淺析ZigBee無線通信技術(shù)

寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 王中意 朱小波 車 進(jìn)

淺析ZigBee無線通信技術(shù)

寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院 王中意 朱小波 車 進(jìn)

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(jiǎn)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(luò)拓?fù)?/p>

1 引言

ZigBee技術(shù)作為一種無線通信技術(shù),常應(yīng)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(shè)備之間.它能夠在數(shù)以千計(jì)的微小傳感器之間通過獨(dú)有的無線電標(biāo)準(zhǔn)實(shí)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(dòng)化等領(lǐng)域,可取代計(jì)算機(jī)外設(shè)和各種數(shù)字設(shè)備間的電纜,更主要的是可以實(shí)現(xiàn)各種不同數(shù)字設(shè)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(biāo)準(zhǔn)于2003年5月制定完成,它滿足國際標(biāo)準(zhǔn)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(luò)相比IEEE 802.15.4協(xié)議,優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在:強(qiáng)大的組網(wǎng)能力,廣闊的適應(yīng)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(yīng)用層、會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)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(gè)信道提供250kbit/s的傳輸數(shù)率、在915MHz頻段上有10個(gè)信道提供40kbit/s的傳輸數(shù)率、在868MHz頻段上有1個(gè)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(dǎo)致工作頻率、擴(kuò)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?yàn)檎{(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(shí)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(yuǎn)的通信距離,即可用較少的設(shè)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(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems,DSSS)技術(shù),直接序列擴(kuò)頻是用待傳輸?shù)脑夹盘?hào)與偽碼發(fā)生器產(chǎn)生的高速率的偽隨機(jī)碼波形相乘,然后去控制射頻信號(hào)的某個(gè)關(guān)鍵參量,從而能夠擴(kuò)展傳輸信號(hào)的帶寬達(dá)到擴(kuò)頻;這個(gè)過程產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列用來擴(kuò)展頻譜被稱為擴(kuò)頻碼序列.其簡(jiǎn)化方框圖如圖3所示.

在發(fā)射信號(hào)端,待傳輸?shù)脑夹盘?hào)與偽隨機(jī)碼波形或擴(kuò)頻碼波形相乘(或與擴(kuò)頻碼序列模2加),在乘法器中所形成的復(fù)合碼信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制,然后由發(fā)射機(jī)的天線發(fā)射出去.在接收信號(hào)端,同時(shí)要產(chǎn)生一個(gè)和信號(hào)發(fā)送端中的擴(kuò)頻碼同步的本地偽隨機(jī)碼(擴(kuò)頻碼),對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理,將解擴(kuò)后的信號(hào)送到解調(diào)器進(jìn)行解調(diào),從而恢復(fù)出傳送的原始信號(hào).

所以擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗多徑、抗窄帶、抗人為干擾的優(yōu)秀能力,同時(shí)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(jiǎn)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(duì)于媒介接入控制子層(MAC),實(shí)現(xiàn)的主要功能包括:網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)的產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)信標(biāo)同步;建立和斷開個(gè)域網(wǎng)(PAN)鏈路;提供并支持設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)機(jī)制;CSMA/CA機(jī)制就是在信號(hào)傳輸之前,先檢查信道是否有信號(hào)傳輸,如果信道沒有信號(hào)傳輸,就開始進(jìn)行信號(hào)傳輸,如果信號(hào)產(chǎn)生碰撞,就會(huì)在稍后一段時(shí)間重新傳送.MAC子層主要功能還包括時(shí)隙(GTS)機(jī)制的處理、維護(hù)并保護(hù),以及為處在對(duì)等網(wǎng)的兩個(gè)MAC實(shí)體之間提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的通信傳輸鏈路[3].

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.4 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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

ZigBee可以通過以上功能構(gòu)建一個(gè)龐大的由無線傳輸模塊(全功能設(shè)備、全功能設(shè)備、精簡(jiǎn)功能設(shè)備)組組成的無線傳輸網(wǎng)絡(luò),類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò)類型.在這個(gè)龐大的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)個(gè)ZigBee無線傳輸模塊就相當(dāng)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)個(gè)基站,在這個(gè)龐大的傳輸網(wǎng)絡(luò)中它們可以實(shí)現(xiàn)相互通信,該ZigBee網(wǎng)絡(luò)也能同時(shí)與現(xiàn)有的其他網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接并通信.ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)可以拓展延伸現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),去連接覆蓋現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋到達(dá)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(bǔ)丁"[4-6].

3 結(jié)束語

ZigBee技術(shù)是一種協(xié)議結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)設(shè)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(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)無線連接和組網(wǎng).IPv6擁有數(shù)量巨大的網(wǎng)絡(luò)地址空間,足夠?yàn)槊恳粋€(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的通信網(wǎng)絡(luò)地址,并能同時(shí)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(gè)強(qiáng)勁的發(fā)展趨勢(shì).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(yùn)用價(jià)值,在未來工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等不同領(lǐng)域?qū)?huì)存在各種各樣的ZigBee產(chǎn)品.我們可以預(yù)見,ZigBee產(chǎn)品及應(yīng)用將以不同的方式走進(jìn)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(yīng)用[J].低壓電器,2005(7):28-29.

[3]賴聯(lián)有.ZigBee協(xié)議分析及其實(shí)現(xiàn)[J].齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào),2010(1):47.

[4]王曉鳴.ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介[C].中國通信學(xué)會(huì)"移動(dòng)增值業(yè)務(wù)與應(yīng)用"學(xué)術(shù)年會(huì).

[5]丁飛.基于ZigBee的無線通信技術(shù)及其應(yīng)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(yīng)用[J].信息與電腦,2010.

注:本文獲寧夏大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào):GIP2017012).