甚低功耗无线通信技术zigbee

1、甚低 功 耗 无 线 通 信 技 术 ZigBee摘 要 ： ZigBee 技 术 作 为 无 线 传 感 器 网 络 的 主 要 支 撑 技 术 获 得 人 们 广 泛 的 关 注 。 完 整 的ZigBee 协 议 套 件 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 。 网 络 层 以 上 协 议 由 ZigBee 联 盟 制 订 ， 物 理 层 和 媒 体 访 问 控 制 (MAC)层 采 用 IEEE802.15.4 标 准 。IEEE802.15.4 物 理 层 简 单 采 用 比 特 到 符号映射技 术 、 符

2、号到 码片序列 转 换 技 术 、 偏 移 正 交 相 移 键 控 (OQPSK)调 制 技 术 ， 无 须 信 道 编 码等 复 杂 算 法 ； MAC 层 采 用 载 波 监 听 多 址冲突避免技 术 ， 支 持休眠模式。 整 个协 议 的 设计使得 ZigBee 技 术 具有数 据 传 输速率低 、 功 耗 低 、成 本低 等 特 点， 更加适合于工业监 控 系统、 传 感 器 网 络 、 家 庭监 控 系统、 安全系统等 应 用 。关 键 词： 无 线 传 感 器 网 络 ； ZigBee 技 术 ； IEEE 802.15.4 协 议 ； 物 理 层 ； 多 址 接入控 制基金项目：

3、 北京市自然科学基金项目(4062023)几 年来， 无 线 与移 动通 信 以 前所未有的 速度迅猛发展。 随着各种便携式个人 通 信 设备与家用 电器 设备的 增加， 人 们 享受蜂窝移 动通 信 系统带来的 便利的 同时， 对短距离 的 无 线 与移 动通 信 又提出了新的 需求， 使得 短距离无 线 通 信 异军突起， 包括无 线 局域网 、 蓝牙技 术 、 移 动 AdHoc网 、 超宽带(UWB)以 及 ZigBee 技 术 等 各种热点技 术 相 继出现， 均展现出各自巨大的 应 用 潜力。 其中， 低 速率、 低 功 耗 、 低 成 本的 ZigBee 技 术 作 为 无 线

4、传 感 器 网 络 的 主 要支 撑 技 术 获 得 广 泛 的 关 注 1 4。ZigBee 是 短距离通 信 的 一种新兴技 术 。 它使用 2.4 GHz波 段， 采 用 跳频技 术 。 与蓝牙相 比 ， ZigBee 更简 单 、 功 率及费用 也更低 ， 能够比 蓝牙更好地支 持游戏、 消费电子、 仪器和 家庭自动化应 用 。 人 们 期望能 在工业监 控 、 传 感 器 网 络 、 家庭监 控 、 安全系统和 玩具等领域拓展 ZigBee 的 应 用 5。ZigBee 的 技 术 特 点在于： 数 据 传 输速率低 ， 只有 10250 kb/s。 功 耗 低 。 在低 耗 电待机

5、模式下，两节普通 5 号干电池可使用 6个月到 2 年，免去了充电或者频繁更换 电池的 麻烦。成 本低 。 ZigBee 数 据 传 输速率低 ， 协 议 简 单 ， 且免收专利费， 所以 大大降低 了成 本。网 络 容量大。 每个 ZigBee 网 络 最多 可支 持 255*255 个设备。 时延短。 通 常时延为 1530 ms。 安全。 ZigBee 提供了数 据 完 整 性检查和 鉴权功 能， 采 用 先进加密标 准 128(AES 128)加密算 法 。 有效范 围小。 有效覆盖范 围 1075m， 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 能够覆盖

6、普通 的 家庭或办公室环境。 工作 频段灵活。使用 频段为 2.4 GHz、868 MHz(欧洲)及 915 MHz(美国)， 均为 免执照频段。1 ZigBee 协 议 1.1 ZigBee 协 议 框架ZigBee 协 议 栈由 一组 子层 构成 。 每层 为 其上 层 提供一组 特 定的 服务： 一个数 据 实体 提供数 据 传 输服务，一个管理 实体 提供全部其他服务。每个服务实体 通 过一个服务接入点(SAP)为 其上 层 提供服务接口， 并且每个 SAP 提供了一系列 的 基本服务指令来完 成 相 应 的 功 能。ZigBee 协 议 栈的 体 系结构6如图 1 所示。 它虽然是基

7、于标 准 的 七层 开放式系统互联(OSI)模型， 但仅对那些涉及 ZigBee 的 层 予以 定义。 IEEE802.15.4 2003标 准 7定义了最下面的 两层 ： 物 理 层 (PHY)和 介质接入控 制 子层 (MAC)。 ZigBee 联 盟 提供了网 络 层 和 应 用 层(APL)框架的 设计。 其中应 用 层 的 框架包括了应 用 支 持子层 (APS)、 ZigBee 设备对象(ZDO)和由 制 造商制 订 的 应 用 对象。相 比 于常见的 无 线 通 信 标 准 ， ZigBee 协 议 套 件 紧凑而简 单 ， 具体 实现的 要 求很低 。 以下是 ZigBee 协

8、 议 套 件 的 需求估计： 硬件 需要 8 位处理 器 ， 如 80c51； 软件 需要 32 kB 的 ROM，最小软件 需要 4kB 的 ROM； 网 络 主 节点需要 更多 的 RAM 以 容纳网 络 内所有节点的 设备信 息、数 据 包转 发表、 设备关 联 表、 与安全有关 的 密钥存 储等 。 1.2 IPv6与 IEEE 802.15.4 的 结合Zigbee 联 盟 希望建立一种可连接每个电子设备的 无 线 网 。 它预言ZigBee 将很快成 为 全球高 端的 无 线 技 术 ， 到 2007年 ZigBee 节点将达到 30 亿个。 具有几 亿个节点的 网 络 将很快耗

9、尽已不足的 IPv4 的 地址 空间。 因此 IPv6与 IEEE802.15.4 结 合是传 感 器 网 络 的 发展趋势。 IPv6采 用 128 位地址 长度， 几乎可以 不受限制 地提供地址 。 按保守方法 估算 ， IPv6实际可为 整 个地球的 每平方米面积分配 1000 多 个地址 。 IPv6在设计过程中， 除了一劳永逸地解决了地址 短缺问 题以 外， 还考虑了在 IPv4 中解决不好的 其他问 题， 如端到 端 IP 连接、 服务质量 (QoS)、 安全性、 多 播、 移 动性、 即插即用 等 。 1.3工作 频段和 速率 IEEE 802.15.4 工作 在工业科学医疗(I

10、SM)频段， 定义了两个工作频段， 即 2.4 GHz频段和 868/915 MHz频段。在 IEEE 802.15.4 中， 总共分配了 27个具有 3种速率的 信 道 ： 在 2.4 GHz频段有 16个速率为 250kb/s的 信 道 ， 在 915 MHz频段有 10 个 40 kb/s的 信 道 ， 在 868 MHz频段有 1个 20 kb/s的 信 道 。 这些信 道 的 中心频率按如下定义(k为 信 道 数 )：Fc868.3MHz， k0；Fc906MHz+2(k1)MHz，k1， 210；Fc2 405 MHz+5(k11) MHz，k11， 1226。 个IEEE802.

11、15.4 网 可以 根据 可用 性、 拥挤状况和 数 据 速率在 27个信 道 中选择一个工作 信 道 。 从能量和 成 本效率来看， 不同的 数 据 速率能为 不同的 应 用 提供较好的 选择。 例如， 对于有些计算 机外围设备与互动式玩具， 可能需要 250 kb/s速率， 而对于其他许多 应用 ， 如各种传 感 器 、 智能标 记和 家用 电器 等 ， 20 kb/s这样的 低 速率就能满足要 求。2 IEEE 802.15.4 物 理 层 来 自IEEE 802.15.4 物 理 层 协 议 数 据 单 元(PPDU)的进制 数 据 被依次(按字节从低 到 高 ) 组 成 4 位 进制

12、 数 据 符号， 每种数 据 符号(对应 16状态组 中的 一组 ) 被映射成 32 位伪噪声码片(CHIP)， 以 便传 输。 然后这个连续的 伪噪音 CHIP 序列 被调 制 (采 用 最小键 控 方式)到 载 波 上 ， 即采 用 半正 弦脉冲波 形的 偏 移 正 交 相 移 键 控 (OQPSK)调 制 方式。 IEEE802.15.4 物 理层 传 输格式如图 2 所示。 868/915 MHz频段物 理 层 使用 简 单 的 直接序列 扩频(DSSS)方法 ， 每个PPDU数 据 传 输位被最大长为 15 的 CHIP 序列 所扩展(即被多 组 +1、 1 构成 的 m序 列 编

13、码)，然后使用进制 相 移 键 控 技 术 调 制 这个扩展的 位元序列 。不同的 数 据 传 输率适用 于不同的 场合。 例如： 868/915MHz频段物 理 层 的 低 速率换 取了 较好的 灵敏度和 较大的 覆盖面积， 从而减少了覆盖给定物 理 区域所需的 节点数 。 2.4 GHz频段物 理 层 的 较高 速率适用 于较高 的 数 据吞吐量、 低 延时或低 作 业周期的 场合。3IEEE 802.15.4 MAC 层IEEE 802.15.4 MAC 层 提供两种服务： MAC 层 数 据 服务和 MAC 层 管理 服务。 管理 服务通过 MAC 层 管理 实体 (MLME)服务接入

14、点(SAP)访 问 高 层 。 MAC 层 数 据 服务使MAC 层 协 议 数 据 单元(MPDU)的 收发可以 通 过物 理 层 数 据 服务。 IEEE802.15.4 MAC 层 的 特 征有信 标 管理 、 信 道 接入机制 、 保证时隙(GTS)管理 、 帧确认、 确认帧传 输、 节点接入和 分离。3.1 超帧结构低速率的 无 线 个域网 允许使用 超帧结构。 超帧的 格式由 传 感 器 网 络 的 协 调 器 定义。 超帧被分为 16个大小相 等 的 时隙， 由 协 调 器 发送， 如图 3所示。 每个超帧之间由 网 络 信 标 分隔。 信 标 帧在超帧的 第一个时隙被传 输。

15、如果协 调 器 不想使用 超帧结构， 它将会 停止信 标 的传 输。 信 标 可用 来使接入的 设备同步， 区分个域网 ， 描述超帧结 构。 任何想要 在竞争接入时段(CAP)通 信 的 设备都要 使用 有时隙的 载 波 监 听 多 址 接入 冲突避免(CSMA CA)。 所有的 传输要 在下一个信 标 到 来之前结束。超帧结构有活跃和 非活跃两部分。 在非活跃部分， 协 调 器 将不和 网 络 联 系， 进入低 能模式。对 于低 延迟应 用 或需要 特 殊带宽的 应 用 来说，网 络 协 调 器 为 它贡献出超帧的 活跃部分。这部分叫做 GTS。 GTS 由 无 竞争时段(CFP)组 成 ，

16、 它总是紧跟着 CAP， 在活跃的 超帧尾部， 如图 4 所示。 网 络 协 调 器 可以 分配 7个 GTS， 每个 GTS 可以 占用 一个以 上 的 时隙。 而 CAP 有充足的 时间留给基于竞争的 接入的 网 络 设备或想加入网 络 的 设备。 所有基于竞争的 传 输都要在 CFP 开始前结束， 同样， GTS 的 传 输也要 确保在下个 GTS 开始前结束。3.2 CSMA CA 机制低速率的 无 线 个人 区域网 依据 网 络 的 结构不同， 使用 两种信 道 接入机制 。 无 信 标 网 络使用 无 时隙的 CSMA CA 信 道 接入机制 。 每当设备想要 传 输数 据 帧或

17、MAC 命 令时， 它将等 待随机的 一段时间。 在随机退避之后， 如果信 道 被检测为 空闲， 设备将传 输数 据 ； 如果信 道 被检测为 忙， 设备在再次尝试接入信 道 之前， 要 重新等 待随 机的 一段时间， 确认帧的 发送不使用 CSMA CA 机制 。 有 信 标 网 络 使用 有时隙的 CSMA CA 信 道 接入机制 ，退避时隙在信 标 传 输的 开始排列 好。每当设备在竞争接入时段要 传 输数 据 时， 它需要 确定下一个退避时隙的 界 限， 之后等 待随机的 几个退避时隙。 在随机退避之后， 如果信 道 被检测为 忙， 设备在再次尝试接入信 道 之前，要 重新等 待随机的

18、 几个退避时隙； 如果信 道 被检测为 空 闲， 设备将在下个退避时隙传 输数据 。 确认帧和 信 标 帧的 发送将不需要 CSMA CA 机制 。3.3安全模式在低 速率无 线 个人 区域网 络 中设备可根据 自身需要 选择不同的 安全模式： 无 安全模式、访 问 控 制 列 表(ACL)模式和 安全模式。无 安全模式是MAC 子层 默认的 安全模式。 处于这种模式下的 设备不对接收到 的 帧进行任何安全检查。 当某个设备接收到 一个帧时， 只检查帧的 目的 地址 。 如果目的 地 址 是本设备地址 或广 播地址 ， 这个帧就会 被转 发给上 层 ， 否则丢弃。 在设备被设置为 混杂 模式(

19、Promiscuous)的 情况下， 它会 向上 层 转 发所有接收到 的 帧。访 问 控 制 列 表模式为通 信 提供了访 问 控 制 服务。高 层 可以 通 过设置 MAC 子层 的 ACL条目指示 MAC 子层 根据 源地址过滤接收到 的 帧。 因此这种方式下 MAC 子层 就没有提供加密保护，高 层 有必要 采 取其他机制来保证通 信 的 安全。安全模式对接收或发送的 帧提供全部的 4 种安全服务： 访 问 控 制 、 数 据 加密、 帧完 整 性检查和 顺序更新。4 ZigBee 网 络 层ZigBee 网 络 层 将主 要 考虑采 用 基于 AdHoc技 术 的 网 络 协 议 ，

20、 应 包含以 下功 能：(1)通 用 的 网 络 层 功 能： 拓扑结构的 搭建和 维护， 命名和 关 联 业务， 包含寻址 、 路 由 和 安全。(2)同 IEEE 802.15.4 标 准 一样， 非常省电。(3)有自组 织、 自维护功 能， 可以 最大程度减少消费者的 开支 和 维护成 本。ZigBee 用 于无 线 传 感 器 网 络 ， 由 于网 络 拓扑的 多 变和 形式多 样化， 应 选择适合应 用 场景的 网 络 层 协 议 。无 线 网 络 拓扑结构一般分为 星状网 、 网 状网 、 混合网 (星状 网 状)， 如图 5 所示。 而无线 传 感 器 网 络 拓扑结构具有网 络

21、 节点数 目众多 ， 网 络 结构动态变化纷繁复 杂 等 特 点， 在此我们 主 要 比 较 3种基本网 络 拓扑结构， 并选出比 较适合大型传 感 器 网 络 使用 的 拓扑结构。基 本的 星状网 拓扑结构(图 5(a)是一个单 跳(Single hop)系统， 如传 统无 线 网 络 。 基站节点可以 是一台 PC、 个人 数 字助理 (PDA)、 专用 控 制 设备、 嵌入式网 络 服务器 ， 或其他与高 数 据 率设备通 信 的 网 关 ， 网 络中各终端节点也可以 不同。 依据 星状网 的 特 点可以 看出，当各个传 感 器 节点距离基站节点比较 远， 传 感 器 节点分布范 围大时

22、， 这种拓扑结构是行不通 的 。 因为 传 感 器 节点能量有限，如果每个节点都要 保证数 据 正 确接收的 信 噪比 (SNR)值，则传 感 器 节点必 须 以 较大功 率向基站节点发送数 据 ， 能量很快就会 耗 尽。网 状网 拓扑结构是一种多 跳的 网 络 系统， 网 络 中的 所有无 线 传 感 器 节点都相 同， 可以直接互相 通 信 ， 每一次网 络 都会 选择一条或者多 条路 由 进行多 跳传 输， 将所要 传 输 的 数 据 信 息传 给基站(图 5(b)。 网 状网 的 每个传 感 器 节点都有多 条路 径到 达基站节点， 因此它的容故障能力较强， 而且这种多 跳系统以 多

23、跳代替了单 跳的 传 输 距离， 减小了源传 感 器 所需要 的 发送功 率。 但是同时由 于传 感 器 网 络 节点数 量大， 中继节点数 目众多 ， 且分布随机分散，因此在网 状网 中查找多 跳路 由 和 进行路 由 维 护和 修复 (自愈)是非常困难的 ， 同时网 络 中传感 器 节点必须 一直“监 听 ”网 络 中某些路 径上 的 信 息和 变化， 以 有效地传 递数 据 ， 这些从另一方面增加了网 络 的 能量 损耗 ， 减少了网 络 寿命。混 合网 拓扑结构(图 5(c)力求兼具星状网 的 简 洁以 及网 状网 的 多 跳传 输和 自愈性等优点。 其中分层 式的 网 络 结构属于混

24、合网 中较为 典型的 一种， 尤其适合节点数 量众多 的 无 线 传 感 器 网 络 应 用 。 在分层 网 中， 整 个传 感 器 网 络 形成 分层 结构。 相 邻传 感 器 通 过由 基站节点指定或者自组 织等 方法 形成 各个独立的 簇， 每个簇选出簇首 节点， 每簇中所包含的 传 感器 节点通 过簇首所安排的 机制 将所收集的 数 据 信 息传 给簇首，然后由 簇首将所接收到 的 信 息进行融合， 再转 发给基站节点。 这种分层 式网 络 中， 传 感 器 节点之间不是平等 的 。 这种方法 ， 既通 过簇首的 数 据 融合减少了信 息冗余度， 通 过多 跳减小了源节点的 发送功 率

25、， 减少了网 络 的 能量消耗 ， 又可以 通 过 簇首的 控 制 减小网 络 中大部分节点的 传 输范 围， 增加带宽复用 率， 同时使网 络 节点不必一直保持“监 听 状态”， 减少了网 络 中路 由 和 数 据 处理 的 开销，延长了网 络 寿 命。 这种分层 簇结构拓扑协 议 尽管在传 统 AdHoc网 络 中也有大量的 研究， 但是传 统 AdHoc网 络 拓扑结构中的 分层 网 络 协 议 并没有考虑传 感 器 网 络 中节点数 量众多 和 节点能量及计算 能力有限的 特 点，其协 议 不能直接利用 于无 线 传 感 器 网 络 中。 因此， 研究者在传 统 AdHoc网络 协 议

26、 的 基础上， 研究出了旨在针对传 感 器 网 络 中各种问 题的 网 络 拓扑协议 ， 使得 拓扑协议 针对性和 实用性更强， 采 用 这种混合网 分层 拓 扑结构的 典型协 议 有低 功耗 自适应 分簇算法 (LEACH)、 传 感 器 信 息系统中能量高 效的 数 据 收集(PEGAGIS)、 域值敏感 能量高 效传 感 器 网 络 协 议 (TEEN)8 9。综 上 所述， 不同网 络 拓扑结构的 选择是根据 网 络 中节点与基站的 相 对位置， 以 及网 络中的 无 线 参数 的 不同而定的 。 当网 络 中基站的 位置比 较靠近传 感 器 节点， 甚至处于 传 感 器 节点中间， 同时整 个网 络 的 分布范 围比 较小的 时候， 星形网 络 有其相 应 的 优势， 而网 状网 与混合式分层 网