ZigBee 在单兵作战系统中的应用

ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术,他是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。他此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术,主要用于近距离无线连接。ZigBee 的网络标准由IEEE802. 15 工作组负责制定,ZigBee 是IEEE 802. 15. 4 标准在商业推广上的名称。802. 15. 4 标准的适用范围非常贴近生产和生活,对数据速率和QoS 的要求不高,目标市场是工业,家庭以及医疗等需要低功耗低成本以及大面积使用无线监控设备的领域。其基本技术参数如表1 所示。

表1 　ZigBee 基本技术参数
工作频率 2. 4 GHz ISM 868 MHz 915 MHz
传输速率 250 kb/ s 20 kb/ s 40 kb/ s
信道数量 16 1 10
覆盖范围 10～75 m
扩频方式 直接序列扩频
接入方式 CSMA/ CA
调制方式 BPSK/ O QPSK
纠错方式 CRC ,ARQ
安全机制 分级安全控制以及MAC 和NWK ,AES
业务类型 分组交换
功率消耗 极低
状态模式 激活/ 休眠
网络结构 星型网/ 网状网/ 对等网
网络容量 256 个终端　最多可达65 536 个
协议堆栈 28 kB
响应时间 15～30 ms

1 　单兵作战系统
单兵综合作战系统是以单兵为基本单元,人机环境统筹考虑,应用多种先进技术的高技术士兵装备系统,他使士兵、武器、装备间形成了一个有机的整体,从而全面增强单兵的火力、机动、通信、观瞄和防护能力,使每一个士兵都成为有效的火力攻击单位,既能独立作战,又能协调行动,全面提高单兵作战效能,使士兵有条件在未来信息化战场上赢得优势。
单兵综合作战系统一般分为5 个子系统: 武器子系统、通讯子系统、观瞄子系统、生命子系统、防护子系统。
(1) 武器子系统　
必须做到系统重量轻、持续作战能力强、能对付多种目标,可安装一系列的附件,如光学瞄具、激光瞄具、激光测距仪等。
(2) 通讯装备子系统　
主要是提高单兵的全天候作战能力及单兵之间、分队之间、单兵与后方指挥员之间的联系及情报交换能力。他包括分队内部成员之间短距离通信设备以及分队与后方指挥员之间长距离通信设备。
(3) 观瞄子系统　
主要为士兵提供观察敌情,瞄准射击的装备。他主要由夜视、夜瞄以及长距离瞄准装置组成,并为消除带头盔后给士兵瞄准带来的不方便,可设计武器瞄准具与头盔正前方的显示屏相连,士兵平视就能实施瞄准及观察。
(4) 生命子系统　
主要是利用各种传感器对士兵各种生命体征以及周围环境数据进行采集分析,由单兵穿戴式计算机对传感器的监测结果进行分析,得出一个数值代码并将其发送到后方指挥部,指挥员就可判断出前线作战士兵的生理状态:是否受伤,伤情如何;是否处于疲劳、寒冷、疾病、恐惧等不良状态等。这对伤病员的及时救护、给养的供应提供了客观依据,并使指挥员对部队的战斗力有一个准确的判断。ZigBee 短距离、低成本、低功耗、易实现的特点非常适合作为生命子系统的组成部件。
(5) 防护子系统　
主要采用各种新材料以达到防袭击、防激光致盲、防噪声及防水、防潮和防寒等全环境防护能力,他包括多功能头盔和防护服。

2 　ZigBee 在生命子系统中的应用
ZigBee 在生命子系统中的应用工作流程如图1 所示。

2. 1 　工作原理
在一个单兵小分队中,每个分队成员佩戴一个ZigBee生物传感器节点,他是集ZigBee 无线网络模块与生物传感器模块为一体的,可以对士兵生命体征诸如脉搏、血压、呼吸、体温等进行数据采集,并通过ZigBee 方式无线传输至主协调器。他主要由脉搏传感器、温度传感器、状态传感器、模拟信号放大器、A/ D 转换器、电平比较器、信号存储器和ZigBee 无线收发器及相关软件组成。位于小分队中心位置的成员身上携带有ZigBee 主协调器。主协调器的主要功能是为建立和启动网络这一过程设置参数,其中包括选择一个射频信道、惟一的网络标识符以及一系列操作参数。每个ZigBee 网络都必须包括一台主协调器,在本应用中,由于小分队成员的活动范围非常接近,所以无需中继设备,可以直接将终端无线接入主协调器。
网络中的所有设备都拥有一个64 位的IEEE 地址,也可以使用16 位短地址来减少数据包大小,这样只要记录下终端地址就可以很容易确定士兵身份。路由选择在默认时使用树形路由选择,即在做路由选择策略时利用树形结构选址。有了树形路由选择,设备不必保存占用庞大内存的路由表或进行任何额外的空中下载技术(over the air) 操作来发现路径,因此最小化了网络流量,同时简化了设备结构,降低了成本和设备功耗,适合在军事上大面积装备。主协调器通过接口模块与单兵穿戴式计算机相联,接口模块的主要作用是完成数据格式的转换,去除各种干扰,以便让计算机能识别处理生物传感器收集来的各种参数。穿戴式计算机内部软件要具备3 种功能:ZigBee 网络控制功能、数据分析处理转换功能、卫星通信设备管理功能。
ZigBee 网络控制主要包括系统启动关闭、终端地址分配、差错控制、各种参数设定等。数据分析处理转换主要是将终端收集来的各种参数进行波形分析、频率分析、数据统计等,得出士兵所处状态结论,将之转换成特殊编码格式,加载到卫星上传回后方指挥中心。
卫星通信设备管理功能包括系统启动与否、接口控制、数据格式选择等。
单兵卫星系统由轻型便携式无线电台加卫星天线组成。电台用金属包装,经久耐用,能够抗得住野战暴露或在机动部队使用时所处的恶劣环境。背负式电台易于携带,包括天线和电池组在内仅十几kg ,体积不到0102 m3 ,可以在任何天气条件下使用。
2. 2 　系统安全性可靠性
本应用中的安全可靠性分为3 步分:ZigBee传输的安全可靠性,穿戴式计算机数据处理的安全可靠性,卫星传输的安全可靠性。其中后两方面在其他文献中已有大量论述,本文不再讨论。
ZigBee 采用了分级的安全性策略:无安全性、接入控制表、32 b AES 和128 b AES。如果对系统安全性要求不高,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,在安全性要求较高时,可以选择较高的安全级别。由于本例应用于军事领域,所以应采用较高的安全级别。
ZigBee 分别在MAC 层和网络层采取了安全策略。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。
MAC 层安全套件基于以下3 种操作模式:计数器模式的AES 加密、密码块链接模式的数据完整性、二者相结合的加密和完整性(CCM 模式) 。MAC 层的AES 加密算法可以保护MAC 命令、信标、信息帧和应答帧的秘密性、完整性和真实性。MAC 帧的头部有一个比特用来指示MAC 帧是否加密。每一个密钥只与一个安全套件相关联。为了保证数据完整性,MAC 层计算头部和净荷数据得到一个消息完整码,其长度为4 ,8 或16 B。同时,在每个MAC 帧头也都有一个帧编号,用于防止帧丢失和帧重传。密钥的建立、安全操作模式的选择和对处理过程的控制则由高层来负责。
网络层也使用AES ,他的安全套件是基于CCM 3 操作模式。CCM 3 包括所有CCM 的功能,同时提供只加密和只保证完整性的功能。使用CCM 3 允许单个密钥用于不同的安全套件。因此一个密钥并不只属于单个安全套件,一个高层应用可以灵活地指定网络层所用的安全套件。网络层负责安全处理,但对处理过程的控制则由高层通过建立密钥和决定使用哪一种CCM 3 安全套件来实现。此外,帧序号和消息完整码也可以加在网络层帧中。
ZigBee 的信道接入方式采用CSMA/ CA(载波侦听多址/ 冲突避免) ,能有效地减少帧的冲突。为抗干扰和多径衰落,ZigBee 在物理层采用直接序列扩频和频率捷变FA技术。为了保证帧的正确传输,ZigBee 在MAC 层采用了两个措施:自动请求重传ARQ 和帧缓存。当一帧传给一个设备时,如果接受设备处于忙或者休眠状态而不能接收该帧,那么网络的主协调设备就暂时缓存该帧,直到收端能接收该帧。在网络层,ZigBee 支持网状网,存在冗余路由,保证了网络的健壮性。