ZigBee无线传输技术综述

　　0 引言

　　ZigBee的基础是IEEES02．15．4，这是IEEE无线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：2．4GHz(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。2．4GHz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)传输速率更低：ZigBee的低功率导致了低传输速率，其原始数据吞吐速率在2．4GHz(10channels)频段为250kbps，在915MHz(6cha-nnels)频段为40 kbps，在868MHz(1channel)频段为20kbps。传输距离为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2．4GHz和868／915MHz物理层。2．4GHz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