ZigBee技术概述

ZigBee技术概述

1ZigBee技术简介 (1)

2 ZigBee结构 (2)

2.1物理层 (2)

2.2 MAC层 (4)

2.3 网络层 (6)

2.4 应用层 (7)

1ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低成本、低传输速率的具有统一技术标准的短距离无线通信技术，符合IEEE 802.5.4标准，主要适用于工业、家庭自动控制以及远程控制领域，目的是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制。

ZigBee技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层采用了IEEE 802.15.4(无线个人区域网)协议标准，并在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范由ZigBee联盟进行了制定。

根据IEEE 802.15.4协议标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数目不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段上，分为16个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学(ISM)频段，且该频段为免付款、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为250kbPs，另外两个频段为868/915MHz，其相应的信道数分别为10个信道和1个信道，传输速率分别为40kbPs和20kbPs。

在网络性能上，ZigBee设备可构造星型网络或者点对点网络，在每一个ZigBee组成的无线网络内，连续地址码分为16bit短地址或者64bit长地址，可容纳的最大网络设备个数分别为216个和264个，具有较大的网络容量。

在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入(CSMA/CA)方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证数据传输的可靠性，建立了完整的应答通信协议。

ZigBee设备为低功耗设备，其发射功率为0-3.6dBm，通信距离为30-70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可自动调整发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。

为保证ZigBee设备之间通信数据的安全保密性，ZigBee技术采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。ZigBee技术主要由以下优点：

1)低功耗：在低功耗待机模式下，两节普通的五号电池支持长达6个月到

2年左右的使用时间。

2)可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专

用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

3)成本低：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，且ZigBee协议免收

专利费，所以大大降低了成本。

4)时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的

时延都非常短。通常时延都在15-30ms之间。

5)网络容量大：可支持达65000个节点。

6)安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用

AES-128。

7)优良的网络拓扑能力：ZigBee设备具有无线网络自愈能力，ZigBee具有

星、树和网状网络结构的能力。

2 ZigBee结构

ZigBee标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其它的服务。所有的服务实体都通过服务接入点(SAP)为上层提供一个接口，每个SAP提供了一系列的基本服务指令来实现相应的功能。完整的Zigbee协议由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。如图1所示，网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。

图1 ZigBee协议结构框架

2.1物理层

物理层由射频收发单元以及底层的控制模块构成，主要定义了物理信道和MAC子层之间的接口，提供数据的无线收发和信道链路的管理。物理层具体的功能包括以下五个方面：

1）激活和休眠射频收发器；

2）检测接收数据包的链路质量指示(LQI)；

3）信道能量检测(ED)；

4）空闲信道评估(CCA)；

5）收发数据。

物理层提供了两种服务即是物理层数据服务和管理服务。物理层数据服务是通过PHY数据接入点(PD-SAP)，PHY管理服务是通过物理层管理服务接入点(PLME-SAP)实现的。图2为其结构模型。

图2物理层结构模型

ZigBee工作于2.4GHz，868MHz/915MHz ISM频段，都是基于直接序列扩频技术，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码长度和传输速率的不同。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。915MHz是美国的ISM频段，868MHz是欧洲的ISM频段，这两个频段的引入避免了 2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz的传输速度为20kb/s，9l5MHz的传输速度为40kb/s。由于这两个频段上的无线信号传播损耗比较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。

通常ZigBee不能同时兼容这3个工作频段，在选择ZigBee设备时，应根据当地无线管理委员会的规定，我国规定的ZigBee设备的使用频段是2.4GHz。

在868MHz和915MHz这两个频段上，虽然数据的速率不同，但是信号处理过程相同。2.4G物理层调制过程，首先将PPDU的二进制数据中每4位转换

为一个数据符号，然后将每个符号转化成长度为32位的片序列。数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相键控技术(O-QPSK)调制。对偶数序列码片进行相同调制，对奇数序列码片进行正交调制。

如图3给出的物理层数据包的格式。ZigBee物理层数据包有同步包头、物理层包头和物理层净荷3部分组成。同步包头由前同步码和数据包定界符组成，用于获取符号同步、扩频码同步和帧同步，也有助于粗略的频率调整；物理层包头指示净荷部分的长度；物理层净荷部分含有MAC层数据包，净荷部分的最大长度是127字节。如果数据包的长度类型为5字节或者大于8字节，那么物理层服务数据单元携带的MAC层的帧信息，即MAC层协议数据单元。

图3 物理层数据包格式

2.2 MAC层

MAC子层提供两种服务：数据服务和管理服务(MLME)。数据服务保证MAC 协议数据单元在物理层数据服务中正确的收发，后者维护一个存储MAC子层协议相关信息的数据库。其结构和接口如图4所示。

图4 MAC层的参考模型

MCPS实现MAC层的一般概念功能，包括帧的封装、解封装；执行CSMA-CA 算法；共享物理信道。MLME：MAC层管理实体，处理除数据原语之外的所有管理原语，以实现标准规定的MAC层功能，如超帧管理(Superframe)、信标帧