zigbee概述 几种无线通信技术性能比较

zigbee概述

“ZigBee”是什么？从字面上猜像是一种蜜蜂。因为“ZigBee”这个词由“Zig”和“Bee”两部分组成，“Zig”取自英文单词 “zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳着“之”字形舞的蜜蜂。不过，ZigBee并非是一种蜜蜂，事实上，它与蓝牙类似是一种新兴的短距离无线通信技术，国内也有人翻译成“紫蜂”。

这只蜜蜂的来头还是要从它的历史开始说起，早在上世纪末，就已经有人在考虑发展一种新的通信技术，用于传感控制应用（sensor and control），这个想法后来在IEEE 802.15工作组当中提出来，于是就成立了TG4工作组，并且制定了规范IEEE 802.15.4。但是IEEE 802的规范只专注于底层，要达到产品的互操作和兼容，还需要定义高层的规范，于是2002年ZigBee Alliance成立，正式有了“ZigBee”这个名词。两年之后，ZigBee的第一个规范ZigBee V1.0诞生，但这个规范推出的比较仓促，存在一些错误，并不实用。此后ZigBee Alliance又经过两年的努力，推出了新的规范ZigBee 2006，这是一个比较完善的规范。据联盟最新的消息，今年年底将会发布更新版本的规范ZigBee 2007，这个版本增加了一些新的特性。

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。

从ZigBee的发展历史可以看到，它和IEEE 802.15.4有着密切的关系，事实上ZigBee的底层技术就是基于IEEE 802.15.4的，因此有一种说法认为ZigBee和IEEE 802.15.4是同一个东西，或者说“ZigBee”只是IEEE 802.15.4的名字而已，其实这是一种误解。实际上ZigBee和IEEE 802.15.4的关系，有点类似于WiMAX和IEEE 802.16，Wi-Fi和IEEE 802.11，Bluetooth和IEEE 802.15.1。“ZigBee”可以看作是一个商标，也可以看作是一种技术，当把它看作一种技术的时候，它表示一种高层的技术，而物理层和MAC层直接引用IEEE 802.15.4。事物是不断的发展变化的，尤其是通信技术，可以想象将来的ZigBee可能不会使用IEEE 802.15.4定义的底层，就跟蓝牙（Bluetooth）宣布下一代底层采用UWB技术一样，但是“ZigBee”这个商标以及高层的技术还会继续保留。

ZigBee协议栈速读

我们无法预料将来ZigBee会基于怎样的底层技术，只好从它现在的底层——IEEE 802.15.4开始了解，IEEE 802.15.4包括物理层和MAC层两部分。ZigBee工作在三种频带上，分别是用于欧洲的868MHz频带，用于美国的915MHz频带，以及全球通用的2.4GHz频带，但这三个频带的物理层并不相同，它们各自的信道带宽分别是0.6MHz， 2MHz和5MHz，分别有1个，10个和16个信道。不同频带的扩频和调制方式也有所区别，虽然都使用了直接序列扩频（DSSS）的方式，但从比特到码片的变换方式有比较大的差别;调制方面都使用了调相技术，但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK，而2.4GHz频段采用的是OQPSK。我们可以以2.4GHz频段为例看看发射机基带部分的框图（如图1），可以看到物理层部分非常简单，而IEEE 802.15.4芯片的低价格正是得益于底层的简单性。可能我们会担心它的性能，但我们可以再看看它和Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比较（如图2），在同样比特信噪比的情况下，IEEE 802.15.4要优于其他两者。直接序列扩频技术具有一定的抗干扰效果，同时在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术。在发射功率为0dBm的情况下，Bluetooth通常能有10m作用范围，而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室内通常能达到30~50m作用距离，在室外如果障碍物较少，甚至可以达到100m作用距离;同时调相技术的误码性能要优于调频和调幅技术。因此综合起来，IEEE 802.15.4具有性能比较好的物理层。另一方面，我们可以看到IEEE 802.15.4的数据速率并不高，对于2.4GHz频段只有250kb/s，而868MHz频段只有20kb/s，915MHz频段只有40kb/s。因此我们完全可以把它归为低速率的短距离无线通信技术。

图1 IEEE 802。15.4 物理层2.4GHz频段发射机基带框图

图2 几种无线通信技术性能比较

物理层的上面是MAC层，它的核心是信道接入技术，包括时分复用GTS技术和随机接入信道技术CSMA/CA。不过ZigBee实际上并没有对时分复用GTS技术进行相关的支持，因此我们可以暂不考虑它，而专注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的网络所有节点都工作在同一个信道上，因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMA/CA的技术，简单来说，就是节点在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲则可以发送数据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时间，然后再进行监听，这个退避的时间是指数增长的，但有一个最大值，即如果上一次退避之后再次监听信道忙，则退避时间要增倍，这样做的原因是如果多次监听信道都忙，有可能表明信道上的数据量大，因此让节点等待更多的时间，避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道。在MAC层当中还规定了两种信道接入模式，一种是信标（beacon）模式，另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种“超帧”的格式，在超帧的开始发送信标帧，里面含有一些时序以及网络的信息，紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各节点以竞争方式接入信道，再后面是非竞争接入时期，节点采用时分复用的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态，等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。显然，在信标模式当中由于有了周期性的信标，整个网络的所有节点都能进行同步，但这种同步网络的规模不会很大。实际上，在ZigBee当中用得更多的可能是非信标模式。

MAC层往上就属于ZigBee真正定义的部分了，我们可以参看一下ZigBee的协议栈（图3）。底层技术，包括物理层和MAC层由IEEE 802.15.4制定，而高层的网络层、应用支持子层（APS）、应用框架（AF）、ZigBee设备对象（ZDO）和安全组件（SSP），均由 ZigBee Alliance所制定。

图3 ZigBee协议栈

这些部分当中最下面的是网络层。和其他技术一样，ZigBee网络层的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法—树路由和网状网路由。树路由采用一种特殊的算法，具体可以参考ZigBee的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为根的一棵树，因为整个网络是由协调器所建立的，而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点，路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点，而末端节点没有子节点，相当于树的叶子。这种结构又好像蜂群的结构，协调器相当于蜂后，是唯一的，而路由器相当于雄蜂，数目不多，末端节点则相当于数量最多的工蜂。其实有很多地方仔细一想，就可以发现ZigBee和蜂群的许多暗合之处。树路由利用了一种特殊的地址分配算法，使用四个参数—深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数来计算新节点的地址，于是寻址的时候根据地址就能计算出路径，而路由只有两个方向—向子节点发送或者向父节点发送。树状路由不需要路由表，节省存储资源，但缺点是很不灵活，浪费了大量的地址空间，并且路由效率低，因此常常作为最后的路由方法，或者干脆不用。ZigBee当中还有一种路由方法是网状网路由，这种方法实际上是AODV路由算法的一个简化版本，非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。它可以用于较大规模的网络，需要节点维护一个路由表，耗费一定的存储资源，但往往能达到最优的路由效率，而且使用灵活。除了这两种路由方法，ZigBee当中还可以进行邻居表路由，其实邻居表可以看作是特殊的路由表，只不过只需要一跳就可以发送到目的节点。

网络层的上面是应用层，包括了APS、AF和ZDO几部分，主要规定了一些和应用相关的功能，包括端点（endpoint）的规定，还有绑定 （binding）、服务发现和设备发现等等。其中端点是应用对象存在的地方，ZigBee允许多个应用同时位于一个节点上，例如一个节点具有控制灯光的功能，又具有感应温度的功能，又具有收发文本消息的功能，这种设计有利于复杂ZigBee设备的出现。而绑定是用于把两个“互补的”应用联系在一起，如开关应用和灯的应用。更通俗的理解，“绑定”可以说是通信的一方了解另一方的通信信息的方法，比如开关需要控制“灯”，但它一开始并不知道“灯”这个应用所在的设备地址，也不知道其端点号，于是它可以广播一个消息，当“灯”接收到之后给出响应，于是开关就可以记录下“灯”的通信信息，以后就可以根据记录的通信信息去直接发送控制信息了。服务发现和设备发现是应用层需要提供的，ZigBee定义了几种描述符，对设备以及提供的服务可以进行描述，于是可以通过这些描述符来寻找合适的服务或者设备。

ZigBee还提供了安全组件，采用了AES128的算法对网络层和应用层的数据进行加密保护，另外还规定了信任中心（trust center）的角色—全网有一个信任中心，用于管理密钥和管理设备，可以执行设置的安全策略。

Zigbee的基础是IEEE802.15.4（如下图1所示），这是IEEE无线个人区域网（Personal Area Network，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4（Zigbee）技术标准。

IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化（如下图2所示）。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。