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ZigBee无线传输技术综述

作者:时间:2011-09-13来源:网络收藏

摘要:是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的网络协议采用IEEE802.15.4标准的物理层和链路层,并在其上增加了网络层,安全模块和应用支持子层模块,从而实现了大区域网络覆盖。由于其在低功耗、低复杂度、自组织等方面的优势,逐渐成为传感器网络的首选通信协议。
关键词:ZigBee;ZigBee协议;路由算法;ZigBee应用

0 引言
ZigBee的基础是IEEES02.15.4,这是IEEE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:2.4 GHz(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,ZigBee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。2.4 GHz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)速率更低:ZigBee的低功率导致了低速率,其原始数据吞吐速率在2.4 GHz(10channels)频段为250kbps,在915 MHz(6cha-nnels)频段为40 kbps,在868MHz(1channel)频段为20kbps。距离为10~20m。

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、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)。
IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,分别是2.4 GHz和868/915 MHz物理层。2.4 GHz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 kbps。
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IEEES02.15.4MAC子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。


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