ZigBee 網(wǎng)路架構(gòu)

有人將ZigBee?翻譯成「紫蜂」，為無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)路(Wireless?Personal?Area?Networks,?WPAN)的標(biāo)準(zhǔn)之一，已于?2005?年6?月27?日?公布。除了邏輯鏈路控制(Logic?Link?Control,?LLC)層、媒介存取控制(Media?Access?Control,?MAC)層，與實(shí)體(Physical,?PHY)層使用2003?年10?月公布的IEEE?802.15.4標(biāo)準(zhǔn)外，ZigBee?標(biāo)準(zhǔn)中共訂定應(yīng)用層與網(wǎng)路層(Network?Layer)的標(biāo)準(zhǔn)，及MAC、應(yīng)用層與網(wǎng)路層的安全加密服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

????WPAN?的傳輸范圍比無線區(qū)域網(wǎng)路(Wireless?Local?Area?Networks,?WLAN)較小，目前常聽到的WPAN?技術(shù)有三種主要公開的標(biāo)準(zhǔn)，即藍(lán)芽、WiMedia，與ZigBee，其標(biāo)準(zhǔn)組織與IEEE802?國際標(biāo)準(zhǔn)訂定組織密切合作。前述三種WPAN?標(biāo)準(zhǔn)分別相當(dāng)于IEEE802.15.1、IEEE802.?15.3a?與IEEE802.15.4。此公開的網(wǎng)路標(biāo)準(zhǔn)所訂定范圍與IEEE?標(biāo)準(zhǔn)工作群所訂定范圍的關(guān)系，可自圖1?的ZigBee?與IEEE802.15.4?的分層式網(wǎng)路結(jié)構(gòu)來說明，即IEEE802.15.4?負(fù)責(zé)訂定WPAN?協(xié)議中的LLC、MAC?與PHY?標(biāo)準(zhǔn)，而ZigBee?運(yùn)用此三底層來發(fā)展網(wǎng)路層與應(yīng)用層等。

????在此三種WPAN?標(biāo)準(zhǔn)中，目前藍(lán)芽主要應(yīng)用于短距離無線語音傳輸；WiMedia?主要應(yīng)用方向?yàn)槎叹嚯x無線多媒體傳輸；而ZigBee?較適用于低耗電與低數(shù)據(jù)量的短距離無線傳輸，ZigBee?的主要?dú)⑹旨?jí)應(yīng)用包括家庭自動(dòng)化與大樓自動(dòng)化的無線感測(cè)器與控制器，例如無線讀表(Wireless?Meter?Reading)系統(tǒng)、無線感測(cè)器網(wǎng)路等。以下以ZigBee?來代表圖1?中自PHY?至應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)通稱。

ZigBee?網(wǎng)路架構(gòu)支持多種型態(tài)
ZigBee?提供三種資料傳輸率，即在800MHz?頻道的20kbps、在900MHz?頻道的40kbps，與在2.4GHz?頻道的250kbps。此三種ZigBee?頻帶的中心頻率與頻道數(shù)，為使用于歐洲的868MHz?單一頻道、使用于美洲的915MHz?含10?個(gè)頻道，及通用于全球的2.45GHz?含16?個(gè)頻道。ZigBee?使用16bit?短定址與64bit?擴(kuò)充定址。

ZigBee?最大可支援254?個(gè)元件聯(lián)網(wǎng)通訊。
????在多重接入方面，ZigBee?采用具避免碰撞的載頻偵測(cè)(Carrier?Sense?Multiple?Access-Collision?Avoidance,?CSMA-CA)與保證時(shí)槽(Guaranteed?Time?Slots,?GTS)兩種模式，其中GTS?類似預(yù)留的時(shí)域多重接入(Time?Division?Multiple?Access,?TDMA)。在GTS?模式下，欲通訊的ZigBee?元件或裝置可不用經(jīng)過CSMA-CA中的隨機(jī)競(jìng)爭機(jī)制，即可取得頻道的接入使用權(quán)，這對(duì)緊急訊息傳遞的狀況特別有用，例如配有ZigBee?的警報(bào)感測(cè)元件。
????為了考慮ZigBee?產(chǎn)品的多元化與價(jià)格，在ZigBeee?網(wǎng)路架構(gòu)中，可存在兩種裝置，即具完整功能的元件(Full-Function?Device,?FDD)與減化功能的元件(Reduced-Function?Device,?RFD)。其中FFD?的軟硬體配備可做為整個(gè)WPAN?的網(wǎng)路協(xié)調(diào)器(Coordinator)，或ZigBee?叢集(Cluster)的網(wǎng)路協(xié)調(diào)器，或一般元件。FFD?可和RFD?蚱淥鸉FD?溝通，而RFD?只可與FFD?溝通，因此RFD?可以最少的軟硬體資源與記憶體來實(shí)現(xiàn)。
????ZigBee?網(wǎng)路架構(gòu)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與星形型態(tài)，星形型態(tài)也可以是樹狀型態(tài)。在星形WPAN?型態(tài)中，F(xiàn)FD?網(wǎng)路協(xié)調(diào)器做為控制器，負(fù)責(zé)啟動(dòng)或終止ZigBee?元件間的通訊，并且負(fù)責(zé)選定某些主要WPAN?參數(shù)，同時(shí)也擔(dān)任網(wǎng)內(nèi)元件間路由(Route)的功能；星形型態(tài)特別適合有中心控制器的家庭或建筑物自動(dòng)化網(wǎng)路應(yīng)用。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型態(tài)可以是網(wǎng)狀(Mesh)型態(tài)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)WPAN?型態(tài)中，任一ZigBee?元件可不必透過網(wǎng)路協(xié)調(diào)器，而直接和傳輸范疇內(nèi)的任一ZigBee?元件通訊。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)型態(tài)特別適合于無線網(wǎng)路感測(cè)器應(yīng)用，且可以實(shí)現(xiàn)具多躍式(Multihop)的隨意網(wǎng)路(AdHoc?Networks)或網(wǎng)狀網(wǎng)路(Mesh?Networks)。在樹狀或網(wǎng)狀型態(tài)中，可藉ZigBee路由器擴(kuò)充網(wǎng)路的范圍。

實(shí)體層圍繞收發(fā)器工作

ZigBee?實(shí)體層使用的頻帶為868～868.6MHz、902～928MHz，與2400～2483.5MHz皆不須要使用執(zhí)照。在此三個(gè)頻帶上，共有27?個(gè)頻道。實(shí)體層的主要工作是要啟動(dòng)與關(guān)閉無線傳輸接收器、傳輸與接收資料、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)、頻道無占用評(píng)估(CCA)，與針對(duì)接收的封包執(zhí)行鏈路品質(zhì)指示(LQI)。ZigBee?實(shí)體層的時(shí)框(Frame)格式，其中SHR?代表同步頭端(Synchronization?Header)，SFD?代表時(shí)框啟始端(Start-of-frame?Delimiter)，PHR?代表實(shí)體層頭端(PHY?Header)，PSDU?代表實(shí)體層服務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PHY?Service?Data?Unit)，而前言是做為同步使用。實(shí)體層中除了有標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議結(jié)構(gòu)外，其數(shù)位調(diào)變與展頻方法如下所述。
對(duì)于2.4GHz?頻帶，數(shù)據(jù)調(diào)變使用脈波整型后的Offset?QPSK(Pulse-Shaped?O-QPSK)與正交展頻編碼，其展頻片碼(Chip)率為2Mchips/s，共有16?個(gè)正交展頻序列。其中二位元的數(shù)據(jù)先經(jīng)過位元到符碼元(Bit-to-Symbol)轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過符碼元到片碼轉(zhuǎn)換，爾后再輸入至Pulse-Shaped?O-QPSK?調(diào)變器(O-QPSK?Mod)完成展頻與調(diào)變的動(dòng)作。
對(duì)于868/915MHz?頻帶，數(shù)據(jù)調(diào)變使用BPSK?與15-Chip?m-Sequence?展頻差動(dòng)編碼，其片碼率為0.3Mchips/s，共有2?個(gè)展頻序列。此868/915MHz?頻帶調(diào)變與展頻關(guān)系，其中二位元的數(shù)據(jù)先經(jīng)過差動(dòng)編碼器(Differential?Encoder)編碼，在經(jīng)過位元到片碼轉(zhuǎn)換，爾后再輸入至BPSK?調(diào)變器(BPSK?Mod)，完成展頻與調(diào)變的動(dòng)作。差動(dòng)編碼器可以一互斥和(Exclusive-Or)電路來實(shí)現(xiàn)。

歸納ZigBee?在不同頻帶的數(shù)據(jù)調(diào)變與傳輸率，可看出傳輸位元率以2.4GHz頻帶的ZigBee?最高。但因?yàn)殡姶挪ǖ奶匦躁P(guān)系，2.4GHz?頻帶的訊號(hào)較868/915MHz頻帶的訊號(hào)傳輸距離短。
在上述的2.4GHz?頻帶數(shù)據(jù)調(diào)變中，Pulse-Shaped?O-QPSK?相當(dāng)于最小移頻鍵控(Minimum-Shift?Keying,?MSK)，其所使用的脈沖(Pulse)如下式：其中為展頻的一個(gè)片碼時(shí)間長。
而在上述的868/?915M?Hz?頻帶數(shù)據(jù)調(diào)變中，使用下列的Raised?Cosine?Pulse來代表基頻上每一片碼位元：

ZigBee?PHY層調(diào)變的精確度是由誤差向量大小(EVM)來決定。在1000?個(gè)片碼中，EVM?必須小于35%。另外，ZigBee?傳輸器必須能傳輸小至-3dBm?的能量。為了降低ZigBee?元件間的干擾，ZigBee?傳輸器須在可接收到的條件下，傳輸較小的能量。

ZigBee?MAC?提供可靠鏈路
此MAC?層的功能是提供兩MAC?同儕個(gè)體間一可靠的鏈路。ZigBee?MAC?的主要工作為支援通訊鏈路的連結(jié)與斷線，產(chǎn)生網(wǎng)路協(xié)調(diào)器元件的指標(biāo)(Beacon)信訊號(hào)，使指標(biāo)訊號(hào)同步，運(yùn)用CSMA-CA，及處理與維護(hù)GTS。此外，MAC?的加密子層可支援通訊加密功能。
????MAC?的多從存取協(xié)議有三種不同的模式，即為時(shí)槽式(Slotted?CSMA-CA)模式、非時(shí)槽式(Unslotted?CSMA-CA)模式，與GTS?模式，其中GTS?主要用于緊急情境或周期性訊號(hào)的傳遞。MAC?使用四類時(shí)框格式，即指標(biāo)時(shí)框、數(shù)據(jù)時(shí)框、確認(rèn)(ACK)時(shí)框，與指令(Command)時(shí)框。在使用指標(biāo)時(shí)框與ACK?時(shí)框情況下不運(yùn)用CSMA-CA。

????在星狀WPAN?有使用指標(biāo)的網(wǎng)路中，當(dāng)有ZigBee?元件要傳輸數(shù)據(jù)予網(wǎng)路協(xié)調(diào)器時(shí)，它會(huì)先偵測(cè)網(wǎng)路的指標(biāo)。若元件偵測(cè)到指標(biāo)，它會(huì)與超時(shí)框同步動(dòng)作，同步達(dá)到后，ZigBee?元件會(huì)啟動(dòng)時(shí)槽式以傳輸數(shù)據(jù)予網(wǎng)路協(xié)調(diào)器。在不使用指標(biāo)的網(wǎng)路中，當(dāng)有ZigBee?元件要傳輸數(shù)據(jù)予網(wǎng)路協(xié)調(diào)器時(shí)，它會(huì)啟動(dòng)非時(shí)槽式以傳輸數(shù)據(jù)予網(wǎng)路協(xié)調(diào)器。在以上的數(shù)據(jù)傳送后，當(dāng)網(wǎng)路協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)封包，會(huì)回傳ACK?予ZigBee?元件。當(dāng)網(wǎng)路協(xié)調(diào)器有數(shù)據(jù)要傳輸予ZigBee?元件時(shí)，也類似前述的協(xié)議程序。
在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)WPAN?中，若ZigBee?元件要傳輸數(shù)據(jù)予其他ZigBee?元件，必須周期性地偵測(cè)接收訊號(hào)，并運(yùn)用非時(shí)槽式來獲得頻道使用權(quán)，或是取得元件間的同步。
????一般MAC?的時(shí)框格式其中MHR?表示MAC?頭端，而MFR?表示MAC?尾端。MHR?是包含時(shí)框控制欄(Frame?Control)，序列號(hào)(Sequence?Number)，目標(biāo)ZigBee元件身份證件(Destination?ID)，目標(biāo)ZigBee?元件地址(Destination?Address)，傳輸端ZigBee?元件ID(Source?ID)，與傳輸端ZigBee?元件地址(Source?Address)。
網(wǎng)路層包括NLDE?與NLMEZigBee?網(wǎng)路層分為兩個(gè)部分，即網(wǎng)路層數(shù)據(jù)部分(Network?Layer?Data?Entity,NLDE)與網(wǎng)路層管理部分(Network?Layer?Management?Entity,?NLME)。NLDE?負(fù)責(zé)產(chǎn)生網(wǎng)路層協(xié)議數(shù)據(jù)(Network?Level?PDU)與傳輸所需的路由。而NLME?工作包括負(fù)責(zé)設(shè)定ZigBee?元件成為網(wǎng)路協(xié)調(diào)器，或加入或離開已存在的PAN，啟動(dòng)WPAN定址，發(fā)現(xiàn)臨近ZigBee?元件，尋找路由路徑，與MAC?接收啟動(dòng)控制。
ZigBee?網(wǎng)路層時(shí)框格式主要包括網(wǎng)路頭端(NWK?Header)與網(wǎng)路負(fù)載(NWK?Payload)。網(wǎng)路頭端中的半徑欄定義網(wǎng)路負(fù)載中數(shù)據(jù)允許傳輸?shù)姆秶?，若一ZigBee?元件接到此時(shí)框，即將Radius?值減一，若Radius?值減至零則到達(dá)傳輸?shù)淖畲蠓秶Ｋ衂igBee?元件網(wǎng)路層須提供加入與離開WPAN?的功能。而ZigBee?網(wǎng)路協(xié)調(diào)器與路由器須提供下列功能：接受來自MAC?或應(yīng)用層的指令以允許其他元件加入與離開WPAN、指定網(wǎng)路邏輯地址，與維護(hù)臨近ZigBee?元件的列表。
另外，網(wǎng)路層也負(fù)責(zé)ZigBee?傳輸元件與目標(biāo)元件間的路徑與路由尋找功能。應(yīng)用層藉由尋問啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)程序以尋找周邊元件ZigBee?應(yīng)用層目前只定義編號(hào)1～240?的240?個(gè)元件，而241～254?則是保留予未來使用。另外，編號(hào)0?與編號(hào)255?是給予其他介面使用。ZigBee?應(yīng)用層的通訊基礎(chǔ)是由ZigBee?產(chǎn)品供應(yīng)商發(fā)展的類別(Profile)所構(gòu)成，某一類別提供對(duì)ZigBee?特定應(yīng)用技術(shù)需求的解決方案。類別是有關(guān)啟動(dòng)ZigBee?元件應(yīng)用的共通訊息、訊息格式，與處理動(dòng)作的協(xié)定，用以產(chǎn)生相互運(yùn)作的分散式應(yīng)用，其中包括不同元件間指令傳送、數(shù)據(jù)要求，及處理指令與要求。ZigBee?元件Cluster是由8bit?Cluster?ID?所辨認(rèn)，在一類別中Cluster?ID?是唯一的。

????ZigBee?應(yīng)用層主要是透過應(yīng)用層支援子層(APS)與網(wǎng)路層溝通。在APS?中有APS數(shù)據(jù)個(gè)體(APSDE)與APS?控管個(gè)體(APSME)兩個(gè)軟體模組。其中APSDE?提供同一WPAN?中不同元件間的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而APSME?則提供元件間發(fā)現(xiàn)(Discovery)與連系(Binding)服務(wù)，并且APSME?也維護(hù)一稱為APS?資訊基礎(chǔ)(APS?Information?Base,?AIB)的物件數(shù)據(jù)庫。
ZigBee?元件藉著送出尋問(Query)啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)程序(Discovery?Process)來尋找周邊其他的ZigBee?元件(Device?Discovery)，與這些元件提供的服務(wù)(Service?Discovery)。ZigBee?應(yīng)用層使用兩種Device?Discovery要求格式：即16-bit?IEEE地址要求與64-bitI?NWK?地址要求。其中IEEE?地址要求是在已知NWK?地址下，以單傳(Unicast)送出，而NWK?地址要求是將IEEE?地址置于封包的數(shù)據(jù)負(fù)載中以廣播(Broadcast)方式送出。對(duì)應(yīng)于發(fā)現(xiàn)要求訊息，依據(jù)要求訊息與被要求元件角色特性，可能有不同的回應(yīng)。若為ZigBee?一般元件，回應(yīng)相關(guān)的IEEE?或NWK地址；若為ZigBee?網(wǎng)路協(xié)調(diào)器或路由器，則回應(yīng)網(wǎng)路協(xié)調(diào)器或路由器本身的IEEE或NWK?地址，及其他與網(wǎng)路協(xié)調(diào)器或路由器聯(lián)結(jié)的元件IEEE?或NWK?地址。而Service?Discovery提供ZigBee?元件以決定其他ZigBee?元件所供應(yīng)的服務(wù)，其所對(duì)應(yīng)的回應(yīng)種類與方式與Device?Discovery?類似，亦分為單傳與廣播，但詢問形式與回應(yīng)內(nèi)容不同。

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???? ZigBee?應(yīng)用層亦提供元件間的連系功能，即在互補(bǔ)的應(yīng)用元件間產(chǎn)生邏輯連動(dòng)，此連動(dòng)記錄在一連系表中，這對(duì)于有相互關(guān)系的控制元件或感測(cè)器特別有用。

在完成Device?Discovery與Service?Discovery后，ZigBee?元件間可建立關(guān)聯(lián)，并且開始傳送指令到特定的ZigBee?地址。在定址方面有三種方式，即直接定址、間接定址，與廣播定址。ZigBee?主控元件自Device?Discovery?與Service?Discovery?取得目的地元件的地址與Cluster?ID，可使用直接定址。在ZigBee網(wǎng)路協(xié)調(diào)器連系資料表中有直接定址的記錄，可使用APSDE?透過連系來做間接定址，這對(duì)欲節(jié)省能量與記憶體的簡易型感測(cè)元件特別有用。另外，可使用廣播定址將應(yīng)用廣播給所有元件，在此狀況中，目的地的地址是16bit?網(wǎng)路廣播地址且須設(shè)定APS?時(shí)框中的廣播旗標(biāo)。
在應(yīng)用層中還有一個(gè)稱為ZigBee?元件物件(ZigBee?Device?Object,?ZDO)的軟體模組，做為應(yīng)用物件、元件應(yīng)用類別與APS?間的介面。ZDO?位于應(yīng)用架構(gòu)與APS之間，負(fù)責(zé)啟動(dòng)APS、網(wǎng)路層與保密服務(wù)，及負(fù)責(zé)組合來自使用者的設(shè)，定資訊以決定并執(zhí)行發(fā)現(xiàn)、保密控管、網(wǎng)路控管與連系。此介面亦提供應(yīng)用層中有關(guān)元件發(fā)現(xiàn)、連系與保密功能的定址管理。