信。MAC層有兩種信道訪問(wèn)機(jī)制:無(wú)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)識(shí)使能網(wǎng)絡(luò)。無(wú)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成功接受到信息包后能產(chǎn)生一個(gè)積極的回應(yīng)。標(biāo)識(shí)使能網(wǎng)絡(luò)采用超幀結(jié)構(gòu)，這一方面為了有專用的帶寬和低的反應(yīng)時(shí)間，另一方面可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)定在預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)傳輸標(biāo)識(shí)。

MAC層使用標(biāo)識(shí)使能來(lái)處理周期性數(shù)據(jù)，當(dāng)有標(biāo)識(shí)使能時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)會(huì)被喚醒來(lái)檢測(cè)信息，然后再返回睡眠狀態(tài)。間歇性數(shù)據(jù)可以在無(wú)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中被處理或是以不連貫的方式被處理。當(dāng)以不連貫方式處理時(shí)，通信需要在能節(jié)約大量能量的情況下，設(shè)備才加入網(wǎng)絡(luò)。低反應(yīng)時(shí)間操作可用于保證時(shí)間分割(GTS)操作中。GTS是高服務(wù)質(zhì)量的一種方法，它允許每個(gè)設(shè)備有一個(gè)特定的時(shí)間間隔，這樣每個(gè)超幀就可以自由傳輸而不需要反應(yīng)和爭(zhēng)搶。

1.3 網(wǎng)絡(luò)層

物理層上面的網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，它確保正確的操作IEEE802.15.4MAC子層和應(yīng)用層提供服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用層提供兩種服務(wù)實(shí)體:數(shù)據(jù)實(shí)體和管理實(shí)體。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體通過(guò)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體通過(guò)提供管理服務(wù)，同時(shí)，利用來(lái)完成一些管理任務(wù)，負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

ZigBee提供了:星形網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［3］。

(1)星型網(wǎng)絡(luò)配置包含了一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)或更多的終端設(shè)備。在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信。如果某個(gè)終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)終端設(shè)備，它會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)接收器終端設(shè)備。

(2)樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，在這種配置下，終端設(shè)備可以選擇加入ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee路由器。路由器提供兩種功能的服務(wù)。一是為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)增加可能的節(jié)點(diǎn)數(shù)。二是擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋的物理范圍。有了路由器以后，終端設(shè)備不需要在協(xié)調(diào)器的射頻范圍內(nèi)，也可以加入網(wǎng)絡(luò)。在樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)中，所有的信息都由樹(shù)節(jié)點(diǎn)來(lái)組織路由。

(3)網(wǎng)狀網(wǎng)類似于樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)配置，只是FFD可以直接把消息發(fā)送給其他的FFD而不用沿著樹(shù)來(lái)傳輸。來(lái)自RFD的消息依然要通過(guò)它的父節(jié)點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于減少了消息傳輸?shù)臅r(shí)延并且增加了可靠性。

1.4 應(yīng)用層

ZigBee應(yīng)用層［3，4］由三個(gè)部分組成，APS 子層、ZDO(包含ZDO管理平臺(tái))和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。其中，APS提供了這樣的接口:在NwK層和APL層之間，從ZDO到供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。這服務(wù)由兩個(gè)實(shí)體實(shí)現(xiàn):APS數(shù)據(jù)實(shí)體(APSDE)和APS管理實(shí)體(APSME);ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)，描述了一個(gè)基本的功能函數(shù)，這個(gè)功能在應(yīng)用對(duì)象、設(shè)備profile和APS之間的提供了一個(gè)接口。ZDO位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。

每個(gè)ZigBee設(shè)備都與一個(gè)特定模板有關(guān)，可能是公共模板或私有模板。這些模板定義了設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備類型以及用于設(shè)備間通信的簇。公共模板可以確保不同供應(yīng)商的設(shè)備在相同應(yīng)用領(lǐng)域中的互操作性。設(shè)備是由模板定義的，并以應(yīng)用對(duì)象的形式實(shí)現(xiàn)。每個(gè)應(yīng)用對(duì)象通過(guò)一個(gè)端點(diǎn)連接到ZigBee堆棧的余下部分它們都是器件中可尋址的組件。ZigBee應(yīng)用層目前只定義編號(hào)1～240的240個(gè)應(yīng)用對(duì)象，而241～254則是保留予未來(lái)使用。另外，編號(hào)0與編號(hào)255是給予其他方面使用。ZigBee應(yīng)用層的通訊基礎(chǔ)是由ZigBee產(chǎn)品供應(yīng)商發(fā)展的模板所構(gòu)成，某一模板提供對(duì)ZigBee特定應(yīng)用技術(shù)需求的解決方案。

2 路由算法

由ZigBee聯(lián)盟發(fā)布的ZigBee協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)中，網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)兩種路由協(xié)議相互補(bǔ)充進(jìn)行路由的發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)［5］。這兩種路由協(xié)議分別是按需路由協(xié)議AODV和基于分簇的Cluster-Tree協(xié)議。樹(shù)型路由適用于節(jié)點(diǎn)靜止或者移動(dòng)較少的場(chǎng)合，屬于靜態(tài)路由，不需要路由表，節(jié)省存儲(chǔ)資源，對(duì)于傳輸數(shù)據(jù)包的響應(yīng)較快，但缺點(diǎn)是很不靈活，浪費(fèi)了大量的地址空間，并且路由效率低。AODV協(xié)議主要適用于動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通過(guò)路由請(qǐng)求、路由回復(fù)等機(jī)制每次都能發(fā)現(xiàn)最新的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。但是在有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)被部署之后一般都不再發(fā)生移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓埠芫徛?，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)只要把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚點(diǎn)。而相互之間不需要進(jìn)行通信。在這樣的情況下，AODV協(xié)議就顯得太過(guò)復(fù)雜。因此，許多從事ZigBee技術(shù)的研究人員都提出相應(yīng)的Cluster-Tree，AODV改進(jìn)算法，下面對(duì)幾種改進(jìn)算法進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。

(1)AODVjr是一種簡(jiǎn)化版本的AODV，主要是考慮到ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量有限性、應(yīng)用方便性等因素，而簡(jiǎn)化了AODV的一些特點(diǎn)。

(2)為使簇樹(shù)路由算法在縮短時(shí)延方面有更好的效果，應(yīng)該考慮鄰居節(jié)點(diǎn)和選擇下一跳節(jié)點(diǎn)是到目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑的節(jié)點(diǎn)，這是基于Greedy算法的想法，提出了改進(jìn)的Cluster-Tree算法。

(3)針對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的Cluster－Tree算法對(duì)簇首能量要求高及節(jié)點(diǎn)間非最佳路由的問(wèn)題，提出了Cluster-Tree路由改進(jìn)算法，對(duì)簇首的選擇必須考慮到節(jié)點(diǎn)的剩余能量，并結(jié)合AODVjr算法來(lái)降低路由距離，進(jìn)而減少轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能量損耗。

(4)通過(guò)研究ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的路由算法，分析了樹(shù)型路由算法和AODVjr路由算法，并在此基礎(chǔ)上對(duì)樹(shù)型路由算法提出了一種改進(jìn)算法(ITRA)，該改進(jìn)算法將節(jié)點(diǎn)分為兩類:一類是具有足夠的存儲(chǔ)空間和能力執(zhí)行AODVjr路由協(xié)議的節(jié)點(diǎn)，另一類是指存儲(chǔ)空間受限，不具有執(zhí)行AODVjr路由協(xié)議能力的節(jié)點(diǎn)，改善了原有樹(shù)型算法的路由效率低問(wèn)題和避免AODVjr算法的能量消耗和路由表問(wèn)題。

(5)文中分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和ZigBee協(xié)議中的Cluster－Tree路由算法，對(duì)其中的分簇方法進(jìn)行了研究，在此算法的基礎(chǔ)上，利用節(jié)點(diǎn)的深度信息對(duì)算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，并考慮了能量均衡利用的問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期的目的。改進(jìn)后的算法在延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期方面比LEACH有很大提高。

(6)針對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)簇樹(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不足，新的算法在選擇父節(jié)點(diǎn)時(shí)綜合考慮節(jié)點(diǎn)的深度、能量和負(fù)載情況，使簇樹(shù)結(jié)構(gòu)有助于減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，并在負(fù)載均衡方面更加優(yōu)化。新策略在優(yōu)化簇樹(shù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，充分利用本地信息和簇樹(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)ZBR策略進(jìn)行改進(jìn)。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)策略能有效減少網(wǎng)絡(luò)能耗，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，最大化網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

(7)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)隨著載荷增加，數(shù)據(jù)包碰撞概率增大的情況，提出一種頻點(diǎn)分配算法FFD。該算法以點(diǎn)著色理論為基礎(chǔ)，結(jié)合功率控制，采用分布控制方式，使不同分簇內(nèi)部采用不同的頻點(diǎn)通信，以避免簇間干擾，降低碰撞概率。而簇內(nèi)通信使用小功率，使節(jié)點(diǎn)特別是簇頭能量得到有效利用。

3 ZigBee應(yīng)用

ZigBee技術(shù)主要是嵌入在消費(fèi)性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、電腦外設(shè)、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中，支持小范圍的基于無(wú)線通信的控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域中。ZigBee聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車(chē)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等。

通常，符合如下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用Zig-Bee技術(shù)做無(wú)線傳輸［6］:

(1)設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小;

(2)設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊;

(3)沒(méi)有充足的電力支持，只能使用一次性電池;

(4)頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無(wú)法做到或者很困難;

(5)需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅用于監(jiān)測(cè)或控制。

4 小結(jié)

本文介紹了ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，協(xié)議棧各個(gè)層的功能，針對(duì)ZigBee低能耗問(wèn)題，簡(jiǎn)單介紹了幾種改進(jìn)的路由算法，并簡(jiǎn)單介紹了ZigBee的應(yīng)用。

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