IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)是指在一個POS內(nèi)使用相同無線信道并通過IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)相互通信的一組設(shè)備的集合，又名LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)。在這個網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備(full-function device , FFD)和精簡功能設(shè)備(reduced-function device , RFD)。FFD設(shè)備之間以及FFD設(shè)備與RFD設(shè)備之間都可以通信。RFD設(shè)備之間不能直接通信，只能與FFD設(shè)備通信，或者通過一個FFD設(shè)備向外轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這個與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備稱為該RFD的協(xié)調(diào)器(coordinator)。RFD設(shè)備主要用于簡單的控制應(yīng)用，如燈的開關(guān)、被動式紅外線傳感器等，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，這樣RFD設(shè)備可以采用非常廉價的實現(xiàn)方案。

IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中，有一個稱為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PAN coordinator)的FFD設(shè)備，是LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(以后簡稱網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器)除了直接參與應(yīng)用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。

無線通信信道的特征是動態(tài)變化的。節(jié)點位置或天線方向的微小改變、物體移動等周圍環(huán)境的變化都有可能引起通信鏈路信號強度和質(zhì)量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋范圍不是確定的。這就造成了LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的數(shù)量以及它們之間關(guān)系的動態(tài)變化。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述

隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了在人自身附近幾米范圍之內(nèi)通信的需求，這樣就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(personal area network, PAN)和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(wireless personal area network, WPAN)的概念。WPAN網(wǎng)絡(luò)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無線連接，把幾米范圍內(nèi)的多個設(shè)備通過無線方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至接入LAN或Internet。1998年3月，IEEE 802.15工作組。這個工作組致力于WPAN網(wǎng)絡(luò)的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，目標(biāo)是為在個人操作空間(personal operating space, POS)內(nèi)相互通信的無線通信設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn)。POS一般是指用戶附近10米左右的空間范圍，在這個范圍內(nèi)用戶可以是固定的，也可以是移動的。

在IEEE 802。15工作組內(nèi)有四個任務(wù)組(task group, TG)，分別制定適合不同應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)在傳輸速率、功耗和支持的服務(wù)等方面存在差異。下面是四個任務(wù)組各自的主要任務(wù)：

(1)任務(wù)組TG1：制定IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)，又稱藍牙無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。這是一個中等速率、近距離的WPAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，通常用于手機、PDA等設(shè)備的短距離通信。

(2)任務(wù)組TG2：制定IEEE 802.15.2標(biāo)準(zhǔn)，研究IEEE 802.15.1與 IEEE 802.11(無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，WLAN)的共存問題。

(3)任務(wù)組TG3：制定IEEE 802.15.3標(biāo)準(zhǔn)，研究高傳輸速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)主要考慮無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)在多媒體方面的應(yīng)用，追求更高的傳輸速率與服務(wù)品質(zhì)。

(4)任務(wù)組TG4：制定IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(low-rate wireless personal area network, LR-WPAN)制定標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標(biāo)，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之音的低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

任務(wù)組TG4定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)的特征與傳感器網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，很多研究機構(gòu)把它作為傳感器的通信標(biāo)準(zhǔn)。

LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)是一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的無線通信網(wǎng)絡(luò)，它使得在低電能和低吞吐量的應(yīng)用環(huán)境中使用無線連接成為可能。與WLAN相比，LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)只需很少的基礎(chǔ)設(shè)施，甚至不需要基礎(chǔ)設(shè)施。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)制定了物理層和MAC子層協(xié)議。

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：

(1) 在不同的載波頻率下實現(xiàn)了20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率;

(2) 支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu);

(3) 有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴展地址;

(4) 支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)(carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA)

802.15.4簡介

802.15.4包括用于低速無線個人域網(wǎng)(LR-WPAN)的物理層和媒體接入控制層兩個規(guī)范。它能支持消耗功率最少，一般在個人活動空間(10m直徑或更小)工作的簡單器件。802.15.4支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲，即單跳星狀或當(dāng)通信線路超過10m時的多跳對等拓撲。但是對等拓撲的邏輯結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)層定義。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在關(guān)聯(lián)過程中指配的16位短地址。一個802.15.4網(wǎng)可以容納最多216個器件。下面分別介紹802.15.4的主要特點。

1.工作頻段和數(shù)據(jù)速率

802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，它定義了兩個物理層，即2.4GHz頻段和868/915MHz頻段物理層。免許可證的2.4GHz ISM頻段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM頻段分別只在歐洲和北美有。在802.15.4中，總共分配了27個具有三種速率的信道：在2.4GHz頻段有16個速率為250kbit/s(或62.5ksymbol/s)的信道，在915MHz頻段有10個40 bit/s(或40 ksymbol/s)的信道，在868MHz頻段有1個20 kbit/s(或20 ksymbol/s)的信道。ISM頻段全球都有的特點不僅免除了802.15.4器件的頻率許可要求，而且還給許多公司提供了開發(fā)可以工作在世界任何地方的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品的難得機會。這將減少投資者的風(fēng)險，與專門解決方案相比可以明顯降低產(chǎn)品成本。在保持簡單性的同時，802.15.4還試圖提供設(shè)計上的靈活性。一個802.15.4網(wǎng)可以根據(jù)可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在27個信道中選擇一個工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。例如，對于有些計算機外圍設(shè)備與互動式玩具，可能需要250 kbit/s，而對于其他許多應(yīng)用，如各種傳感器、智能標(biāo)記和家用電器等，20 kbit/s這樣的低速率就能滿足要求。

2.支持簡單器件

802.15.4低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c使它非常適宜支持簡單器件。在802.15.4中定義了14個物理層基本參數(shù)和35個媒體接入控制層基本參數(shù)，總共為49個，僅為藍牙的三分之一。這使它非常適用于存儲能力和計算能力有限的簡單器件。在802.15.4中定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數(shù)。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按三種方式工作，即用作個人域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應(yīng)用。

3.信標(biāo)方式和超幀結(jié)構(gòu)

802.15.4網(wǎng)可以工作于信標(biāo)使能方式或非信標(biāo)使能方式。在信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器定期廣播信標(biāo)，以達到相關(guān)器件同步及其他目的。在非信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器不定期地廣播信標(biāo)，而是在器件請求信標(biāo)時向它單播信標(biāo)。在信標(biāo)使能方式中使用超幀結(jié)構(gòu)，超幀結(jié)構(gòu)的格式由協(xié)調(diào)器來定義，一般包括工作部分和任選的不工作部分。#p#

4.數(shù)據(jù)傳輸和低功耗

在802.15.4中，有三種不同的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移：從器件到協(xié)調(diào)器;從協(xié)調(diào)器到器件;在對等網(wǎng)絡(luò)中從一方到另一方。為了突出低功耗的特點，把數(shù)據(jù)傳輸分為以下三種方式：

·直接數(shù)據(jù)傳輸：這適用于以上所有三種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。采用無槽載波檢測多址與碰撞避免(CSMA-CA)或開槽CSMA-CA的數(shù)據(jù)傳輸方法，視使用非信標(biāo)使能方式還是信標(biāo)使能方式而定。

·間接數(shù)據(jù)傳輸：這僅適用于從協(xié)調(diào)器到器件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。在這種方式中，數(shù)據(jù)幀由協(xié)調(diào)器保存在事務(wù)處理列表中，等待相應(yīng)的器件來提取。通過檢查來自協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀，器件就能發(fā)現(xiàn)在事務(wù)處理列表中是否掛有一個屬于它的數(shù)據(jù)分組。有時，在非信標(biāo)使能方式中也可能發(fā)生間接數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)提取過程中也使用無槽CSMA-CA或開槽CSMA-CA。

·有保證時隙(GTS)數(shù)據(jù)傳輸：這僅適用于器件與其協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，既可以從器件到協(xié)調(diào)器，也可以從協(xié)調(diào)器到器件。在GTS數(shù)據(jù)傳輸中不需要CSMA-CA。

低功耗是802.15.4最重要的特點。因為對電池供電的簡單器件而言，更換電池的花費往往比器件本身的成本還要高。在有些應(yīng)用中，更換電池不僅麻煩，而且實際上是不可行的，例如嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設(shè)的大規(guī)模傳感器網(wǎng)。所以在802.15.4的數(shù)據(jù)傳輸過程中引入了幾種延長器件電池壽命或節(jié)省功率的機制。多數(shù)機制是基于信標(biāo)使能的方式，主要是限制器件或協(xié)調(diào)器之收發(fā)信機的開通時間，或者在無數(shù)據(jù)傳輸時使它們處于休眠狀態(tài)。

特點是功耗比802.15.4還低，允許器件不用電池。有人預(yù)測，UWB網(wǎng)狀網(wǎng)最終將由“智能塵粒”組成，是一種精微無線電，它通過納米技術(shù)風(fēng)車或光電池產(chǎn)生能量。UWB網(wǎng)狀網(wǎng)的應(yīng)用潛力很大，美國軍方已經(jīng)在測試UWB在遙測方面的應(yīng)用，現(xiàn)在主要問題是成本，目前低速低功率的UWB芯片組的價格至少為20美元，而ZigBee的價格目標(biāo)僅為幾美分。ZigBee聯(lián)盟相信，ZigBee芯片將像微處理器一樣無處不在，其應(yīng)用將遠不止遙測遙控。

IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及形成過程

要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò)，也可以組織成點對點網(wǎng)絡(luò)。在星型結(jié)構(gòu)中，所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。在這種網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動化、個人計算機的外設(shè)以及個人健康護理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。

與星型網(wǎng)不同，點對點網(wǎng)絡(luò)只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內(nèi)，任何兩個設(shè)備之都可以直接通信。點對點網(wǎng)絡(luò)中也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負責(zé)實現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認證設(shè)備身份等功能。點對點網(wǎng)絡(luò)模式可以支持ad hoc網(wǎng)絡(luò)允許通過多跳路由的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)。不過一般認為自組織問題由網(wǎng)絡(luò)層來解決，不在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)討論范圍之內(nèi)。點對點網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)造更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，適合于設(shè)備分布范圍廣的應(yīng)用，比如在工業(yè)檢測與控制、貨物庫存跟蹤和智能農(nóng)業(yè)等方面有非常好的應(yīng)用背景。

網(wǎng)絡(luò)拓撲的形成過程

雖然網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的形成過程屬于網(wǎng)絡(luò)層的功能，但IEEE 802.15.4為形成各種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)提供了充分支持。這部分主要討論IEEE 802.15.4對形成網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)提供的支持，并詳細地描述了星型網(wǎng)絡(luò)和點對點網(wǎng)絡(luò)的形成過程。

1、 星型網(wǎng)絡(luò)形成

星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行通信，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。任何一個FFD設(shè)備都有成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可能，一個網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層協(xié)議決定。一種簡單的策略是：一個FFD設(shè)備在第一次被激活后，首先廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請求，如果接收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再通過一系列認證過程，設(shè)備就成為了這個網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。如果沒有收到回應(yīng)，或者認證過程不成功，這個FFD設(shè)備就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且成為這個網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。當(dāng)然，這里還存在一些更深入的問題，一個是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器過期問題，如原有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器損壞或者能量耗盡;另一個是偶然因素造成多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器競爭問題，如移動物體阻擋導(dǎo)致一個FFD自己建立網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)移動物體離開的時候，網(wǎng)絡(luò)中將出現(xiàn)多個協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要為網(wǎng)絡(luò)選擇一個惟一的標(biāo)識符，所有該星型網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都是用這個標(biāo)識符來規(guī)定自己的屬主關(guān)系。不同星型網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備通過設(shè)置專門的網(wǎng)關(guān)完成相互通信。選擇一個標(biāo)識符后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就允許其他設(shè)備加入自己的網(wǎng)絡(luò)，并為這些設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。

星型網(wǎng)絡(luò)中的兩個設(shè)備如果需要互相通信，都是先把各自的數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給對方。

2、點對點網(wǎng)絡(luò)的形成

點對點網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個設(shè)備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進行直接通信，不需要其他設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)。但點對點網(wǎng)絡(luò)中仍然需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，不過該協(xié)調(diào)器的功能不再是為其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而是完成設(shè)備注冊和訪問控制等基本的網(wǎng)絡(luò)管理功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的產(chǎn)生同樣由上層協(xié)議規(guī)定，比如把某個信道上第一個開始通信的設(shè)備作為該信道上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議器。簇樹網(wǎng)絡(luò)是點對點網(wǎng)絡(luò)的一個例子，下面以簇樹網(wǎng)絡(luò)為例描述點到點網(wǎng)絡(luò)的形成過程.

在簇樹網(wǎng)絡(luò)中，絕大多數(shù)設(shè)備是FFD設(shè)備，而RFD設(shè)備總是作為簇樹的葉設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。任意一個FFD都可以充當(dāng)RFD協(xié)調(diào)器或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，為其他設(shè)備提供同步信息。在這些協(xié)調(diào)器中，只有一個可以充當(dāng)整個點對點網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可能和網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備一樣，也可能擁有比其他設(shè)備更多的計算資源和能量資源。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先將自己設(shè)為簇頭(cluster header ,CLH)，并將簇標(biāo)識符(cluster identifier, CID)設(shè)置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，形成網(wǎng)絡(luò)中的第一個簇。接著，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始廣播信標(biāo)幀。鄰近設(shè)備收到信標(biāo)幀后，就可以申請加入該簇。設(shè)備可否成為簇成員，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定。如果請求被允許，則該設(shè)備將作為簇的子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的鄰居列表。新加入的設(shè)備會將簇頭作為它的父設(shè)備加入到自己的鄰居列表中。

上面討論的只是一個由單簇構(gòu)成的最簡單的簇樹。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以指定另一個設(shè)備成為鄰接的新簇頭，以此形成更多的簇。新簇頭同樣可以選擇其他設(shè)備成為簇頭，進一步擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。但是過多的簇頭會增加簇間消息傳遞的延遲和通信開銷。為了減少延遲和通信開銷，簇頭可以選擇最遠的通信設(shè)備作為相鄰簇的簇頭，這樣可以最大限度地縮小不同簇間消息傳遞的跳數(shù)，達到減少延遲和開銷的目的。

無線個人網(wǎng)

無線個人網(wǎng)(Wireless personal area network)提供了一種小范圍內(nèi)無線通信的手段。

IEEE802協(xié)議系列中定義了一系列無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，目前已成型的無線個人網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要有兩個:

無線個人網(wǎng)絡(luò)(WPAN，IEEE802.15.1)，覆蓋了藍牙(BlueTooth)協(xié)議棧的物理層/媒體接入控制層(MAC/PHY)層。

低速無線個人網(wǎng)絡(luò)(LR-WPAN，IEEE802.15.4)，覆蓋了ZigBee協(xié)議棧的物理層/媒體接入控制層(MAC/PHY)層。

無線個人網(wǎng)與無線局域網(wǎng)(WLAN)的區(qū)別主要在于目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域不同。

無線局域網(wǎng)一般用來替代有線的局域網(wǎng)技術(shù)。

藍牙用來替代智能設(shè)備，如電腦,手機,PDA,數(shù)碼相機/攝像機等的外接電纜。

ZigBee則應(yīng)用于低速低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)，如傳感器網(wǎng)絡(luò),無線讀表網(wǎng)絡(luò),智能玩具,智能家庭,智能農(nóng)業(yè)等。

應(yīng)用領(lǐng)域的不同決定了這三種無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)上的不同，包括：

無線的覆蓋范圍。WLAN覆蓋半徑設(shè)計值為100米，藍牙覆蓋半徑為10米，ZigBee則為50米。

設(shè)備功耗。無線局域網(wǎng)設(shè)備一般為插電設(shè)備， 而無線個人網(wǎng)設(shè)備則一般為電池設(shè)備。 ZigBee更致力于極低功耗網(wǎng)絡(luò)，例如不換電池能維持約10年的設(shè)備。#p#

組網(wǎng)形式。

無線接入方式。

網(wǎng)絡(luò)的安裝及網(wǎng)絡(luò)的生存期，等等。

無線個人網(wǎng)絡(luò)IEEE802.15.1: Wireless Personal Area Network, WPAN.

該標(biāo)準(zhǔn)定義一個物理層(PHY)對應(yīng)于藍牙的物理層，一個媒體接入層(MAC)包括了藍牙協(xié)議棧相應(yīng)的部分。

組網(wǎng)形式：可有兩種網(wǎng)絡(luò)形式。

極微網(wǎng)(Piconet)由一個主控設(shè)備(Master)和1到7個從屬設(shè)備(Slave)組成。

一個IEEE802.15.1設(shè)備可在一個極微網(wǎng)中充當(dāng)主控設(shè)備，而在另一個或幾個極微網(wǎng)中充當(dāng)從屬設(shè)備，從而將不同的極微網(wǎng)橋接起來，如此組成一個分散網(wǎng)(Scatternet)。

物理層主要特性為：GFSK調(diào)制;2.4GHz的ISM頻段;3類發(fā)射功率：第一類最高100mW(=20dBm)最低1mW，第二類最高2.5mW最低0.25mW，第三類最高1mW。

媒體接入控制層主要特性為：

基帶(Baseband)，一個每秒1600跳的跳頻信道由連續(xù)不斷的625微秒的時隙組成。雙向通信由時分雙工(Time Divison Duplex，TDD)實現(xiàn)?；鶐еС謨煞N物理信道，面向連接的同步信道(Sychronous Connection-Oriented，SCO link)可用于提供雙向64kb/s的PCM話音通路，及，無連接異步信道(Asychronous Connection-Less，ACL link)用于數(shù)據(jù)通路(不對稱可達723.2kb/s，對稱可達433.9kb/s)。

鏈路管理協(xié)議(Link Manager Protocol)，負責(zé)物理鏈路的建立和管理。

邏輯鏈路控制及適配協(xié)議(Logical Link Control and Adaptation Protocol)，負責(zé)對高層協(xié)議的復(fù)用，數(shù)據(jù)包分割(Segmentation)和重新組裝(Reassembly)。

一個標(biāo)準(zhǔn)化的控制接口(Host Control Interface HCI)。

低速無線個人網(wǎng)絡(luò)IEEE802.15.4: Low Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN

組網(wǎng)形式：IEEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為兩類，完整功能設(shè)備(Full Functional Device, FFD)支持所有的網(wǎng)絡(luò)功能，是網(wǎng)絡(luò)的核心部分;部分功能設(shè)備(Reduced Functional Device, RFD)只支持最少的必要的網(wǎng)絡(luò)功能，網(wǎng)絡(luò)中一般大部分是此類設(shè)備。一般有兩種組網(wǎng)形式，星型網(wǎng)絡(luò)，以一個完整功能設(shè)備為網(wǎng)絡(luò)中心。 簇型網(wǎng)絡(luò)，在若干星型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，中心的完整功能設(shè)備再互相連接起來，組成一個樹型網(wǎng)絡(luò)。

物理層主要特性為：868MHz，915MHz，2.4GHz ISM頻段上的共27個信道。其中，信道0，868-868.6MHz,中心頻率868.3Hz。BPSK調(diào)制。提供20kb/s的數(shù)據(jù)通路。信道1-10, 中心頻率=906 + 2x(信道號-1) MHz。BPSK調(diào)制。每信道提供40kb/s的數(shù)據(jù)通路。信道11-26,中心頻率=2405 + 5x(信道號-11) MHz。O-QPSK調(diào)制。每信道提供250kb/s的數(shù)據(jù)通路。

媒體接入控制層主要特性為：CSMA/CA接入，以及可選的超級幀(Superframe)分時隙機制。

ZigBee技術(shù)概況

索諾馬溪谷，氣溫急劇上升。但這家位于吉克莊園的葡萄酒商正在通過每棵葡萄樹上的小型無線Zigbee傳感器密切地監(jiān)控自己的田地。這些一枚硬幣大小的機器可以跟蹤土壤的溫度和營養(yǎng)成分等數(shù)據(jù)。它們利用衛(wèi)星無線發(fā)射機相互連接。”當(dāng)解釋Zigbee無線技術(shù)是怎樣改變我們生活的時候，《商業(yè)周刊》如是描述。然而事實或許更加美妙。
  盡管21世紀的人們并沒有實現(xiàn)科幻小說中的某些預(yù)言。然而更為奇妙的場景很快便會成為現(xiàn)實：只需一臺電腦，一切盡在掌控之中。你可以一邊從個人pc中調(diào)控欣賞在平面電視上播放的影片，一邊控制烤箱的溫度，等待享受美味的下午茶，同時密切地監(jiān)控與了解一切需要關(guān)注的信息：工作室里機器的運行，實驗室里研究的進度，家中飲用水的成分和空氣中或許可能出現(xiàn)有毒物質(zhì)的示警，酒窖里不同位置的溫度與濕度，私家公路的燈光調(diào)控，各類儀表的數(shù)據(jù)變更……不會再有過火而敗味的美食，更不會有《小鬼當(dāng)家》中入室的匪徒，火災(zāi)和毒氣泄漏都將最大程度地被防止，博物館的館長則不再擔(dān)驚受怕地憂慮古董名畫的命運。

而這一切，皆無需線纜。

如同計算機從單任務(wù)到多任務(wù)的跨越一般，人類將從事事親歷親為卻免不了顧此失彼的尷尬中解脫出來，同時兼顧生活與工作的方方面面，一切將變得從容而妥當(dāng)。最為誘人的是，這樣的效率不需要被煩冗雜亂的設(shè)備線路所纏繞，無線傳感Zigbee將工作與生活的廣闊空濃縮于雙手可以掌控的距離

Zigbee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)就可以進入計算機用于分析或者被另外一種無線技術(shù)如WiMax收集。

何為Zigbee

Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(Personal Area Network，PAN)工作組的一項標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE 802.15.4(Zigbee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

Zigbee不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。Zigbee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。

Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“Zigbee 聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“Zigbee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑

到目前為止，除了Invensys、 三菱電子、摩托羅拉和飛利浦等國際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有150家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、IP服務(wù)提供商、消費類電子廠商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工業(yè)控制和家用自動化公司，甚至還有像Mattel之類的玩具公司。所有這些公司都參加了負責(zé)開發(fā)Zigbee物理和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.15.4工作組。#p#

超越藍牙的簡單實用

1999年，藍牙熱潮席卷全球，然而發(fā)展數(shù)年，一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求令Zigbee應(yīng)運而生，大幅簡化藍牙的復(fù)雜規(guī)格，專注于低傳輸應(yīng)用。不過相關(guān)規(guī)格已與現(xiàn)有的藍牙脫鉤。于是有媒體甚至預(yù)言：Zigbee和UWB (Ultra-WideBand超寬頻道)切入市場可能使藍牙尚未普及即成歷史。這種論調(diào)顯然言過其實，因為Zigbee不支持語音，但Zigbee的低價格、低功耗和可靠支持成為其閃亮登場的亮點，使得它超越藍牙的簡單實用成為事實。

Zigbee技術(shù)的主要特點包括以下幾個部分：

* 數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應(yīng)用;

* 功耗低： 在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是Zigbee的支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢;

* 成本低：因為Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。且Zigbee 協(xié)議免收專利費。

* 網(wǎng)絡(luò)容量大： 每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備，也就是說，每個Zigbee設(shè)備可以與另外254臺設(shè)備相連接;

* 時延短：通常時延都在15毫秒至30毫秒之間;

* 安全：　Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時可以靈活確定其安全屬性;

* 有效范圍小： 有效覆蓋范圍10～75米之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境;

* 工作頻段靈活： 使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。

隨著研究的進一步深入，傳感器將變得更小，而且功能會越來越多。最終，他們可能會微縮到塵埃大小。屆時，數(shù)以千計的微小傳感器或者稱為“智能塵埃”將被釋放到大氣中來檢測任何東西。

廣闊應(yīng)用，一切無線

Zigbee主要應(yīng)用在短距離范圍之內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)(如傳感器數(shù)據(jù))、間歇性數(shù)據(jù)(如照明控制)和重復(fù)性低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)(如鼠標(biāo))。

根據(jù)Zigbee聯(lián)盟目前的設(shè)想，Zigbee的目標(biāo)市場主要有PC外設(shè)(鼠標(biāo)、鍵盤、游戲操控桿)、消費類電子設(shè)備(TV、VCR、CD、VCD、DVD等設(shè)備上的遙控裝置)、家庭內(nèi)智能控制(照明、煤氣計量控制及報警等)、玩具(電子寵物)、醫(yī)護(監(jiān)視器和傳感器)、工控(監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備)等非常廣闊的領(lǐng)域。

政府的計劃給了Zigbee更多的空間，顯示了對其無比的信心。據(jù)報道，美國能源部已經(jīng)決定雇傭Honeywell International Inc.公司，希望通過使用Zigbee傳感器能夠在鋼鐵、鋁以及其他六個行業(yè)中將這些能源的成本降低15%。通過安裝在Alcoa，Dow Chemical，以及ExxonMobil等公司管道系統(tǒng)中傳感器，實時追蹤監(jiān)測產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的氣體使用情況。

Honeywell公司的自動控制部門的副總裁、技術(shù)總監(jiān)Dan Sheflin表示：“能夠?qū)崟r獲取這些數(shù)據(jù)是一件非常重要的事情。”利用這種無線技術(shù)及時采取措施來減少泄漏或者消除浪費，每年可節(jié)約的能量超過華盛頓州去年一年所使用的天然氣產(chǎn)生的能量總和。

至此，Zigbee的應(yīng)用前景已經(jīng)遠遠超過了本文初始的有限描述。Zigbee聯(lián)盟中的先行者英國Invensys、日本三菱電氣、美國摩托羅拉以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司以及三星、Millennial Net和Ember公司的總裁面對2007年35億美元的預(yù)計營業(yè)收入恐怕已經(jīng)難忍笑意。

更重要的是，預(yù)測未來6到7年內(nèi)，家庭用戶將占有Zigbee2/3的市場。在可以預(yù)期的將來，Zigbee無線傳感將切實改變你我的生活。

Zigbee協(xié)議套件

    完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由Zigbee聯(lián)盟制定，IEEE負責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用會聚層將主要負責(zé)把不同的應(yīng)用映射到Zigbee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：

* 安全與鑒權(quán);

* 多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚;

* 設(shè)備發(fā)現(xiàn);

* 業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用基于ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)包含以下功能：

* 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能：拓撲結(jié)構(gòu)的搭建和維護，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含了尋址、路由和安全;

* 同IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣，非常省電;

* 有自組織、自維護功能，以最大程度減少消費者的開支和維護成本。#p#

IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分成LLC(Logical Link Control，邏輯鏈路控制)和MAC(Media Access Control，媒介接入控制)兩個子層。LLC子層在IEEE802.6標(biāo)準(zhǔn)中定義，為802標(biāo)準(zhǔn)系列共用;而MAC子層協(xié)議則依賴于各自的物理層。

IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類型一的LLC標(biāo)準(zhǔn)，同時也允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE802.15.4 的MAC層的服務(wù)。

LLC子層的主要功能包括：

* 傳輸可靠性保障和控制;

* 數(shù)據(jù)包的分段與重組;

* 數(shù)據(jù)包的順序傳輸。

IEEE802.15.4的MAC協(xié)議包括以下功能：

* 設(shè)備間無線鏈路的建立、維護和結(jié)束;

* 確認模式的幀傳送與接收;

* 信道接入控制;

* 幀校驗;

* 預(yù)留時隙管理;

* 廣播信息管理。

IEEE802.15.4定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。兩個物理層都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，有助于Zigbee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s，916MHz是40kb/s。由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。

相對于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee協(xié)議套件緊湊而簡單，其具體實現(xiàn)的要求很低，以下是Zigbee協(xié)議套件的需求估計：

* 8位處理器，如80c51;

* 全協(xié)議套件軟件需要32kbytes的ROM;

* 最小協(xié)議套件軟件大約4kbytes的ROM;

* 網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點需要更多的RAM，以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等。

Zigbee 的應(yīng)用實例

Zigbee 技術(shù)將主要嵌入在消費性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、電腦外設(shè)、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機等設(shè)備中，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領(lǐng)域中。

通常，符合如下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用 Zigbee 技術(shù)做無線傳輸：

1. 設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小;

2. .設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊;

3. .沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池;

4. .頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無法做到或者很困難;

5. .需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。

Zigbee 聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等。

在工業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器和 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。例如危險化學(xué)成分的檢測，火警的早期檢測和預(yù)報，高速旋轉(zhuǎn)機器的檢測和維護。這些應(yīng)用不需要很高的數(shù)據(jù)吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新，重點在低功耗，從而最大程度地延長電池的壽命，減少 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的維護成本。

在汽車上，主要是傳遞信息的通用傳感器。由于很多傳感器只能內(nèi)置在飛轉(zhuǎn)的車輪或者發(fā)動機中，比如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，這就要求內(nèi)置的無線通信設(shè)備使用的電池有較長的壽命(大于或等于輪胎本身的壽命)，同時應(yīng)該克服嘈雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)對電磁波的屏蔽效應(yīng)。

在精確農(nóng)業(yè)，或者叫精確耕種的應(yīng)用中，無線電傳播特性良好，但是需要成千上萬的傳感器構(gòu)成比較復(fù)雜的控制網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的、沒有通信能力的機械設(shè)備，主要依靠人力監(jiān)測作物的生長狀況。采用了傳感器和 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)以后，農(nóng)業(yè)將可以逐漸地轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，使用更多的自動化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和遠程控制的設(shè)備來耕種。傳感器可能收集包括土壤濕度、氮濃度、 pH 值、降水量、溫度、空氣濕度和氣壓等信息。這些信息和采集信息的地理位置經(jīng)由 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)傳送到中央控制設(shè)備供農(nóng)民決策和參考，這樣農(nóng)民能夠及早而且準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題，從而有助于保持并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，將借助于各種傳感器和 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確而且實時地監(jiān)測每個病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負擔(dān)，有助于醫(yī)生做出快速的反應(yīng)，特別是對重病和病?；颊叩谋O(jiān)護和治療。

消費和家用自動化市場是 Zigbee 技術(shù)最有潛力的市場。據(jù)估測，每個家庭需要 100 到 150 個 Zigbee 設(shè)備?？梢月?lián)網(wǎng)的家用設(shè)備包括電視、錄像機、 PC 外設(shè)、兒童玩具、游戲機、門禁系統(tǒng)、窗戶和窗簾、照明設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)和其他家用電器等。家用設(shè)備引入 Zigbee 技術(shù)后，將大大改善人們居住環(huán)境和舒適度，特別適合于兒童、老年人和殘疾人士使用。同時基于 Zigbee 技術(shù)的遙控器可以實現(xiàn)全球漫游和無縫使用，從而在一定程度上降低這些設(shè)備的生產(chǎn)和使用成本。

根據(jù)業(yè)務(wù)流的特征， Zigbee 的應(yīng)用可以劃分成邊疆性業(yè)務(wù)、周期性業(yè)務(wù)和間斷性業(yè)各三種。連續(xù)性業(yè)務(wù)定義為要求低時延數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)，鍵盤、鼠標(biāo)和游戲桿屬于這種類型。周期性業(yè)務(wù)是在固定的時間間隔傳輸數(shù)據(jù)的低速率業(yè)務(wù)，傳感器、流速計和警報系統(tǒng)是周期性業(yè)務(wù)的代表。而間歇性業(yè)務(wù)則以不規(guī)則的時間間隔傳輸數(shù)據(jù)，室內(nèi)照明設(shè)施的開關(guān)和家用電器遙控器屬于這種類型。

Zigbee 技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。

隨著正式版本協(xié)議的即將公布，更多的注意力和研發(fā)力量將轉(zhuǎn)到應(yīng)用的設(shè)計和實現(xiàn)、互聯(lián)互通測試和市場推廣等方面。我們有理由相信在不遠的將來，將有越來越多的內(nèi)置式 Zigbee 功能的設(shè)備進入我們的生活，并將極大地改善我們的生活方式和體驗。#p#

Zigbee 技術(shù)

新興的無線個人局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正逐漸朝商品化的階段邁進，在IEEE 802.15的標(biāo)準(zhǔn)中，除了納入藍芽(IEEE 802.15.1)之外，同時也發(fā)展高速傳輸?shù)腢ltraWideBand(IEEE 802.15.3a)與低耗電的ZigBee(IEEE 802.15.4)，究竟這兩種新的WPAN技術(shù)有何特色?其對無線個人局域網(wǎng)絡(luò)市場的影響為何?本文將為您作進一步的分析。

便宜又省電的低速WPAN標(biāo)準(zhǔn)–Zigbee

Zigbee就如同PURLnet、RF-Lite、Firefly、HomeRF Lite等過去的短距離無線通訊技術(shù)一樣，強調(diào)低成本、低耗電、雙向傳輸、感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能等特色，只不過Zigbee是朝著開放標(biāo)準(zhǔn)的方向發(fā)展。Zigbee一開始是由Honywell所發(fā)起，目前主要的成員包括Invensys、Mistubishi Electric、Motorola、Philips Semiconductor、Samsung等公司為推廣廠商，以及數(shù)十家的IC設(shè)計制造與系統(tǒng)廠商。除此之外，IEEE也將Zigbee收納為IEEE 802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)，與Zigbee Alliance共同為此一WPAN標(biāo)準(zhǔn)催生。

規(guī)格與標(biāo)準(zhǔn)制定

ZigBee的接取方式是采直序展頻(Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù)，可使用的頻段有三個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段，以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、10、1個。

    ZigBee的傳輸速率介于20kbps–250kbps之間，并隨著傳輸距離的延長而減慢，例如發(fā)射功率在1mW的ZigBee產(chǎn)品在10公尺的距離內(nèi)可達250kbps的傳輸速率，但若是將傳輸距離拉長至20公尺，則速度只剩30kbps。不過借著提高發(fā)射功率，還是可以在100公尺的傳輸距離內(nèi)，達到每秒250kbps的傳輸速率。此外，由于ZigBee具備高鏈接數(shù)與低耗電的特性，在感應(yīng)式網(wǎng)絡(luò)(Sensor Network)上的使用，就具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，例如在工廠內(nèi)的作業(yè)溫度量測、水電瓦斯計度的記錄、保全防護的監(jiān)控上，廠商就不需經(jīng)常更換電池或布建供電網(wǎng)絡(luò)，且只需極少的人力與設(shè)備，即可取得所需的信息。

ZigBee Alliance基本規(guī)格

頻段：全球的2.4GHz ISM頻段、歐洲的868MHz頻段，以及美國的915MHz頻段

鏈接數(shù)：支持主從式或點對點方式運作，同時最多可255個裝置鏈接(Master×1，client nodes×254)

接取方式：直列展頻技術(shù)DSSS

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：星形

傳輸速率：20kbps～250kbps

傳輸距離：10公尺(依耗電量之不同，可提升至100公尺)

可使用頻道數(shù)：在2.4GHz的ISM頻段，可使用的信道數(shù)為16個;在915MHz的ISM頻段，可使用的信道數(shù)為10個;在歐洲的868MHz頻段，可使用的信道數(shù)為1個

而在標(biāo)準(zhǔn)制定的分工上，則由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組來共同擔(dān)任標(biāo)準(zhǔn)的制定。其中實體層、MAC層、數(shù)據(jù)鏈結(jié)層，以及傳輸過程中的資料加密機制等發(fā)展由IEEE所主導(dǎo)，并共同針對ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進行研議，而未來還能依系統(tǒng)客戶的需求，來修正其所需的應(yīng)用接口。

Zigbee的應(yīng)用與市場發(fā)展

Zigbee的出發(fā)點是希望能發(fā)展一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)，而其低耗電性可使產(chǎn)品的電池能維持6個月到數(shù)年的時間。在產(chǎn)品發(fā)展的初期，將以工業(yè)或企業(yè)市場的感應(yīng)式網(wǎng)絡(luò)為主，提供感應(yīng)辨識、燈光與安全控制等功能，再逐漸將目前市場擴展至家庭中的應(yīng)用。根據(jù)Zigbee Alliance的觀點，一般家庭可將Zigbee應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制器、燈光、窗簾的自動控制、老年人與行動不便者的緊急呼叫器、電視與音響的萬用遙控器、無線鍵盤、鼠標(biāo)、搖桿、煙霧偵測器、智能型卷標(biāo)，以及玩具等產(chǎn)品。

目前在ZigBee標(biāo)準(zhǔn)制定發(fā)展上，IEEE已于2004年通過有關(guān)實體層與媒體儲存控制層的標(biāo)準(zhǔn)草案，因此早在2003年底，即有芯片設(shè)計廠商發(fā)表適用于868MHz頻段的ZigBee芯片，預(yù)估在2004年底，可達到商品化的目標(biāo)。而投入ZigBee技術(shù)研發(fā)的廠商，對于市場的發(fā)展都抱持相當(dāng)樂觀的看法。根據(jù)Adcon Telemetry AG觀點，預(yù)估全球低速通訊應(yīng)用市場，將在2005年達到5.7億臺的規(guī)模，屆時不論ZigBee能取得多大的市場占有率，這都代表其可發(fā)展的空間的確具有相當(dāng)大的潛力。

ZigBee與802.15.4的區(qū)別

ZigBee建立在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。IEEE　802.15.4是IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineer， 電子電機學(xué)會)確定的低速率，無線個域網(wǎng)(personal area network)標(biāo)準(zhǔn)。這個標(biāo)準(zhǔn)定義了“實體層”(physical layer)和“介質(zhì)訪問層”(medium access layer)。 實體層(PHY)規(guī)范確定了在2.4G赫茲以250kbps的基準(zhǔn)傳輸率工作的低功耗展頻無線電。(另有一些以更低數(shù)據(jù)傳播率工作的915兆赫茲和868兆赫茲的實體層規(guī)范， 但它們不太流行)。

介質(zhì)訪問層(MAC)規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個802.15.4無線電信號如何共享空中通道。介質(zhì)存取層支持幾種架構(gòu)，包括星狀拓撲結(jié)構(gòu)(一個節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點，類似于802.11的接入點)，樹狀拓撲結(jié)構(gòu)(一些節(jié)點依次經(jīng)過另一些節(jié)點才到達網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點)，和網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)(無須主協(xié)調(diào)點，各個節(jié)點之間分享路由職責(zé))。

但是僅僅定義實體層和介質(zhì)訪問層并不足以保證不同的設(shè)備之間可以對話。于是便有了ZigBee聯(lián)盟。ZigBee從802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開始著手，目前正在定義允許不同廠商制造的設(shè)備相互對話的應(yīng)用綱要?！±纾琙igBee“燈綱要”會確定相關(guān)的所有協(xié)議，因此你從A公司買的ZigBee燈開關(guān)會和B公司的燈正常工作。

ZigBee使用直接序列擴頻技術(shù)收發(fā)電波。利用2.4GHz頻段、868MHz頻段、915MHz頻段。一次調(diào)制方式使用O-QPSK時，最大數(shù)據(jù)傳輸速度為250kbps。網(wǎng)絡(luò)拓撲采用網(wǎng)狀、星型、叢集樹狀(cluster-tree)。規(guī)定了兩種設(shè)備級別，一種是支持所有拓撲的“Full Function Device”，一種是只支持部分拓撲的“Reduced Function Device”。