寧夏大學物理與電子電氣工程學院 王中意 朱小波 車 進

淺析ZigBee無線通信技術(shù)

寧夏大學物理與電子電氣工程學院 王中意 朱小波 車 進

ZigBee作為一種新興無線技術(shù),具有的特征體現(xiàn)在:傳輸距離短、速率低、功耗低以及成本低;它基于IEEE 802.15.4的無線通信協(xié)議;主要用于近距離無線連接.本文簡述了ZigBee無線通信技術(shù).

ZigBee技術(shù);無線通信;DSSS;可靠性;網(wǎng)絡拓撲

1 引言

ZigBee技術(shù)作為一種無線通信技術(shù),常應用于傳輸范圍短,數(shù)據(jù)傳輸速率低的各種電子元器件設備之間.它能夠在數(shù)以千計的微小傳感器之間通過獨有的無線電標準實現(xiàn)相互協(xié)調(diào)通信,它以前被形象的稱作"FireFly"或"HomeRF Lite"無線技術(shù).ZigBee技術(shù)支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領(lǐng)域,可取代計算機外設和各種數(shù)字設備間的電纜,更主要的是可以實現(xiàn)各種不同數(shù)字設備間的無線組網(wǎng),使它們可以相互通信甚至接入LAN或Internet.

2 ZigBee技術(shù)

2.1 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)

IEEE 802.15.4標準于2003年5月制定完成,它滿足國際標準化組織(IOS)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型,主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層.與其他不同無線網(wǎng)絡相比IEEE 802.15.4協(xié)議,優(yōu)點體現(xiàn)在:強大的組網(wǎng)能力,廣闊的適應面,良好的節(jié)能性以及高可靠性[1].ZigBee的協(xié)議結(jié)構(gòu)由應用層、會聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路控制層和物理層組成[2],如圖1所示.

2.2 物理層

ZigBee采用了868/915 MHz(歐美)物理層和2.4GHz(全球)物理層,在2.4GHz頻段上有16個信道提供250kbit/s的傳輸數(shù)率、在915MHz頻段上有10個信道提供40kbit/s的傳輸數(shù)率、在868MHz頻段上有1個信道提供20kbit/s的傳輸速率;這主要是由于調(diào)制技術(shù)的不同,導致工作頻率、擴頻碼片長度和傳輸速率的不同.并且都采用了調(diào)相技術(shù),因為調(diào)相技術(shù)的誤碼性能要優(yōu)于調(diào)頻和調(diào)幅技術(shù),但868/915MHz頻段采用的是BPSK,而2.4GHz頻段采用的是O-QPSK,用以降低工作時間,以減少功率消耗,從而更省電.915MHz頻段和2.4GHz頻段相比為低頻頻段,由于在低頻頻段上無線傳播的損失較少,傳輸距離較長,從而獲得較遠的通信距離,即可用較少的設備覆蓋較大的區(qū)域.其調(diào)制過程如圖2所示.

圖1 ZigBee協(xié)議棧

圖2 調(diào)制過程

在物理層都基于直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems,DSSS)技術(shù),直接序列擴頻是用待傳輸?shù)脑夹盘柵c偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的高速率的偽隨機碼波形相乘,然后去控制射頻信號的某個關(guān)鍵參量,從而能夠擴展傳輸信號的帶寬達到擴頻;這個過程產(chǎn)生的偽隨機序列用來擴展頻譜被稱為擴頻碼序列.其簡化方框圖如圖3所示.

在發(fā)射信號端,待傳輸?shù)脑夹盘柵c偽隨機碼波形或擴頻碼波形相乘(或與擴頻碼序列模2加),在乘法器中所形成的復合碼信號對載波進行調(diào)制,然后由發(fā)射機的天線發(fā)射出去.在接收信號端,同時要產(chǎn)生一個和信號發(fā)送端中的擴頻碼同步的本地偽隨機碼(擴頻碼),對接收的信號進行解擴處理,將解擴后的信號送到解調(diào)器進行解調(diào),從而恢復出傳送的原始信號.

所以擴頻通信具有很強的抗多徑、抗窄帶、抗人為干擾的優(yōu)秀能力,同時在其他條件相同的情況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù).從而保證了ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽?

圖3 DSSS通信系統(tǒng)簡化圖

2.3 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層可分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和媒介接入控制子層(MAC).IEEE802.15.4協(xié)議的邏輯鏈路控制子層與IEEE802.2協(xié)議的相同;邏輯鏈路控制層的功能包括:保障可靠性傳輸、數(shù)據(jù)包分段與重組以及數(shù)據(jù)包的順序傳輸.對于媒介接入控制子層(MAC),實現(xiàn)的主要功能包括:網(wǎng)絡信標的產(chǎn)生,實現(xiàn)信標同步;建立和斷開個域網(wǎng)(PAN)鏈路;提供并支持設備的安全;信道的接入方式同樣采取的是WLAN中802.11協(xié)議標準的載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)機制;CSMA/CA機制就是在信號傳輸之前,先檢查信道是否有信號傳輸,如果信道沒有信號傳輸,就開始進行信號傳輸,如果信號產(chǎn)生碰撞,就會在稍后一段時間重新傳送.MAC子層主要功能還包括時隙(GTS)機制的處理、維護并保護,以及為處在對等網(wǎng)的兩個MAC實體之間提供一個穩(wěn)定可靠的通信傳輸鏈路[3].

圖4 ZigBee網(wǎng)絡拓撲

2.4 ZigBee的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

在網(wǎng)絡層方面,ZigBee支持3種通信設備的網(wǎng)絡拓撲(如圖4所示),即Star、Mesh和Cluster Tree.依據(jù)不同角色的節(jié)點,可分為全功能設備(Full-Function Device;FFD)和精簡功能設備(Reduced-Function Device;RFD).RFD的電路相對于FFD較為簡單并且具有較小的存儲體容量.全功能設備的節(jié)點擁有控制器(Controller)的功能,為數(shù)據(jù)交換提供可能,并同時具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和路由的功能;然而精簡功能設備只能傳送數(shù)據(jù)給全功能設備或者從全功能設備接收數(shù)據(jù),精簡功能設備沒有轉(zhuǎn)發(fā)和路由的功能.對于ZigBee網(wǎng)絡的PAN協(xié)調(diào)點起到和外部系統(tǒng)連接的作用,它有權(quán)建立網(wǎng)絡、執(zhí)行任何可能需要的管理網(wǎng)絡的任務和路由功能.

ZigBee可以通過以上功能構(gòu)建一個龐大的由無線傳輸模塊(全功能設備、全功能設備、精簡功能設備)組組成的無線傳輸網(wǎng)絡,類似于移動網(wǎng)絡的GSM和CDMA網(wǎng)絡類型.在這個龐大的無線傳輸網(wǎng)絡中一個個ZigBee無線傳輸模塊就相當于移動網(wǎng)絡中的一個個基站,在這個龐大的傳輸網(wǎng)絡中它們可以實現(xiàn)相互通信,該ZigBee網(wǎng)絡也能同時與現(xiàn)有的其他網(wǎng)絡實現(xiàn)連接并通信.ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡可以拓展延伸現(xiàn)有網(wǎng)絡,去連接覆蓋現(xiàn)有網(wǎng)絡無法覆蓋到達的地區(qū),ZigBee無線技術(shù)被看作是其他無線通信技術(shù)的"補丁"[4-6].

3 結(jié)束語

ZigBee技術(shù)是一種協(xié)議結(jié)構(gòu)相對簡單、對設備功耗低、成本低廉以及傳輸可靠性較高的無線通信技術(shù),它能在低速率和低電能的實際應用中實現(xiàn)無線連接和組網(wǎng).IPv6擁有數(shù)量巨大的網(wǎng)絡地址空間,足夠為每一個ZigBee節(jié)點分配一個唯一的通信網(wǎng)絡地址,并能同時保障通信的安全和提供優(yōu)良的QoS.IPv6和ZigBee的結(jié)合有一個強勁的發(fā)展趨勢.它已經(jīng)在智能家居、智慧農(nóng)業(yè),智能物聯(lián)網(wǎng)等諸多方面體現(xiàn)出了重要的運用價值,在未來工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等不同領(lǐng)域?qū)嬖诟鞣N各樣的ZigBee產(chǎn)品.我們可以預見,ZigBee產(chǎn)品及應用將以不同的方式走進我們,成為我們生產(chǎn)生活的重要部分.

[1]IEEE Standard for Part 802.15.4:Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)[S].2003.

[2]江修波.ZigBee技術(shù)及其應用[J].低壓電器,2005(7):28-29.

[3]賴聯(lián)有.ZigBee協(xié)議分析及其實現(xiàn)[J].齊齊哈爾大學學報,2010(1):47.

[4]王曉鳴.ZigBee技術(shù)簡介[C].中國通信學會"移動增值業(yè)務與應用"學術(shù)年會.

[5]丁飛.基于ZigBee的無線通信技術(shù)及其應用[J].江蘇通信技術(shù),2006(22):26.

[6]高雨明.淺析ZigBee無線傳輸技術(shù)及其應用[J].信息與電腦,2010.

注:本文獲寧夏大學研究生創(chuàng)新項目資助(項目編號:GIP2017012).