长期以来,低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后,曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已,但是Bluetooth的售价一直居高不下,严重影响了这些厂商的使用意愿。如今,这些业者都参加了IEEE802.15.4小组,负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的无线技术,用于个人区域网和对等网状网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。 ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4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少的能量,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,所以它们的通信效率非常高。
一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载
数据流量较小的业务。所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
1 IEEE 802.15.4和ZigBee介绍 IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10米左右的低速连接,可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。传感器网络是其主要市场对象。
1.1 802．15．4协议架构及其技术特点 IEEE802．15．4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层(如图1所示) 。
| ZigBee Profiles |
| 网络应用层 |
| 数据链路层 |
| IEEE802.15.4 LLC 802.2LLC |
| IEEE802.15.4 MAC |
| 868/915 PHY 2400 PHY |
图1 IEEE802.15.4协议架构 IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准,通过SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer,业务相关的会聚子层)协议承载IEEE802.2类型一的LLC标准,同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4 的MAC层服务。表1列出了IEEE802.15.4的LLC层和MAC层主要功能。
表1 IEEE802.15.4的LLC层和MAC层主要功能 | | |
| LLC子层的主要功能: | | IEEE802.15.4的MAC协议主要功能: |
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| 传输可靠性保障和控制 | | 设备间无线链路的建立、维护和结束 |
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| 数据包的分段与重组 | | 确认模式的帧传送与接收 |
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| 数据包的顺序传输 | | 信道接入控制 |
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| | | 帧校验 |
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| | | 预留时隙管理 |
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| | | 广播信息管理 |
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IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列扩频),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、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段,有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kbps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。868MHz是欧洲的ISM频段,915MHz是美国的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的传输速率为20kb/s,916MHz是40kb/s。这两个频段上无线信号传播损耗较小,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。表2中概括了802．15．4的一些特点。
表2 IEEE802.15.4标准的主要技术特征 | | | | | | |
| 复杂程度 | | 比现有标准低 | | 通信时延 | | ≥15ms |
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| 目的 | | 只支持数据通信 | 功耗 | 约45μs |
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| 频段,数据率 | | 868MHz:20kbps 1 | MAC的控制方式 | |
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| 及信数 | | 925MHz:40kbps 10
2.4GHz:250kbps 16 | 星型网络,对等网络 | |
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每个网络
支持节数 | | 65536 | 寻址方式 | 64bit IEEE地址,
8bit网络地址 |
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| 连接层结构 | | 开放式 | 温度 | -40℃～85℃ |
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| 传输范围 | | 室内:10m速率
250kbps;+0dBmTX
室外:30m～75m速率
40kbps;
300m速率,20kbps | 应用 | 传感器,玩具,
控制领域… |
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