zigbee技术应用(二):技术知识分析篇

工作在工业科学医疗(ISM)频段，定义了两个物理层，即2.4 GHz频段和868/915MHz 频段物理层，而868MHz 和915 MHz 的ISM 频段分别只在欧洲和北美有，所以其主要工作于全球范围内免许可证的2.4 GHz 的ISM 频段。必然会与工作在该频段的Wi-Fi 产生相互干扰。

　　Zigbee 的底层标准把2.4 GHz 的ISM频段划分为16 个信道，每个信道带宽为2 MHz，如图1 所示。Wi-Fi 将该频段划分为11 个直扩信道，系统可选定其中任一信道进行通信，信道带宽为22 MHz，所以11 个信道有重叠，无重叠的信道最多只有3 个，如图2 和图3 所示。显而易见，假定Wi-Fi 系统工作在任一信道，则Zigbee 和其信道频率重叠的概率为1/4.当Zigbee 和Wi-Fi 同时使用相同频段通信时，产生带内有色噪声干扰，导致传输分组冲突。

　　 Zigbee 对Wi-Fi 的干扰分析

　　本节将分析在频偏为零的同信道条件下Zigbee 对Wi-Fi的干扰。假设一室内环境下的Zigbee 和Wi-Fi 设备节点如图4 分布。每个Zigbee 节点呈独立一致性均匀分布，其处于活动状态的概率为P[A ]，分布密度为D.假设有个Zigbee 节点会产生对STA 有效的干扰，则分组冲突概率P[C]为m2：

　　本文室内路径损耗选用对数距离模型：

　　其中：n- - 依赖于周围环境，Xo- - 零均值的高斯分布随机变量，d0- - 近地参考距离。

　　根据文献[5]和[6]，对于一个半径为R 的覆盖区，假设STA的SIR 的阈值为γ (如果Zigbee 节点要对STA 产生有效的干扰，使其SIR 必须小于γ )，则有效干扰区域的百分比为U(γ )(即对于STA的SIR低于γ的区域百分比)，如果在半径范围内导致SIR低于阈值的概率为P[SIR《γ] ，则：

　　则对数正态分布变量SIR 的均值为：

　　其方差为δ。

　　针对上述模型做定性分析，由于Zigbee 底层协议IEEE802.15.4 中有着特殊的睡眠机制，节点处于活动状态的概率一般小于1 %[4]，γ可取为10dBm[7]，AP 和Zigbee 的传输功率分别为14 dBm 和0 dBm。

　　根据文献[6]，分组出错率的期望E[PER]=P[C] ，分组冲突概率越大，相应的分组出错率也越大。从图5 可以看出，随AP和STA 的距离d以及δ的增大，系统的性能越差。

　　2、ZigBee和蓝牙分析与比较详解

　　蓝牙也是一种短距离无线通信技术，自蓝牙规范发布以采，它在越来越多的领域得到了应用。比如工业自动控制、家庭自动化、电信级的音频传输、PDA、手机和PC机外设等。

　　在ZigBee和蓝牙的关系上，ZigBee联盟认为ZigBee和蓝牙是互为补充，而不是互相竞争。本文将围绕技术和市场两个方面来分析ZigBee和蓝牙这两种短距离无线通信技术，证明蓝牙将在某些应用方面面临ZigBee技术的竞争。最后，对ZigBee和蓝牙的应用和发展提出了建议。

　　系统复杂性

　　ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性。这可以从它们的协议栈的参考模型(图1)中看出。ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb;蓝牙协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250Kb。ZigBee定义了两种

　　类型的设备：全功能设备FFD(Ful Functional Device)和简化功能设备RFD(Reduced Function Device)。网络为主从结构， 一个网络有一个网络协调者(Coordinator)和最多可达65535个从属设备。网络协调者必须是FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。

　　安全性

　　ZigBee采用了分级的安全性策略：无安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果系统是用于安全性要求不高的场景，可以选择级别较低的安全措施，从而换取系统成本和功耗的降低;反之，在安全性要求较高的应用场景(如军事)，可以选择较高的安全级别。这样，

　　厂商可以综合考虑功耗、系统处理能力、成本和应用环境等方面因素而采取适当的安全级别。ZlgBee分别在MAC层和NWK层采取了安全策略。在数据经过一跳就到达目的地时，ZigBee只用MAC层提供的安全机制;当在多跳的情况下，ZigBee就要依赖高层来保证安全。下面分述MAC层和NWK层的安全性。

MAC层安全套件(Security Suites)基于以下三种操作模式：计数器(CTR，Counter)模式的AES加密、密码块链接模式(CBC-MAC，CiPher Block Chaining)的数据完整性、