zigbee概述 幾種無(wú)線通信技術(shù)性能比較

　　zigbee概述

　　“ZigBee”是什么？從字面上猜像是一種蜜蜂。因?yàn)椤癦igBee”這個(gè)詞由“Zig”和“Bee”兩部分組成，“Zig”取自英文單詞 “zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳著“之”字形舞的蜜蜂。不過(guò)，ZigBee并非是一種蜜蜂，事實(shí)上，它與藍(lán)牙類似是一種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)，國(guó)內(nèi)也有人翻譯成“紫蜂”。

　　這只蜜蜂的來(lái)頭還是要從它的歷史開(kāi)始說(shuō)起，早在上世紀(jì)末，就已經(jīng)有人在考慮發(fā)展一種新的通信技術(shù)，用于傳感控制應(yīng)用（sensor and control），這個(gè)想法后來(lái)在IEEE 802.15工作組當(dāng)中提出來(lái)，于是就成立了TG4工作組，并且制定了規(guī)范IEEE 802.15.4。但是IEEE 802的規(guī)范只專注于底層，要達(dá)到產(chǎn)品的互操作和兼容，還需要定義高層的規(guī)范，于是2002年ZigBee Alliance成立，正式有了“ZigBee”這個(gè)名詞。兩年之后，ZigBee的第一個(gè)規(guī)范ZigBee V1.0誕生，但這個(gè)規(guī)范推出的比較倉(cāng)促，存在一些錯(cuò)誤，并不實(shí)用。此后ZigBee Alliance又經(jīng)過(guò)兩年的努力，推出了新的規(guī)范ZigBee 2006，這是一個(gè)比較完善的規(guī)范。據(jù)聯(lián)盟最新的消息，今年年底將會(huì)發(fā)布更新版本的規(guī)范ZigBee 2007，這個(gè)版本增加了一些新的特性。

　　Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無(wú)線技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線連接。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，因此它們的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)用于分析或者被另外一種無(wú)線技術(shù)如WiMax收集。

　　從ZigBee的發(fā)展歷史可以看到，它和IEEE 802.15.4有著密切的關(guān)系，事實(shí)上ZigBee的底層技術(shù)就是基于IEEE 802.15.4的，因此有一種說(shuō)法認(rèn)為ZigBee和IEEE 802.15.4是同一個(gè)東西，或者說(shuō)“ZigBee”只是IEEE 802.15.4的名字而已，其實(shí)這是一種誤解。實(shí)際上ZigBee和IEEE 802.15.4的關(guān)系，有點(diǎn)類似于WiMAX和IEEE 802.16，Wi-Fi和IEEE 802.11，Bluetooth和IEEE 802.15.1?！癦igBee”可以看作是一個(gè)商標(biāo)，也可以看作是一種技術(shù)，當(dāng)把它看作一種技術(shù)的時(shí)候，它表示一種高層的技術(shù)，而物理層和MAC層直接引用IEEE 802.15.4。事物是不斷的發(fā)展變化的，尤其是通信技術(shù)，可以想象將來(lái)的ZigBee可能不會(huì)使用IEEE 802.15.4定義的底層，就跟藍(lán)牙（Bluetooth）宣布下一代底層采用UWB技術(shù)一樣，但是“ZigBee”這個(gè)商標(biāo)以及高層的技術(shù)還會(huì)繼續(xù)保留。

　　ZigBee協(xié)議棧速讀

　　我們無(wú)法預(yù)料將來(lái)ZigBee會(huì)基于怎樣的底層技術(shù)，只好從它現(xiàn)在的底層——IEEE 802.15.4開(kāi)始了解，IEEE 802.15.4包括物理層和MAC層兩部分。ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用于歐洲的868MHz頻帶，用于美國(guó)的915MHz頻帶，以及全球通用的2.4GHz頻帶，但這三個(gè)頻帶的物理層并不相同，它們各自的信道帶寬分別是0.6MHz， 2MHz和5MHz，分別有1個(gè)，10個(gè)和16個(gè)信道。不同頻帶的擴(kuò)頻和調(diào)制方式也有所區(qū)別，雖然都使用了直接序列擴(kuò)頻（DSSS）的方式，但從比特到碼片的變換方式有比較大的差別;調(diào)制方面都使用了調(diào)相技術(shù)，但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。我們可以以2.4GHz頻段為例看看發(fā)射機(jī)基帶部分的框圖（如圖1），可以看到物理層部分非常簡(jiǎn)單，而IEEE 802.15.4芯片的低價(jià)格正是得益于底層的簡(jiǎn)單性?？赡芪覀儠?huì)擔(dān)心它的性能，但我們可以再看看它和Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比較（如圖2），在同樣比特信噪比的情況下，IEEE 802.15.4要優(yōu)于其他兩者。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)具有一定的抗干擾效果，同時(shí)在其他條件相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù)。在發(fā)射功率為0dBm的情況下，Bluetooth通常能有10m作用范圍，而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30~50m作用距離，在室外如果障礙物較少，甚至可以達(dá)到100m作用距離;同時(shí)調(diào)相技術(shù)的誤碼性能要優(yōu)于調(diào)頻和調(diào)幅技術(shù)。因此綜合起來(lái)，IEEE 802.15.4具有性能比較好的物理層。另一方面，我們可以看到IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)速率并不高，對(duì)于2.4GHz頻段只有250kb/s，而868MHz頻段只有20kb/s，915MHz頻段只有40kb/s。因此我們完全可以把它歸為低速率的短距離無(wú)線通信技術(shù)。

　　圖1 IEEE 802。15.4 物理層2.4GHz頻段發(fā)射機(jī)基帶框圖

　　圖2 幾種無(wú)線通信技術(shù)性能比較

　　物理層的上面是MAC層，它的核心是信道接入技術(shù)，包括時(shí)分復(fù)用GTS技術(shù)和隨機(jī)接入信道技術(shù)CSMA/CA。不過(guò)ZigBee實(shí)際上并沒(méi)有對(duì)時(shí)分復(fù)用GTS技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的支持，因此我們可以暫不考慮它，而專注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)都工作在同一個(gè)信道上，因此如果鄰近的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)就有可能發(fā)生沖突。為此MAC層采用了CSMA/CA的技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽(tīng)信道，如果信道空閑則可以發(fā)送數(shù)據(jù)，否則就要進(jìn)行隨機(jī)的退避，即延遲一段隨機(jī)時(shí)間，然后再進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，這個(gè)退避的時(shí)間是指數(shù)增長(zhǎng)的，但有一個(gè)最大值，即如果上一次退避之后再次監(jiān)聽(tīng)信道忙，則退避時(shí)間要增倍，這樣做的原因是如果多次監(jiān)聽(tīng)信道都忙，有可能表明信道上的數(shù)據(jù)量大，因此讓節(jié)點(diǎn)等待更多的時(shí)間，避免繁忙的監(jiān)聽(tīng)。通過(guò)這種信道接入技術(shù)，所有節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)共享同一個(gè)信道。在MAC層當(dāng)中還規(guī)定了兩種信道接入模式，一種是信標(biāo)（beacon）模式，另一種是非信標(biāo)模式。信標(biāo)模式當(dāng)中規(guī)定了一種“超幀”的格式，在超幀的開(kāi)始發(fā)送信標(biāo)幀，里面含有一些時(shí)序以及網(wǎng)絡(luò)的信息，緊接著是競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期，在這段時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)以競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道，再后面是非競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期，節(jié)點(diǎn)采用時(shí)分復(fù)用的方式接入信道，然后是非活躍時(shí)期，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個(gè)超幀周期的開(kāi)始又發(fā)送信標(biāo)幀。而非信標(biāo)模式則比較靈活，節(jié)點(diǎn)均以競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道，不需要周期性的發(fā)送信標(biāo)幀。顯然，在信標(biāo)模式當(dāng)中由于有了周期性的信標(biāo)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都能進(jìn)行同步，但這種同步網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不會(huì)很大。實(shí)際上，在ZigBee當(dāng)中用得更多的可能是非信標(biāo)模式。

　　MAC層往上就屬于ZigBee真正定義的部分了，我們可以參看一下ZigBee的協(xié)議棧（圖3）。底層技術(shù)，包括物理層和MAC層由IEEE 802.15.4制定，而高層的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層（APS）、應(yīng)用框架（AF）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和安全組件（SSP），均由 ZigBee Alliance所制定。

　　圖3 ZigBee協(xié)議棧

　　這些部分當(dāng)中最下面的是網(wǎng)絡(luò)層。和其他技術(shù)一樣，ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要支持兩種路由算法—樹(shù)路由和網(wǎng)狀網(wǎng)路由。樹(shù)路由采用一種特殊的算法，具體可以參考ZigBee的協(xié)議棧規(guī)范。它把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)看作是以協(xié)調(diào)器為根的一棵樹(shù)，因?yàn)檎麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)是由協(xié)調(diào)器所建立的，而協(xié)調(diào)器的子節(jié)點(diǎn)可以是路由器或者是末端節(jié)點(diǎn)，路由器的子節(jié)點(diǎn)也可以是路由器或者末端節(jié)點(diǎn)，而末端節(jié)點(diǎn)沒(méi)有子節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于樹(shù)的葉子。這種結(jié)構(gòu)又好像蜂群的結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器相當(dāng)于蜂后，是唯一的，而路由器相當(dāng)于雄蜂，數(shù)目不多，末端節(jié)點(diǎn)則相當(dāng)于數(shù)量最多的工蜂。其實(shí)有很多地方仔細(xì)一想，就可以發(fā)現(xiàn)ZigBee和蜂群的許多暗合之處。樹(shù)路由利用了一種特殊的地址分配算法，使用四個(gè)參數(shù)—深度、最大深度、最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)和最大子路由器數(shù)來(lái)計(jì)算新節(jié)點(diǎn)的地址，于是尋址的時(shí)候根據(jù)地址就能計(jì)算出路徑，而路由只有兩個(gè)方向—向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送或者向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送。樹(shù)狀路由不需要路由表，節(jié)省存儲(chǔ)資源，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，因此常常作為最后的路由方法，或者干脆不用。ZigBee當(dāng)中還有一種路由方法是網(wǎng)狀網(wǎng)路由，這種方法實(shí)際上是AODV路由算法的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，非常適合于低成本的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的路由。它可以用于較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，需要節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)路由表，耗費(fèi)一定的存儲(chǔ)資源，但往往能達(dá)到最優(yōu)的路由效率，而且使用靈活。除了這兩種路由方法，ZigBee當(dāng)中還可以進(jìn)行鄰居表路由，其實(shí)鄰居表可以看作是特殊的路由表，只不過(guò)只需要一跳就可以發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。

　　網(wǎng)絡(luò)層的上面是應(yīng)用層，包括了APS、AF和ZDO幾部分，主要規(guī)定了一些和應(yīng)用相關(guān)的功能，包括端點(diǎn)（endpoint）的規(guī)定，還有綁定 （binding）、服務(wù)發(fā)現(xiàn)和設(shè)備發(fā)現(xiàn)等等。其中端點(diǎn)是應(yīng)用對(duì)象存在的地方，ZigBee允許多個(gè)應(yīng)用同時(shí)位于一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，例如一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有控制燈光的功能，又具有感應(yīng)溫度的功能，又具有收發(fā)文本消息的功能，這種設(shè)計(jì)有利于復(fù)雜ZigBee設(shè)備的出現(xiàn)。而綁定是用于把兩個(gè)“互補(bǔ)的”應(yīng)用聯(lián)系在一起，如開(kāi)關(guān)應(yīng)用和燈的應(yīng)用。更通俗的理解，“綁定”可以說(shuō)是通信的一方了解另一方的通信信息的方法，比如開(kāi)關(guān)需要控制“燈”，但它一開(kāi)始并不知道“燈”這個(gè)應(yīng)用所在的設(shè)備地址，也不知道其端點(diǎn)號(hào)，于是它可以廣播一個(gè)消息，當(dāng)“燈”接收到之后給出響應(yīng)，于是開(kāi)關(guān)就可以記錄下“燈”的通信信息，以后就可以根據(jù)記錄的通信信息去直接發(fā)送控制信息了。服務(wù)發(fā)現(xiàn)和設(shè)備發(fā)現(xiàn)是應(yīng)用層需要提供的，ZigBee定義了幾種描述符，對(duì)設(shè)備以及提供的服務(wù)可以進(jìn)行描述，于是可以通過(guò)這些描述符來(lái)尋找合適的服務(wù)或者設(shè)備。

　　ZigBee還提供了安全組件，采用了AES128的算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，另外還規(guī)定了信任中心（trust center）的角色—全網(wǎng)有一個(gè)信任中心，用于管理密鑰和管理設(shè)備，可以執(zhí)行設(shè)置的安全策略。

　　Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4（如下圖1所示），這是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（Personal Area Network，PAN）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)。

　　IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化（如下圖2所示）。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)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(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒(méi)有限制。Zigbee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。