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、、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zui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:
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
数据包的分段与重组 　确认模式的帧传送与接收
数据包的顺序传输 　信道接入控制
帧校验
预留时隙管理
广播信息管理
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
目的 　只支持数据通信 　功耗 　约45μs
频段,数据率 　868mhz:20kbps 1 　mac的控制方式
及信数 　925mhz:40kbps 10
　2.4ghz:250kbps 16 　星型网络,对等网络
每个网络
　支持节数 　65536 　寻址方式 　64bit ieee地址,
　8bit网络地址
连接层结构 　开放式 　温度 　-40℃～85℃
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…
1.2 zigbee技术概述
zigbee是一组基于ieee批准通过的802.15.4无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是802.15.4的名字。ieee仅处理低级mac层和物理层协议,zigbee联盟对其网络层协议和api进行了标准化。*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。
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联盟制定,ieee802.15.4负责物理层和链路层标准。
应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到zigbee网络上,具体而言包括:
（1） 安全与鉴权;
（2） 多个业务数据流的会聚;
（3） 设备发现;
（4） 业务发现。
网络层将主要考虑采用基于ad hoc技术的网络协议,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,包含了寻址、路由和安全;
（2） 同ieee802.15.4标准一样,非常省电;
（3） 有自组织、自维护功能,以zui大程度减少消费者的开支和维护成本。
相对于常见的无线通信标准,zigbee协议套件紧凑而简单,其具体实现的要求很低,以下是zigbee协议套件的需求估计:
（1） 8位处理器,如80c51;
（2） 协议套件软件需要32kbytes的rom;
（3） zui小协议套件软件大约4kbytes的rom;
（4） 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。
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