ZigBee性能分析 - zigbee概述 幾種無線通信技術性能比較

　　ZigBee性能分析

　　面對ZigBee協(xié)議棧作了一些介紹，要知道ZigBee能勝任什么工作，還需要作進一步的分析，主要有幾個方面：數據速率、可靠性、時延、能耗特性、組網和路由。

　　ZigBee的數據速率比較低，在2.4GHz的頻段也只有250kb/s，而且這只是鏈路上的速率，除掉幀頭開銷、信道競爭、應答和重傳，真正能被應用所利用的速率可能不足100kb/s，并且這余下的速率也可能要被鄰近多個節(jié)點和同一個節(jié)點的多個應用所瓜分。所以我們不能奢望ZigBee去做一些如傳輸視頻之類的高難度的事情，起碼目前是這樣，而應該聚焦于一些低速率的應用，比如人們早就給它找好的一個應用領域—傳感和控制。

　　至于可靠性，ZigBee有很多方面進行保證，首先是物理層采用了擴頻技術，能夠在一定程度上抵抗干擾，而MAC層和應用層（APS部分）有應答重傳功能，另外MAC層的CSMA機制使節(jié)點發(fā)送之前先監(jiān)聽信道，也可以起到避開干擾的作用，網絡層采用了網狀網的組網方式（圖4），從源節(jié)點到達目的節(jié)點可以有多條路徑，路徑的冗余加強了網絡的健壯性，如果原先的路徑出現了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節(jié)點出現故障，ZigBee可以進行路由修復，另選一條合適的路徑來保持通信（圖5、圖6）。據了解，在最新的ZigBee 2007協(xié)議棧規(guī)范當中，將會引入一個新的特性——頻率捷變（frequency agility），這也是ZigBee加強其可靠性的一個重要特性。這個特性大致的意思是當ZigBee網絡受到外界干擾，比如Wi-Fi的干擾，無法正常工作時，整個網絡可以動態(tài)的切換到另一個工作信道上。

　　圖4 ZigBee可靠的網狀網組網方式

　　圖5 ZigBee網絡受到外部干擾

　　圖6 通過更換路徑避開干擾

　　時延也是一個重要的考察因素。由于ZigBee采用隨機接入MAC層，并且不支持時分復用的信道接入方式，因此對于一些實時的業(yè)務并不能很好支持。而且由于發(fā)送沖突和多跳，使得時延變成一個不易確定的因素。

　　能耗特性是ZigBee的一個技術優(yōu)勢。通常情況下，ZigBee節(jié)點所承載的應用數據速率都比較低，在不需要通信的時候，節(jié)點可以進入很低功耗的休眠狀態(tài)，此時能耗可能只有正常工作狀態(tài)的千分之一。由于一般情況下休眠的時間占總運行時間的大部分，有時可能正常工作的時間還不到1%，因此達到很高的節(jié)能效果。在這種情況下，ZigBee的網絡有可能依靠普通的電池連續(xù)運轉一兩年。當然，ZigBee節(jié)點能夠方便的在休眠狀態(tài)和正常運行狀態(tài)之間靈活的切換，和它底層的特性是分不開的。ZigBee從休眠狀態(tài)轉換到活躍狀態(tài)一般只需要十幾毫秒，而且由于使用直接擴頻而不是跳頻技術，重新接入信道的時間也很快。

　　最后是組網和路由特性，它們屬于網絡層的特性，ZigBee在這方面做得相當出色。首先是大規(guī)模的組網能力——ZigBee可以支持每個網絡多達六萬多個節(jié)點，相比之下，Bluetooth只支持每個網絡8個節(jié)點。這是因為ZigBee的底層采用了直擴技術，如果采用非信標模式，網絡可以擴展得很大，因為不需要同步。而且節(jié)點加入網絡和重新加入網絡的過程也很快，一般可以做到一秒以內甚至更快，而Bluetooth通常需要3s時間。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的網狀網的路由，因此可以布設范圍很廣的網絡，并且支持多播和廣播的特性，能夠給豐富的應用帶來有力的支撐。

　　ZigBee應用淺談

　　上面介紹了ZigBee的一些技術優(yōu)勢，也談到了不足之處，目前有些說法把它跟其它他的無線技術，如Wi-Fi、Bluetooth、 RFID、NFC等等進行類比，說某種技術不如另一種，甚至說某種技術要取代另一種，這樣的說法是片面的。作為一種低速率的短距離無線通信技術， ZigBee有其自身的特點，因此應該有為它量身定做的應用，盡管在某些應用方面可能和其他技術重疊。下面就來簡單看看ZigBee可能的一些應用，包括智能家庭、工業(yè)控制、自動抄表、醫(yī)療監(jiān)護、傳感器網絡應用和電信應用。

　　智能家庭：家里可能都有很多電器和電子設備，如電燈、電視機、冰箱、洗衣機、電腦、空調等等，可能還有煙霧感應、報警器和攝像頭等設備，以前我們最多可能就做到點對點的控制，但如果使用了ZigBee技術，可以把這些電子電器設備都聯系起來，組成一個網絡，甚至可以通過網關連接到 Internet，這樣用戶就可以方便的在任何地方監(jiān)控自己家里的情況，并且省卻了在家里布線的煩惱。原文位置

　　工業(yè)控制：工廠環(huán)境當中有大量的傳感器和控制器，可以利用ZigBee技術把它們連接成一個網絡進行監(jiān)控，加強作業(yè)管理，降低成本。

　　自動抄表：抄表可能是大家比較熟悉的事情，像煤氣表、電表、水表等等，每個月或每個季度可能都要統(tǒng)計一下讀數，報給煤氣、電力或者供水公司，然后根據讀數來收費?，F在在大多數地方還是使用人工的方式來進行抄表，逐家逐戶的敲門，很不方便。而ZigBee可以用于這個領域，利用傳感器把表的讀數轉化為數字信號，通過ZigBee網絡把讀數直接發(fā)送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進行抄表還可以帶來其它好處，比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發(fā)送給用戶，或者和節(jié)能相結合，當發(fā)現能源使用過快的時候可以自動降低使用速度。

　　醫(yī)療監(jiān)護：電子醫(yī)療監(jiān)護是最近的一個研究熱點。在人體身上安裝很多傳感器，如測量脈搏、血壓，監(jiān)測健康狀況，還有在人體周圍環(huán)境放置一些監(jiān)視器和報警器，如在病房環(huán)境，這樣可以隨時對人的身體狀況進行監(jiān)測，一旦發(fā)生問題，可以及時做出反應，比如通知醫(yī)院的值班人員。這些傳感器、監(jiān)視器和報警器，可以通過ZigBee技術組成一個監(jiān)測的網絡，由于是無線技術，傳感器之間不需要有線連接，被監(jiān)護的人也可以比較自由的行動，非常方便。

　　傳感器網絡應用：傳感器網絡也是最近的一個研究熱點，像貨物跟蹤、建筑物監(jiān)測、環(huán)境保護等方面都有很好的應用前景。傳感器網絡要求節(jié)點低成本、低功耗，并且能夠自動組網、易于維護、可靠性高。ZigBee在組網和低功耗方面的優(yōu)勢使得它成為傳感器網絡應用的一個很好的技術選擇。

　　電信應用：在2006年初的時候，意大利電信就宣布她研發(fā)了一種集成了ZigBee技術的SIM卡，并命名為“ZSIM”［5］。其實這種 SIM卡只是把ZigBee集成在電信終端上的一種手段。而ZigBee聯盟也在2007年4月發(fā)布新聞，說聯盟的成員在開發(fā)電信相關的應用［6］。如果 ZigBee技術真得可以在電信領域開展起來，那么將來用戶就可以利用手機來進行移動支付，并且在熱點地區(qū)可以獲得一些感興趣的信息，如新聞、折扣信息，用戶也可以通過定位服務獲知自己的位置。雖然現在的GPS定位服務已經做得很好，但卻很難支持室內的定位，而ZigBee的定位功能正好彌補這一缺陷。