ZigBee技术

概述
“ZigBee”是什么?从字面上猜像是一种蜜蜂。因为“ZigBee”这个词由“Zig”和“Bee”两部分组成，“Zig”取自英文单词“zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳着“之”字形舞的蜜蜂。不过，ZigBee并非是一种蜜蜂，事实上，它与蓝牙类似是一种新兴的短距离无线通信技术，国内也有人翻译成“紫蜂”。下面就让我们一起进入这只蜜蜂的世界，与蜂共舞吧!

这只蜜蜂的来头还是要从它的历史开始说起，早在上世纪末，就已经有人在考虑发展一种新的通信技术，用于传感控制应用(sensorandcontrol)，这个想法后来在IEEE802.15工作组当中提出来，于是就成立了TG4工作组，并且制定了规范IEEE802.15.4。但是IEEE802的规范只专注于底层，要达到产品的互操作和兼容，还需要定义高层的规范，于是2002年ZigBeeAlliance成立，正式有了“ZigBee”这个名词。两年之后，ZigBee的第一个规范ZigBeeV1.0诞生，但这个规范推出的比较仓促，存在一些错误，并不实用。此后ZigBeeAlliance又经过两年的努力，推出了新的规范ZigBee2006，这是一个比较完善的规范。据联盟最新的消息，今年年底将会发布更新版本的规范ZigBee2007，这个版本增加了一些新的特性。

从ZigBee的发展历史可以看到，它和IEEE802.15.4有着密切的关系，事实上ZigBee的底层技术就是基于IEEE802.15.4的，因此有一种说法认为ZigBee和IEEE802.15.4是同一个东西，或者说“ZigBee”只是IEEE802.15.4的名字而已，其实这是一种误解。实际上ZigBee和IEEE802.15.4的关系，有点类似于WiMAX和IEEE802.16，Wi-Fi和IEEE802.11，Bluetooth和IEEE802.15.1。“ZigBee”可以看作是一个商标，也可以看作是一种技术，当把它看作一种技术的时候，它表示一种高层的技术，而物理层和MAC层直接引用IEEE802.15.4。事物是不断的发展变化的，尤其是通信技术，可以想象将来的ZigBee可能不会使用IEEE802.15.4定义的底层，就跟蓝牙(Bluetooth)宣布下一代底层采用UWB技术一样，但是“ZigBee”这个商标以及高层的技术还会继续保留。

ZigBee协议栈速读
我们无法预料将来ZigBee会基于怎样的底层技术，只好从它现在的底层――IEEE802.15.4开始了解，IEEE802.15.4包括物理层和MAC层两部分。ZigBee工作在三种频带上，分别是用于欧洲的868MHz频带，用于美国的915MHz频带，以及全球通用的2.4GHz频带，但这三个频带的物理层并不相同，它们各自的信道带宽分别是0.6MHz,2MHz和5MHz，分别有1个，10个和16个信道。不同频带的扩频和调制方式也有所区别，虽然都使用了直接序列扩频(DSSS)的方式，但从比特到码片的变换方式有比较大的差别;调制方面都使用了调相技术，但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK，而2.4GHz频段采用的是OQPSK。我们可以以2.4GHz频段为例看看发射机基带部分的框图(如图1)，可以看到物理层部分非常简单，而IEEE802.15.4芯片的低价格正是得益于底层的简单性。可能我们会担心它的性能，但我们可以再看看它和Bluetooth/IEEE802.15.1以及WiFi/IEEE802.11的性能比较(如图2)，在同样比特信噪比的情况下，IEEE802.15.4要优于其他两者。直接序列扩频技术具有一定的抗干扰效果，同时在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术。在发射功率为0dBm的情况下，Bluetooth通常能有10m作用范围，而基于IEEE802.15.4的ZigBee在室内通常能达到30~50m作用距离，在室外如果障碍物较少，甚至可以达到100m作用距离;同时调相技术的误码性能要优于调频和调幅技术。因此综合起来，IEEE802.15.4具有性能比较好的物理层。另一方面，我们可以看到IEEE802.15.4的数据速率并不高，对于2.4GHz频段只有250kb/s，而868MHz频段只有20kb/s，915MHz频段只有40kb/s。因此我们完全可以把它归为低速率的短距离无线通信技术。


图1IEEE802。15.4物理层2.4GHz频段发射机基带框图


图2几种无线通信技术性能比较

物理层的上面是MAC层，它的核心是信道接入技术，包括时分复用GTS技术和随机接入信道技术CSMA/CA。不过ZigBee实际上并没有对时分复用GTS技术进行相关的支持，因此我们可以暂不考虑它，而专注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE802.15.4的网络所有节点都工作在同一个信道上，因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMA/CA的技术，简单来说，就是节点在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲则可以发送数据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时间，然后再进行监听，这个退避的时间是指数增长的，但有一个最大值，即如果上一