淺析ZigBee無線通信技術

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

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,具有的特征體現在:傳輸距離短、速率低、功耗低以及成本低;它基于IEEE 802.15.4的無線通信協議;主要用于近距離無線連接.本文簡述了ZigBee無線通信技術.

ZigBee技術;無線通信;DSSS;可靠性;網絡拓撲

1 引言

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

2 ZigBee技術

2.1 ZigBee協議結構

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)開放系統互連(OSI)參考模型,主要包括物理層、數據鏈路層.與其他不同無線網絡相比IEEE 802.15.4協議,優點體現在:強大的組網能力,廣闊的適應面,良好的節能性以及高可靠性[1].ZigBee的協議結構由應用層、會聚層、網絡層、數據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的傳輸數率、在915MHz頻段上有10個信道提供40kbit/s的傳輸數率、在868MHz頻段上有1個信道提供20kbit/s的傳輸速率;這主要是由于調制技術的不同,導致工作頻率、擴頻碼片長度和傳輸速率的不同.并且都采用了調相技術,因為調相技術的誤碼性能要優于調頻和調幅技術,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域.其調制過程如圖2所示.

圖1 ZigBee協議棧

圖2 調制過程

在物理層都基于直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems,DSSS)技術,直接序列擴頻是用待傳輸的原始信號與偽碼發生器產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.

在發射信號端,待傳輸的原始信號與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制,然后由發射機的天線發射出去.在接收信號端,同時要產生一個和信號發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器進行解調,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.從而保證了ZigBee數據傳輸的可靠.

圖3 DSSS通信系統簡化圖

2.3 數據鏈路層

數據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協議的邏輯鏈路控制子層與IEEE802.2協議的相同;邏輯鏈路控制層的功能包括:保障可靠性傳輸、數據包分段與重組以及數據包的順序傳輸.對于媒介接入控制子層(MAC),實現的主要功能包括:網絡信標的產生,實現信標同步;建立和斷開個域網(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,以及為處在對等網的兩個MAC實體之間提供一個穩定可靠的通信傳輸鏈路[3].

圖4 ZigBee網絡拓撲

2.4 ZigBee的網絡拓撲結構

在網絡層方面,ZigBee支持3種通信設備的網絡拓撲(如圖4所示),即Star、Mesh和Cluster Tree.依據不同角色的節點,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.全功能設備的節點擁有控制器(Controller)的功能,為數據交換提供可能,并同時具有數據轉發和路由的功能;然而精簡功能設備只能傳送數據給全功能設備或者從全功能設備接收數據,精簡功能設備沒有轉發和路由的功能.對于ZigBee網絡的PAN協調點起到和外部系統連接的作用,它有權建立網絡、執行任何可能需要的管理網絡的任務和路由功能.

ZigBee可以通過以上功能構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絡,類似于移動網絡的GSM和CDMA網絡類型.在這個龐大的無線傳輸網絡中一個個ZigBee無線傳輸模塊就相當于移動網絡中的一個個基站,在這個龐大的傳輸網絡中它們可以實現相互通信,該ZigBee網絡也能同時與現有的其他網絡實現連接并通信.ZigBee無線傳輸網絡可以拓展延伸現有網絡,去連接覆蓋現有網絡無法覆蓋到達的地區,ZigBee無線技術被看作是其他無線通信技術的"補丁"[4-6].

3 結束語

ZigBee技術是一種協議結構相對簡單、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,它能在低速率和低電能的實際應用中實現無線連接和組網.IPv6擁有數量巨大的網絡地址空間,足夠為每一個ZigBee節點分配一個唯一的通信網絡地址,并能同時保障通信的安全和提供優良的QoS.IPv6和ZigBee的結合有一個強勁的發展趨勢.它已經在智能家居、智慧農業,智能物聯網等諸多方面體現出了重要的運用價值,在未來工業、農業、醫療等不同領域將會存在各種各樣的ZigBee產品.我們可以預見,ZigBee產品及應用將以不同的方式走進我們,成為我們生產生活的重要部分.

[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技術及其應用[J].低壓電器,2005(7):28-29.

[3]賴聯有.ZigBee協議分析及其實現[J].齊齊哈爾大學學報,2010(1):47.

[4]王曉鳴.ZigBee技術簡介[C].中國通信學會"移動增值業務與應用"學術年會.

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

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

注:本文獲寧夏大學研究生創新項目資助(項目編號:GIP2017012).