ZigBee系统结构与射频性能分析及其射频测试方法

ZigBee技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术。其命名来自于人们对蜜蜂采蜜过程中跳"Z"字舞的观察。蜜蜂体积小，所需能量小，又能传送采集的花粉，因此 人们用ZigBee 代表成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。本文对ZigBee 网络的结构进行了介绍，对ZigBee射频性能进行了分析，并对ZigBee射频测试的方法进行了讨论。

1 引言

ZigBee作为将对21 世纪产生巨大影响的新技术之一，与传统网络相比，无线传感器网络是一种以数据为中心的自组织无线网络，具有可快速临时组网、网络拓扑结构可动态变化、抗毁 性强、无需架设网络基础设施等特点。基于这些特点，ZigBee 被广泛应用于军事、环境监测、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。环境监测是无线传 感器网络应用的一个方面，传感器网络在环境监测领域具有非常明显的优势，可以为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小的环境监测提供一个全新的手段。

ZigBee 技术以其低成本、低功耗、网络容量大、传输时延短和可靠性高等特点，在环境监测、智能家居、楼宇自动化、工业控制等领域得到广泛应用。

2 ZigBee技术特点及其网络结构

（1）ZigBee的技术特点

●低功耗：由于ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee 设备非常省电。据估算，ZigBee 设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达2 年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

●成本低：ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右，估计很快就能降到1.5~2.5 美元，并且ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

●时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此，ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

●网络容量大：一个星型结构的ZigBee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活。

●可靠：采取了碰撞避免策略(CSMA-CA)，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

●安全：ZigBee 提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128 的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

（2）ZigBee网络中的设备和网络拓扑结构

按设备的功能强弱划分为全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。

●全功能设备有更多的存储器、计算能力，具有全部802.15.4 功能和所有特性。有控制器的功能，可提供信息双向传输。

●精简功能设备仅附带有限的功能来控制成本和复杂性，只作为终端设备使用，使用小内存、小协议栈，实现简单。

按设备在网络中的作用划分为Zig-Bee 协调器、ZigBee 路由器和ZigBee 终端设备。

●ZigBee 协调器处于网络顶层，它总是处于工作状态，有稳定可靠的电源供给。包含所有的网络信息，是3 种设备中最复杂的一种，存储容量大、计算能力强。能发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息等。它们只能由FFD承担。

●ZigBee 路由器必须具备数据的存储和转发能力及路由发现能力。除完成应用任务外，还必须支持其子设备的连接、路由表的维护等。它们只能由FFD承担。

●ZigBee 终端设备结构和功能最简单，用电池供电，大部分时间处于睡眠状态，最大程度地节约电能，延长电池寿命。可以由FFD 承担，但主要还是由RFD承担。

IEEE 802.15.4/ZigBee 协议中明确定义了3 种拓扑结构，即星型结构(Star)、簇树结构(ClusterTree)和网状结构(Mesh)，具体参见图1。

图1 几种基本的网络模型

在星状拓扑中，网络由一个协调器控制。协调器要负责初始化并维护网络以及网络中的所有其他设备，这些设备均作为终端设备直接与协调器通信。在Mesh 或簇树网络中，协调器负责启动网络并设置某些关键参数，但是网络可以通过路由器进行扩展。在簇树网络中，路由器采用分级路由策略传送数据和控制信息。树状 网络通常使用基于信标的通信模式。Mesh网络允许完全的点对点通信，在Mesh 网络中路由器不会发送常规IEEE802.15.4 信标。

3 ZigBee射频测试主要内容及分析

ZigBee的测试规范主要依据IEEE 802.15.4 标准对整机性能进行测试。整机性能测试包括发射机和接收