甚低功耗無線通信技術zigbee

1、甚低 功 耗 無 線 通 信 技 術 ZigBee摘 要 ： ZigBee 技 術 作 為 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡 的 主 要 支 撐 技 術 獲 得 人 們 廣 泛 的 關 注 。 完 整 的ZigBee 協(xié) 議 套 件 由 高 層 應 用 規(guī) 范 、 應 用 會 聚 層 、 網(wǎng) 絡 層 、 數(shù) 據(jù) 鏈 路 層 和 物 理 層 組 成 。 網(wǎng) 絡 層 以 上 協(xié) 議 由 ZigBee 聯(lián) 盟 制 訂 ， 物 理 層 和 媒 體 訪 問 控 制 (MAC)層 采 用 IEEE802.15.4 標 準 。IEEE802.15.4 物 理 層 簡 單 采 用 比 特 到 符號映射技 術 、 符

2、號到 碼片序列 轉(zhuǎn) 換 技 術 、 偏 移 正 交 相 移 鍵 控 (OQPSK)調(diào) 制 技 術 ， 無 須 信 道 編 碼等 復 雜 算 法 ； MAC 層 采 用 載 波 監(jiān) 聽 多 址沖突避免技 術 ， 支 持休眠模式。 整 個協(xié) 議 的 設計使得 ZigBee 技 術 具有數(shù) 據(jù) 傳 輸速率低 、 功 耗 低 、成 本低 等 特 點， 更加適合于工業(yè)監(jiān) 控 系統(tǒng)、 傳 感 器 網(wǎng) 絡 、 家 庭監(jiān) 控 系統(tǒng)、 安全系統(tǒng)等 應 用 。關 鍵 詞： 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡 ； ZigBee 技 術 ； IEEE 802.15.4 協(xié) 議 ； 物 理 層 ； 多 址 接入控 制基金項目：

3、 北京市自然科學基金項目(4062023)幾 年來， 無 線 與移 動通 信 以 前所未有的 速度迅猛發(fā)展。 隨著各種便攜式個人 通 信 設備與家用 電器 設備的 增加， 人 們 享受蜂窩移 動通 信 系統(tǒng)帶來的 便利的 同時， 對短距離 的 無 線 與移 動通 信 又提出了新的 需求， 使得 短距離無 線 通 信 異軍突起， 包括無 線 局域網(wǎng) 、 藍牙技 術 、 移 動 AdHoc網(wǎng) 、 超寬帶(UWB)以 及 ZigBee 技 術 等 各種熱點技 術 相 繼出現(xiàn)， 均展現(xiàn)出各自巨大的 應 用 潛力。 其中， 低 速率、 低 功 耗 、 低 成 本的 ZigBee 技 術 作 為 無 線

4、傳 感 器 網(wǎng) 絡 的 主 要支 撐 技 術 獲 得 廣 泛 的 關 注 1 4。ZigBee 是 短距離通 信 的 一種新興技 術 。 它使用 2.4 GHz波 段， 采 用 跳頻技 術 。 與藍牙相 比 ， ZigBee 更簡 單 、 功 率及費用 也更低 ， 能夠比 藍牙更好地支 持游戲、 消費電子、 儀器和 家庭自動化應 用 。 人 們 期望能 在工業(yè)監(jiān) 控 、 傳 感 器 網(wǎng) 絡 、 家庭監(jiān) 控 、 安全系統(tǒng)和 玩具等領域拓展 ZigBee 的 應 用 5。ZigBee 的 技 術 特 點在于： 數(shù) 據(jù) 傳 輸速率低 ， 只有 10250 kb/s。 功 耗 低 。 在低 耗 電待機

5、模式下，兩節(jié)普通 5 號干電池可使用 6個月到 2 年，免去了充電或者頻繁更換 電池的 麻煩。成 本低 。 ZigBee 數(shù) 據(jù) 傳 輸速率低 ， 協(xié) 議 簡 單 ， 且免收專利費， 所以 大大降低 了成 本。網(wǎng) 絡 容量大。 每個 ZigBee 網(wǎng) 絡 最多 可支 持 255*255 個設備。 時延短。 通 常時延為 1530 ms。 安全。 ZigBee 提供了數(shù) 據(jù) 完 整 性檢查和 鑒權功 能， 采 用 先進加密標 準 128(AES 128)加密算 法 。 有效范 圍小。 有效覆蓋范 圍 1075m， 具體 依據(jù) 實際發(fā)射功 率的 大小和 各種不同的 應 用模式而定，基本上 能夠覆蓋

6、普通 的 家庭或辦公室環(huán)境。 工作 頻段靈活。使用 頻段為 2.4 GHz、868 MHz(歐洲)及 915 MHz(美國)， 均為 免執(zhí)照頻段。1 ZigBee 協(xié) 議 1.1 ZigBee 協(xié) 議 框架ZigBee 協(xié) 議 棧由 一組 子層 構成 。 每層 為 其上 層 提供一組 特 定的 服務： 一個數(shù) 據(jù) 實體 提供數(shù) 據(jù) 傳 輸服務，一個管理 實體 提供全部其他服務。每個服務實體 通 過一個服務接入點(SAP)為 其上 層 提供服務接口， 并且每個 SAP 提供了一系列 的 基本服務指令來完 成 相 應 的 功 能。ZigBee 協(xié) 議 棧的 體 系結(jié)構6如圖 1 所示。 它雖然是基

7、于標 準 的 七層 開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型， 但僅對那些涉及 ZigBee 的 層 予以 定義。 IEEE802.15.4 2003標 準 7定義了最下面的 兩層 ： 物 理 層 (PHY)和 介質(zhì)接入控 制 子層 (MAC)。 ZigBee 聯(lián) 盟 提供了網(wǎng) 絡 層 和 應 用 層(APL)框架的 設計。 其中應 用 層 的 框架包括了應 用 支 持子層 (APS)、 ZigBee 設備對象(ZDO)和由 制 造商制 訂 的 應 用 對象。相 比 于常見的 無 線 通 信 標 準 ， ZigBee 協(xié) 議 套 件 緊湊而簡 單 ， 具體 實現(xiàn)的 要 求很低 。 以下是 ZigBee 協(xié)

8、 議 套 件 的 需求估計： 硬件 需要 8 位處理 器 ， 如 80c51； 軟件 需要 32 kB 的 ROM，最小軟件 需要 4kB 的 ROM； 網(wǎng) 絡 主 節(jié)點需要 更多 的 RAM 以 容納網(wǎng) 絡 內(nèi)所有節(jié)點的 設備信 息、數(shù) 據(jù) 包轉(zhuǎn) 發(fā)表、 設備關 聯(lián) 表、 與安全有關 的 密鑰存 儲等 。 1.2 IPv6與 IEEE 802.15.4 的 結(jié)合Zigbee 聯(lián) 盟 希望建立一種可連接每個電子設備的 無 線 網(wǎng) 。 它預言ZigBee 將很快成 為 全球高 端的 無 線 技 術 ， 到 2007年 ZigBee 節(jié)點將達到 30 億個。 具有幾 億個節(jié)點的 網(wǎng) 絡 將很快耗

9、盡已不足的 IPv4 的 地址 空間。 因此 IPv6與 IEEE802.15.4 結(jié) 合是傳 感 器 網(wǎng) 絡 的 發(fā)展趨勢。 IPv6采 用 128 位地址 長度， 幾乎可以 不受限制 地提供地址 。 按保守方法 估算 ， IPv6實際可為 整 個地球的 每平方米面積分配 1000 多 個地址 。 IPv6在設計過程中， 除了一勞永逸地解決了地址 短缺問 題以 外， 還考慮了在 IPv4 中解決不好的 其他問 題， 如端到 端 IP 連接、 服務質(zhì)量 (QoS)、 安全性、 多 播、 移 動性、 即插即用 等 。 1.3工作 頻段和 速率 IEEE 802.15.4 工作 在工業(yè)科學醫(yī)療(I

10、SM)頻段， 定義了兩個工作頻段， 即 2.4 GHz頻段和 868/915 MHz頻段。在 IEEE 802.15.4 中， 總共分配了 27個具有 3種速率的 信 道 ： 在 2.4 GHz頻段有 16個速率為 250kb/s的 信 道 ， 在 915 MHz頻段有 10 個 40 kb/s的 信 道 ， 在 868 MHz頻段有 1個 20 kb/s的 信 道 。 這些信 道 的 中心頻率按如下定義(k為 信 道 數(shù) )：Fc868.3MHz， k0；Fc906MHz+2(k1)MHz，k1， 210；Fc2 405 MHz+5(k11) MHz，k11， 1226。 個IEEE802.

11、15.4 網(wǎng) 可以 根據(jù) 可用 性、 擁擠狀況和 數(shù) 據(jù) 速率在 27個信 道 中選擇一個工作 信 道 。 從能量和 成 本效率來看， 不同的 數(shù) 據(jù) 速率能為 不同的 應 用 提供較好的 選擇。 例如， 對于有些計算 機外圍設備與互動式玩具， 可能需要 250 kb/s速率， 而對于其他許多 應用 ， 如各種傳 感 器 、 智能標 記和 家用 電器 等 ， 20 kb/s這樣的 低 速率就能滿足要 求。2 IEEE 802.15.4 物 理 層 來 自IEEE 802.15.4 物 理 層 協(xié) 議 數(shù) 據(jù) 單 元(PPDU)的進制 數(shù) 據(jù) 被依次(按字節(jié)從低 到 高 ) 組 成 4 位 進制

12、 數(shù) 據(jù) 符號， 每種數(shù) 據(jù) 符號(對應 16狀態(tài)組 中的 一組 ) 被映射成 32 位偽噪聲碼片(CHIP)， 以 便傳 輸。 然后這個連續(xù)的 偽噪音 CHIP 序列 被調(diào) 制 (采 用 最小鍵 控 方式)到 載 波 上 ， 即采 用 半正 弦脈沖波 形的 偏 移 正 交 相 移 鍵 控 (OQPSK)調(diào) 制 方式。 IEEE802.15.4 物 理層 傳 輸格式如圖 2 所示。 868/915 MHz頻段物 理 層 使用 簡 單 的 直接序列 擴頻(DSSS)方法 ， 每個PPDU數(shù) 據(jù) 傳 輸位被最大長為 15 的 CHIP 序列 所擴展(即被多 組 +1、 1 構成 的 m序 列 編

13、碼)，然后使用進制 相 移 鍵 控 技 術 調(diào) 制 這個擴展的 位元序列 。不同的 數(shù) 據(jù) 傳 輸率適用 于不同的 場合。 例如： 868/915MHz頻段物 理 層 的 低 速率換 取了 較好的 靈敏度和 較大的 覆蓋面積， 從而減少了覆蓋給定物 理 區(qū)域所需的 節(jié)點數(shù) 。 2.4 GHz頻段物 理 層 的 較高 速率適用 于較高 的 數(shù) 據(jù)吞吐量、 低 延時或低 作 業(yè)周期的 場合。3IEEE 802.15.4 MAC 層IEEE 802.15.4 MAC 層 提供兩種服務： MAC 層 數(shù) 據(jù) 服務和 MAC 層 管理 服務。 管理 服務通過 MAC 層 管理 實體 (MLME)服務接入

14、點(SAP)訪 問 高 層 。 MAC 層 數(shù) 據(jù) 服務使MAC 層 協(xié) 議 數(shù) 據(jù) 單元(MPDU)的 收發(fā)可以 通 過物 理 層 數(shù) 據(jù) 服務。 IEEE802.15.4 MAC 層 的 特 征有信 標 管理 、 信 道 接入機制 、 保證時隙(GTS)管理 、 幀確認、 確認幀傳 輸、 節(jié)點接入和 分離。3.1 超幀結(jié)構低速率的 無 線 個域網(wǎng) 允許使用 超幀結(jié)構。 超幀的 格式由 傳 感 器 網(wǎng) 絡 的 協(xié) 調(diào) 器 定義。 超幀被分為 16個大小相 等 的 時隙， 由 協(xié) 調(diào) 器 發(fā)送， 如圖 3所示。 每個超幀之間由 網(wǎng) 絡 信 標 分隔。 信 標 幀在超幀的 第一個時隙被傳 輸。

15、如果協(xié) 調(diào) 器 不想使用 超幀結(jié)構， 它將會 停止信 標 的傳 輸。 信 標 可用 來使接入的 設備同步， 區(qū)分個域網(wǎng) ， 描述超幀結(jié) 構。 任何想要 在競爭接入時段(CAP)通 信 的 設備都要 使用 有時隙的 載 波 監(jiān) 聽 多 址 接入 沖突避免(CSMA CA)。 所有的 傳輸要 在下一個信 標 到 來之前結(jié)束。超幀結(jié)構有活躍和 非活躍兩部分。 在非活躍部分， 協(xié) 調(diào) 器 將不和 網(wǎng) 絡 聯(lián) 系， 進入低 能模式。對 于低 延遲應 用 或需要 特 殊帶寬的 應 用 來說，網(wǎng) 絡 協(xié) 調(diào) 器 為 它貢獻出超幀的 活躍部分。這部分叫做 GTS。 GTS 由 無 競爭時段(CFP)組 成 ，

16、 它總是緊跟著 CAP， 在活躍的 超幀尾部， 如圖 4 所示。 網(wǎng) 絡 協(xié) 調(diào) 器 可以 分配 7個 GTS， 每個 GTS 可以 占用 一個以 上 的 時隙。 而 CAP 有充足的 時間留給基于競爭的 接入的 網(wǎng) 絡 設備或想加入網(wǎng) 絡 的 設備。 所有基于競爭的 傳 輸都要在 CFP 開始前結(jié)束， 同樣， GTS 的 傳 輸也要 確保在下個 GTS 開始前結(jié)束。3.2 CSMA CA 機制低速率的 無 線 個人 區(qū)域網(wǎng) 依據(jù) 網(wǎng) 絡 的 結(jié)構不同， 使用 兩種信 道 接入機制 。 無 信 標 網(wǎng) 絡使用 無 時隙的 CSMA CA 信 道 接入機制 。 每當設備想要 傳 輸數(shù) 據(jù) 幀或

17、MAC 命 令時， 它將等 待隨機的 一段時間。 在隨機退避之后， 如果信 道 被檢測為 空閑， 設備將傳 輸數(shù) 據(jù) ； 如果信 道 被檢測為 忙， 設備在再次嘗試接入信 道 之前， 要 重新等 待隨 機的 一段時間， 確認幀的 發(fā)送不使用 CSMA CA 機制 。 有 信 標 網(wǎng) 絡 使用 有時隙的 CSMA CA 信 道 接入機制 ，退避時隙在信 標 傳 輸?shù)?開始排列 好。每當設備在競爭接入時段要 傳 輸數(shù) 據(jù) 時， 它需要 確定下一個退避時隙的 界 限， 之后等 待隨機的 幾個退避時隙。 在隨機退避之后， 如果信 道 被檢測為 忙， 設備在再次嘗試接入信 道 之前，要 重新等 待隨機的

18、 幾個退避時隙； 如果信 道 被檢測為 空 閑， 設備將在下個退避時隙傳 輸數(shù)據(jù) 。 確認幀和 信 標 幀的 發(fā)送將不需要 CSMA CA 機制 。3.3安全模式在低 速率無 線 個人 區(qū)域網(wǎng) 絡 中設備可根據(jù) 自身需要 選擇不同的 安全模式： 無 安全模式、訪 問 控 制 列 表(ACL)模式和 安全模式。無 安全模式是MAC 子層 默認的 安全模式。 處于這種模式下的 設備不對接收到 的 幀進行任何安全檢查。 當某個設備接收到 一個幀時， 只檢查幀的 目的 地址 。 如果目的 地 址 是本設備地址 或廣 播地址 ， 這個幀就會 被轉(zhuǎn) 發(fā)給上 層 ， 否則丟棄。 在設備被設置為 混雜 模式(

19、Promiscuous)的 情況下， 它會 向上 層 轉(zhuǎn) 發(fā)所有接收到 的 幀。訪 問 控 制 列 表模式為通 信 提供了訪 問 控 制 服務。高 層 可以 通 過設置 MAC 子層 的 ACL條目指示 MAC 子層 根據(jù) 源地址過濾接收到 的 幀。 因此這種方式下 MAC 子層 就沒有提供加密保護，高 層 有必要 采 取其他機制來保證通 信 的 安全。安全模式對接收或發(fā)送的 幀提供全部的 4 種安全服務： 訪 問 控 制 、 數(shù) 據(jù) 加密、 幀完 整 性檢查和 順序更新。4 ZigBee 網(wǎng) 絡 層ZigBee 網(wǎng) 絡 層 將主 要 考慮采 用 基于 AdHoc技 術 的 網(wǎng) 絡 協(xié) 議 ，

20、 應 包含以 下功 能：(1)通 用 的 網(wǎng) 絡 層 功 能： 拓撲結(jié)構的 搭建和 維護， 命名和 關 聯(lián) 業(yè)務， 包含尋址 、 路 由 和 安全。(2)同 IEEE 802.15.4 標 準 一樣， 非常省電。(3)有自組 織、 自維護功 能， 可以 最大程度減少消費者的 開支 和 維護成 本。ZigBee 用 于無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡 ， 由 于網(wǎng) 絡 拓撲的 多 變和 形式多 樣化， 應 選擇適合應 用 場景的 網(wǎng) 絡 層 協(xié) 議 。無 線 網(wǎng) 絡 拓撲結(jié)構一般分為 星狀網(wǎng) 、 網(wǎng) 狀網(wǎng) 、 混合網(wǎng) (星狀 網(wǎng) 狀)， 如圖 5 所示。 而無線 傳 感 器 網(wǎng) 絡 拓撲結(jié)構具有網(wǎng) 絡

21、 節(jié)點數(shù) 目眾多 ， 網(wǎng) 絡 結(jié)構動態(tài)變化紛繁復 雜 等 特 點， 在此我們 主 要 比 較 3種基本網(wǎng) 絡 拓撲結(jié)構， 并選出比 較適合大型傳 感 器 網(wǎng) 絡 使用 的 拓撲結(jié)構。基 本的 星狀網(wǎng) 拓撲結(jié)構(圖 5(a)是一個單 跳(Single hop)系統(tǒng)， 如傳 統(tǒng)無 線 網(wǎng) 絡 。 基站節(jié)點可以 是一臺 PC、 個人 數(shù) 字助理 (PDA)、 專用 控 制 設備、 嵌入式網(wǎng) 絡 服務器 ， 或其他與高 數(shù) 據(jù) 率設備通 信 的 網(wǎng) 關 ， 網(wǎng) 絡中各終端節(jié)點也可以 不同。 依據(jù) 星狀網(wǎng) 的 特 點可以 看出，當各個傳 感 器 節(jié)點距離基站節(jié)點比較 遠， 傳 感 器 節(jié)點分布范 圍大時

22、， 這種拓撲結(jié)構是行不通 的 。 因為 傳 感 器 節(jié)點能量有限，如果每個節(jié)點都要 保證數(shù) 據(jù) 正 確接收的 信 噪比 (SNR)值，則傳 感 器 節(jié)點必 須 以 較大功 率向基站節(jié)點發(fā)送數(shù) 據(jù) ， 能量很快就會 耗 盡。網(wǎng) 狀網(wǎng) 拓撲結(jié)構是一種多 跳的 網(wǎng) 絡 系統(tǒng)， 網(wǎng) 絡 中的 所有無 線 傳 感 器 節(jié)點都相 同， 可以直接互相 通 信 ， 每一次網(wǎng) 絡 都會 選擇一條或者多 條路 由 進行多 跳傳 輸， 將所要 傳 輸 的 數(shù) 據(jù) 信 息傳 給基站(圖 5(b)。 網(wǎng) 狀網(wǎng) 的 每個傳 感 器 節(jié)點都有多 條路 徑到 達基站節(jié)點， 因此它的容故障能力較強， 而且這種多 跳系統(tǒng)以 多

23、跳代替了單 跳的 傳 輸 距離， 減小了源傳 感 器 所需要 的 發(fā)送功 率。 但是同時由 于傳 感 器 網(wǎng) 絡 節(jié)點數(shù) 量大， 中繼節(jié)點數(shù) 目眾多 ， 且分布隨機分散，因此在網(wǎng) 狀網(wǎng) 中查找多 跳路 由 和 進行路 由 維 護和 修復 (自愈)是非常困難的 ， 同時網(wǎng) 絡 中傳感 器 節(jié)點必須 一直“監(jiān) 聽 ”網(wǎng) 絡 中某些路 徑上 的 信 息和 變化， 以 有效地傳 遞數(shù) 據(jù) ， 這些從另一方面增加了網(wǎng) 絡 的 能量 損耗 ， 減少了網(wǎng) 絡 壽命?；?合網(wǎng) 拓撲結(jié)構(圖 5(c)力求兼具星狀網(wǎng) 的 簡 潔以 及網(wǎng) 狀網(wǎng) 的 多 跳傳 輸和 自愈性等優(yōu)點。 其中分層 式的 網(wǎng) 絡 結(jié)構屬于混

24、合網(wǎng) 中較為 典型的 一種， 尤其適合節(jié)點數(shù) 量眾多 的 無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡 應 用 。 在分層 網(wǎng) 中， 整 個傳 感 器 網(wǎng) 絡 形成 分層 結(jié)構。 相 鄰傳 感 器 通 過由 基站節(jié)點指定或者自組 織等 方法 形成 各個獨立的 簇， 每個簇選出簇首 節(jié)點， 每簇中所包含的 傳 感器 節(jié)點通 過簇首所安排的 機制 將所收集的 數(shù) 據(jù) 信 息傳 給簇首，然后由 簇首將所接收到 的 信 息進行融合， 再轉(zhuǎn) 發(fā)給基站節(jié)點。 這種分層 式網(wǎng) 絡 中， 傳 感 器 節(jié)點之間不是平等 的 。 這種方法 ， 既通 過簇首的 數(shù) 據(jù) 融合減少了信 息冗余度， 通 過多 跳減小了源節(jié)點的 發(fā)送功 率

25、， 減少了網(wǎng) 絡 的 能量消耗 ， 又可以 通 過 簇首的 控 制 減小網(wǎng) 絡 中大部分節(jié)點的 傳 輸范 圍， 增加帶寬復用 率， 同時使網(wǎng) 絡 節(jié)點不必一直保持“監(jiān) 聽 狀態(tài)”， 減少了網(wǎng) 絡 中路 由 和 數(shù) 據(jù) 處理 的 開銷，延長了網(wǎng) 絡 壽 命。 這種分層 簇結(jié)構拓撲協(xié) 議 盡管在傳 統(tǒng) AdHoc網(wǎng) 絡 中也有大量的 研究， 但是傳 統(tǒng) AdHoc網(wǎng) 絡 拓撲結(jié)構中的 分層 網(wǎng) 絡 協(xié) 議 并沒有考慮傳 感 器 網(wǎng) 絡 中節(jié)點數(shù) 量眾多 和 節(jié)點能量及計算 能力有限的 特 點，其協(xié) 議 不能直接利用 于無 線 傳 感 器 網(wǎng) 絡 中。 因此， 研究者在傳 統(tǒng) AdHoc網(wǎng)絡 協(xié) 議

26、 的 基礎上， 研究出了旨在針對傳 感 器 網(wǎng) 絡 中各種問 題的 網(wǎng) 絡 拓撲協(xié)議 ， 使得 拓撲協(xié)議 針對性和 實用性更強， 采 用 這種混合網(wǎng) 分層 拓 撲結(jié)構的 典型協(xié) 議 有低 功耗 自適應 分簇算法 (LEACH)、 傳 感 器 信 息系統(tǒng)中能量高 效的 數(shù) 據(jù) 收集(PEGAGIS)、 域值敏感 能量高 效傳 感 器 網(wǎng) 絡 協(xié) 議 (TEEN)8 9。綜 上 所述， 不同網(wǎng) 絡 拓撲結(jié)構的 選擇是根據(jù) 網(wǎng) 絡 中節(jié)點與基站的 相 對位置， 以 及網(wǎng) 絡中的 無 線 參數(shù) 的 不同而定的 。 當網(wǎng) 絡 中基站的 位置比 較靠近傳 感 器 節(jié)點， 甚至處于 傳 感 器 節(jié)點中間， 同時整 個網(wǎng) 絡 的 分布范 圍比 較小的 時候， 星形網(wǎng) 絡 有其相 應 的 優(yōu)勢， 而網(wǎng) 狀網(wǎng) 與混合式分層 網(wǎng)