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1、ZigBee无线传输技术综述0引言ZigBee的基础是IEEES02. 15. 4,这是IEEE无线个人区域网工作组的一 项标准，被称作IEEES02. 15. 4(ZigBee)技术标准。ZigBee协议由五家公司共 同提出：Honeywell Invensys、三菱电气、摩托罗拉和飞利浦。IEEF802. 15. 4工作组为ZigBee定义了三个免受权频段：2. 4GHz (全球应 用),915MHz(美国)和 868 MHz(欧洲)。ZigBee采用DSSS技术，与蓝牙等无线通讯技术相比，它具有如下特点：(1)功耗更低：ZigBee Alliance网站公布,以一般电池电力而言，ZigB
2、ee 产品可使用数月至数年之久。它非常适用于那些需要一年甚至更长时间才需更 换电池的设备(如典型的监控设备)。(2)接入设备多：ZigBee的解决方案支持每个网络协调器带有255个激活 节点，多个网络协调器可以联接大型网络。2. 4GHz频段可容纳16个通道，每 个网络协调器带有255个激活节点(蓝牙只有8个)，ZigBee技术允许在一个网 络中包含4千多个节点。(3)成本更低：ZigBee只需要80C51之类的低档处理器以及少量的软件即 可实现，无需主机平台。从天线到应用实现只需1块芯片即可。蓝牙需依靠较 强大的主处理器(如ARM7),芯片构架也比较复杂。(4)传输速率更低：ZigBee的低
3、功率导致了低传输速率，其原始数据吞吐 速率在 2.速Hz 在Ochannels)频段为 250kbps,在 915MHz (6cha-nnels)频段为 40 kbps,在 868MHz(Ichannel)频段为 20kbps。传输距离为 1020m。1 ZigBee协议栈ZigBee标准采用分层结构，根据开放式通信系统互联模型，从上往下具有 物理层、数据链路层、网络层、应用支持子层和应用层。从网络层以上的协议 有ZigBee联盟制定，IEEES02. 15. 4标准定义物理层和数据链路层。1. 1物理层(PHY)物理层是协议层的最底层，主要工作是要启动与关闭无线传输接收器、传 输与接收数据、
4、使用频道的选择、在目前频道上做讯号能量侦测、数据调变传 输与接收解调、空闲频道评估(CCA)和针对接收的封包执行链路品质指示 (LQI)oIEEE802. 15. 4定义了两个物理层标准,分别是2. 4GHz和868 / 915MHz 物理层。2. 4GHz的物理层通过采用16相调制技术，能够提供250 kbps的传 输速率。868 MHz的传输速率为20 kbps, 916 MHz上的传输速率则是40 kbpso物理层提供两个服务：数据服务和管理服务。数据服务：在物理无线信道 上接受和发送物理协议数据单元。管理服务：维护一个由物理层相关数据组成 的数据库。物理层负责下面的任务：(1)无线收发
5、信机的激活和去激活。(2)在当前信道上的能量检测。(3)链路质量指示，用在接受的数据包上。(4)清除信道估计算法用在CSMA / CA技术中。(5)信道频率选择。(6)信道数据的接受。1. 2数据链路层(MAC)物理层之上的数据链路层基于物理层所提供的服务，负责设备间无线数据 链路的建立，维护和结束，确认模式的帧传送与接受，信道接入控制，帧校 验，预留时隙管理和广播信息管理。IEEE802. 15. 4的MAC层可足够灵活地来 处理这些数据通信。MAC层有两种信道访问机制：无标识网络和标识使能网 络。无标识网络节点成功接受到信息包后能产生一个积极的回应。标识使能网 络采用超帧结构，这一方面为了
6、有专用的带宽和低的反应时间，另一方面可通 过网络协调器设定在预定时间间隔内传输标识。MAC层使用标识使能来处理周期性数据，当有标识使能时，传感节点会被 唤醒来检测信息，然后再返回睡眠状态。间歇性数据可以在无标识网络中被处 理或是以不连贯的方式被处理。当以不连贯方式处理时，通信需要在能节约大 量能量的情况下，设备才加入网络。低反应时间操作可用于保证时间分割(GTS) 操作中。GTS是高服务质量的一种方法，它允许每个设备有一个特定的时间间 隔，这样每个超帧就可以自由传输而不需要反应和争抢。1. 3网络层物理层上面的网络层由ZigBee标准规定，它确保正确的操作 IEEES02. 15. 4MAe子
7、层和应用层提供服务接口。网络层为应用层提供两种服 务实体：数据实体和管理实体。网络层数据实体通过提供数据传输服务，网络 层管理实体通过提供管理服务，同时: 利用来完成一些管理任务，负责维护网 络数据。ZigBee提供了：星形网络、树状网络和网状网络三种拓扑结构。(1)星型网络配置包含了一个ZigBee协调器节点和一个或更多的终端设 备。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通信。如果某个终端设备需 要传输数据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后协调器依次将 数据转发到目标接收器终端设备。(2)树状网络，在这种配置下，终端设备可以选择加入ZigBee协调器或者 ZigBee路由器。路
8、由器提供两种功能的服务。一是为整个网络增加可能的节点 数。二是扩展网络覆盖的物理范围。有了路由器以后，终端设备不需要在协调 器的射频范围内，也可以加入网络。在树状网络中，所有的信息都由树节点来 组织路由。(3)网状网类似于树状网络配置，只是FFD可以直接把消息发送给其他的 FFD而不用沿着树来传输。来自RFD的消息依然要通过它的父节点来转发。网 状网络拓扑的优势在于减少了消息传输的时延并且增加了可靠性。1. 4应用层ZigBee应用层由三个部分组成，APS子层、ZDO(包含ZDO管理平台)和制造 商定义的应用对象。其中，APS提供了这样的接口：在NwK层和APL层之间， 从ZDO到供应商的应用
9、对象的通用服务集。这服务由两个实体实现：APS数据 实体(APSDE)和APS管理实体(APSME)； ZigBee设备对象(ZDO),描述了一个基 本的功能函数，这个功能在应用对象、设备profile和APS之间的提供了一个 接口。ZDO位于应用框架和应用支持子层之间。每个ZigBee设备都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。这 些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板 可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。设备是由模板定义 的，并以应用对象的形式实现。每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈 的余下部分它们都是器件中可寻址的组件。Z
10、igBee应用层目前只定义编号1 240的240个应用对象，而241254则是保留予未来使用。另外，编号0与编 号255是给予其他方面使用。ZigBee应用层的通讯基础是由ZigBee产品供应 商发展的模板所构成，某一模板提供对ZigBee特定应用技术需求的解决方案。2路由算法由ZigBee联盟发布的ZigBee协议的标准中，网络层通过两种路由协议相 互补充进行路由的发现与数据的转发。这两种路由协议分别是按需路由协议 A0DV和基于分簇的Cluster-Tree协议。树型路由适用于节点静止或者移动较 少的场合，属于静态路由，不需要路由表，节省存储资源，对于传输数据包的 响应较快，但缺点是很不灵
11、活，浪费了大量的地址空间，并且路由效率低。 A0DV协议主要适用于动态变化的网络环境中，通过路由请求、路由回复等机制 每次都能发现最新的转发路径。但是在有的无线传感器网络中，节点被部署之 后一般都不再发生移动，网络拓扑的变化也很缓慢，各个传感器节点只要把采 集到的数据发送给汇聚点。而相互之间不需要进行通信。在这样的情况下，AODV协议就显得太过复杂。因此，许多从事ZigBee技术的研究人员都提出相 应的Cluster-Tree, AODV改进算法，下面对几种改进算法进行简单阐述。(l)AODVjr是一种简化版本的AODV,主要是考虑到ZigBee无线传感器网络 的电池能量有限性、应用方便性等因
12、素，而简化了 AODV的一些特点。(2)为使簇树路由算法在缩短时延方面有更好的效果，应该考虑邻居节点和 选择下一跳节点是到目的节点的最短路径的节点，这是基于Greedy算法的想 法，提出了改进的Cluster-Tree算法。(3)针对ZigBee网络的Cluster-Tree算法对簇首能量要求高及节点问非最 佳路由的问题，提出了 Cluster-Tree路由改进算法，对簇首的选择必须考虑到 节点的剩余能量，并结合AODVjr算法来降低路由距离，进而减少转发数据的能 量损耗。(4)通过研究ZigBee协议网络层的路由算法，分析了树型路由算法和 AODVjr路由算法，并在此基础上对树型路由算法提出
13、了一种改进算法(ITRA), 该改进算法将节点分为两类：一类是具有足够的存储空间和能力执行AODVljr 路由协议的节点，另一类是指存储空间受限，不具有执行AODVjr路由协议能力 的节点，改善了原有树型算法的路由效率低问题和避免AODVjr算法的能量消耗 和路由表问题。(5)文中分析了无线传感器网络的特点和ZigBee协议中的Cluster-Tree路 由算法，对其中的分簇方法进行了研究，在此算法的基础上，利用节点的深度 信息对算法进行了简化，并考虑了能量均衡利用的问题，以实现延长网络生存 周期的目的。改进后的算法在延长网络生存期方面比LEACH有很大提高。(6)针对ZigBee网络簇树拓扑
14、结构的不足，新的算法在选择父节点时综合 考虑节点的深度、能量和负载情况,使簇树结构有助于减少数据转发跳数，并 在负载均衡方面更加优化。新策略在优化簇树结构的基础上，充分利用本地信 息和簇树结构对ZBR策略进行改进。仿真实验验证，改进策略能有效减少网络 能耗，均衡网络负载，最大化网络的生存时间。(7)针对网络随着载荷增加，数据包碰撞概率增大的情况，提出一种频点分 配算法FFD。该算法以点着色理论为基础，结合功率控制，采用分布控制方 式，使不同分簇内部采用不同的频点通信，以避免簇间干扰，降低碰撞概率。 而簇内通信使用小功率，使节点特别是簇头能量得到有效利用。3 ZigBee 应用ZigBee技术主
15、要是嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工 业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的 基于无线通信的控制和自动化等领域中。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括 工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术做无线传 输：(1)设备成本很低，传输的数据量很小；(2)设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；(3)没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；(4)频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；(5)需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅用于监测或控 制。4小结本文介绍了 ZigBee技术的优点，协议栈各个层的功能，针对ZigBee低能 耗问题，简单介绍了几种改进的路由算法，并简单介绍了 ZigBee的应用。