融合ZigBee无线技术的GPRS网络及应用

目前中移动正在大规模运营GPRS 和EGPRS 网络，基于移动梦网模式的数据业务也得到快速发展。

随着向3G 的演进和过渡，无线网络带宽增大，企业用户对于高速数据应用的需求会不断增长，不断变化的需求和应用将会引生更多新的市场机会。

面临如此巨大的市场机会，作为移动通信运营商，需要及时深入开发行业应用，提升行业应用的业务和管理水平。

短距离无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点。

由于各种行业应用，如工业自动化、居家智能化、医疗监护、仓储管理、安防系统等都迫切需要一种具备低成本、近距离、低功耗、组网能力强等优点的无线互联标准，在这样的背景下ZigBee 技术应运而生。

如果移动运营商能够利用ZigBee 无线技术，拓展基于GPRS 的行业应用，则必将带动数据业务的快速发展。

实际上，ZigBee 技术只有和传统的移动通信技术结合，才能更好地发挥自身的优势，建立明晰的商业模式和盈利可能。

本文从ZigBee 的技术特点出发，探讨了融合ZigBee 技术的GPRS 网络方案、传输协议栈以及典型应用。

一、引 言
二、ZigBee技术简介
ZigBee 由IEEE 802.15.4小组与ZigBee 联盟两个组织制订，是一种短距离、低速率的无线通信技术，可用于电子设备之间的低速率无线个域网（LR-WPAN ）和对等网状网络。

ZigBee 的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，又称“紫蜂”技术。

ZigBee 协议体系架构如图1所示，其中网络层以上由ZigBee 联盟制定，数据链路层（包括逻辑链路控制子层LLC 和介质访问控制子层MAC ）和物理层由IEEE802.15.4标准定义。

相对于以往的无线通信网络技术，ZigBee 具有如下特点：
●功耗低：在低功耗待机模式下，两节五号电池可支持长达6个月到2年左右的使用时间。

●数据传输速率低：只有10kbit/s-250kbit/s 。

图1 ZigBee协议架构
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融合ZigBee 无线技术的GPRS 网络及应用
□ 张晓晖
（中国移动通信集团上海有限公司，上海市 200134）
摘 要： 快速发展的ZigBee 技术催生了崭新的短距离无线通信应用，与此同时，中国移动正在大规模运营GPRS 和EGPRS 网络，基于移动梦网模式的数据业务也得到快速发展。

如果移动运营商能够利用ZigBee 无线技术，结合ZigBee 和GPRS 的各自特点，拓展基于GPRS 的行业应用，则必将带动数据业务的快速发展。

文章针对ZigBee 的特点，介绍了融合ZigBee 技术的GPRS 网络结构及协议栈，并探讨了其典型应用。

关键词： ZigBee GPRS 融合
●成本低：由于数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。

●时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。

●安全性高：提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用高级加密标准(AES －128)的算法。

●工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz 、868MHz （欧洲）及915MHz （美国），均为免执照频段。

1、ZigBee设备类型和组网特性
在ZigBee 网络中最基本的组成单元是设备，存在三种不同类型的设备：①网络协调器，负责网络的建立以及网络位置的分配；②全功能设备FFD ，主要负责寻找、建立以及修复信息包的路由路径，并负责转送信息包，具备路由功能；③简化功能设备RFD ，只能选择加入已经形成的网络，可以收发信息，但不能转发信息，不具备路由功能。

在ZigBee 网络中至少有一个FFD 作为网络协调器，一个FFD 可以同时和多个RFD 或多个其它的FFD 通信，而一个RFD 只能和一个FFD 进行通信。

ZigBee 网络至少由两
个设备构成，最多可有2^16个设备，彼此可通过多重跳点的方式传递信息，并支持3种网络结构，即星形结构（Star ）、网状结构（Mesh ）和丛树结构（Cluster Tree ），如图2所示：
三、融合ZigBee技术的GPRS网络方案及应用
2、融合ZigBee技术的GPRS网络方案
由于ZigBee 的有效覆盖范围仅为10～75米之间（具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定），基本上只能覆盖普通的家庭或办公室环境，而GPRS 的覆盖范围高，如果能将利用ZigBee 技术组建的个域网和GPRS 有机地结合起来，可以弥补ZigBee 覆盖范围
图2 ZigBee网络结构
Sta r
Me sh
Cluster Tree
FFD RFD
网络协调器
的不足的缺点。

GPRS 融合ZigBee 技术的体系结构如图3所示：
本方案中，ZigBee 与GPRS 的核心网络相连接，ZigBee 的数据业务在到达PDN （Packet Date Network ，分组数据网络）前，先经过Gb 连接到GPRS 核心网络。

这时，ZigBee 网络协调器可以看作GPRS 网络的一个MS ，其数据传输平面协议栈如图4所示：
图4 融合ZigBee技术的GPRS网络传输平面协议栈
　可见ZigBee 主协调器需要支持两种无线子系统来传输信令和用户数据：第一个使用GPRS 的RLC 、MAC 和物理层，第二个使用802.15.4的MAC 和物理层。

这两种接入方
式提供了两种传输PDU （Packet Date Unit ，分组数据单元）的方法。

3、典型应用－公交车运行监测系统
目前车辆进行定位主要通过GPS 系统，但由于GPS 系统成本较高，难于大面积推广，本文提出一种基于ZigBee 和GPRS 的车辆运行监测、管理系统，采用
ZigBee 技术对移动目标进行实时定位，利用GPRS 移动通信网络进行实时数据传输，结合ZigBee 和GPRS 网络技术各自的特点，实现了公交车到离站时间的监测和准确报站问题，系统结构如图5所示：
在这个系统中，每一台公交车上的无线识别器就是个ZigBee 设备，每一个站台上的监控器则是ZigBee 网络
图3 融合ZigBee技术的GPRS网络体系结构
PDN
Gi Gn GGSN SGSN
Gb
ZigBee 网络
BSS SGSN
ZigBe 网络协调器
通信与信息技术
2008年第6期(第176期)
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协调器，车载无线识别器和站台监控器形成一个ZigBee网络。

其中站台监控器包含ZigBee的网络协调器和GPRS模块，一方面它接收公交车上的无线识别器发送的信号，使得监控中心即可准确地掌握每辆公交车的运行情况；另一方面向无线识别器发送自己的标识号，公交车根据标识号获得站台信息以便准确报站。

系统实现流程如图6所示：
可以看出，站台监控器上电后首先分别进行ZigBee协议栈和GPRS模块的初始化工作，进行信道扫描及空闲信道评估，选择合适的工作信道和合适的网络标识符，启动ZigBee网络，等待ZigBee设备的连接请求，并完成GPRS attach过程。

●当公交车驶进站台后，站台监控器接收到车载无线识别器的连接请求，经过认证后，确认是合法的设备，便发出允许连接的命令，实现该设备与监控器的连
接。

连接建立后，站台监控器便获
得设备的标识号，并将标识号登
记。

随后通过GPRS向监控中心发出
“某车在何时到达本站”的信息。

●当公交车驶离站台后，随着
信号的减弱，便断开与站台监控器
的连接，同时向监控中心发出“某
车已驶离本站”的信息。

ZigBee技术在ZigBee联盟和
IEEE802.15.4的推动下，结合其他
无线技术，比如GPRS、EDGE、TDS-
CDMA，可以实现无所不在的网络应
用。

它不仅在工业、农业、军事、
环境、医疗等传统领域具有巨大的
运用价值，未来其应用还可以涉及
到人类日常生活和社会生产活动的
所有领域。

由于各方面的制约，
ZigBee技术的大规模商业应用还有
四、总 结
参考文献
[1]IEEE802．15．4．Pan 15．4：Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR—WPANs), October,2003．
吕治安.ZigBee网络原理与应用开发.北京航空航天出版社, 2008．
[3]李皓.基于ZigBee的无线网络技术及应用信息技术.信息技术,2008(1):12-14．
[2]
作者简介：
张晓晖（1975—），男，工程师，硕士，主要从事GPRS、软交换、网络融合等方面的研究工作。

待时日，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更加广泛的应用。

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