2006-07-25     作者：張平, 康桂霞, 田輝

[摘要] ZigBee技術作為無線感測器網路的主要支撐技術獲得人們廣泛的關注。完整的ZigBee協議套件由高層應用規範、應用會聚層、網路層、資料鏈路層和物理層組成。網路層以上協議由ZigBee聯盟制訂，物理層和媒體訪問控制(MAC)層採用IEEE 802.15.4標準。IEEE802.15.4物理層簡單採用位元到符號對映技術、符號到碼片序列轉換技術、偏移正交相移鍵控(OQPSK)調製技術，無須通道編碼等複雜演算法；MAC層採用載波監聽多址-衝突避免技術，支援休眠模式。整個協議的設計使得ZigBee技術具有資料傳輸速率低、功耗低、成本低等特點，更加適合於工業監控系統、感測器網路、家庭監控系統、安全系統等應用。

[關鍵詞] 無線感測器網路；ZigBee技術；IEEE 802.15.4協議；物理層；多址接入控制

[英文摘要]ZigBee, an important technology supporting wireless sensor networks, has drawn broad attention. A complete ZigBee’s protocol suite consists of high-layer application specifications, the application convergence layer, the network layer, the data link layer, and the physical layer. ZigBee Alliance focuses on defining the protocols above the network layer. The Physical (PHY) layer and the Media Access Control (MAC) layer are defined by the IEEE 802.15.4 standard. The IEEE 802.15.4 physical layer adopts technologies of mapping from bit to symbol, conversion from symbol to chip sequence and Offset Quadrature Phase-shift Keying (OQPSK) modulation, avoiding such complex algorithms as channel coding. The IEEE 802.15.4 MAC layer adopts Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) technology and supports the sleeping mode. ZigBee enables low data rates, low power consumption and cost-effectiveness, and is more applicable to industrial monitoring system, sensor networks, home monitoring system and security system.

[英文關鍵字] wireless sensor network; ZigBee technology; IEEE 802.15.4; the physical layer; multiple access control

基金專案：北京市自然科學基金專案(4062023)

      幾年來，無線與行動通訊以前所未有的速度迅猛發展。隨著各種行動式個人通訊裝置與家用電器裝置的增加，人們享受蜂窩移動通訊系統帶來的便利的同時，對短距離的無線與行動通訊又提出了新的需求，使得短距離無線通訊異軍突起，包括無線區域網、藍芽技術、移動Ad Hoc網、超寬頻(UWB)以及ZigBee技術等各種熱點技術相繼出現，均展現出各自巨大的應用潛力。其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技術作為無線感測器網路的主要支撐技術獲得廣泛的關注[1-4]。

      ZigBee是短距離通訊的一種新興技術。它使用2.4 GHz波段，採用跳頻技術。與藍芽相比，ZigBee更簡單、功率及費用也更低，能夠比藍芽更好地支援遊戲、消費電子、儀器和家庭自動化應用。人們期望能在工業監控、感測器網路、家庭監控、安全系統和玩具等領域拓展ZigBee的應用[5]。

      ZigBee的技術特點在於：

• 資料傳輸速率低，只有10～250 kb/s。
• 功耗低。在低耗電待機模式下，兩節普通5號乾電池可使用6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。
• 成本低。ZigBee資料傳輸速率低，協議簡單，且免收專利費，所以大大降低了成本。
• 網路容量大。每個ZigBee網路最多可支援255個裝置。
• 時延短。通常時延為15～30 ms。
• 安全。ZigBee提供了資料完整性檢查和鑑權功能，採用先進加密標準-128(AES-128)加密演算法。
• 有效範圍小。有效覆蓋範圍10～75 m，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。
• 工作頻段靈活。使用頻段為2.4 GHz、868 MHz(歐洲)及915 MHz(美國)，均為免執照頻段。
  

1 ZigBee協議

1.1 ZigBee協議框架
      ZigBee協議棧由一組子層構成。每層為其上層提供一組特定的服務：一個數據實體提供資料傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點(SAP)為其上層提供服務介面，並且每個SAP提供了一系列的基本服務指令來完成相應的功能。

      ZigBee協議棧的體系結構[6]如圖1所示。它雖然是基於標準的七層開放式系統互聯(OSI)模型，但僅對那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE 802.15.4-2003標準[7]定義了最下面的兩層：物理層(PHY)和介質接入控制子層(MAC)。ZigBee聯盟提供了網路層和應用層(APL)框架的設計。其中應用層的框架包括了應用支援子層(APS)、ZigBee裝置物件(ZDO)和由製造商制訂的應用物件。

      相比於常見的無線通訊標準，ZigBee協議套件緊湊而簡單，具體實現的要求很低。以下是ZigBee協議套件的需求估計：硬體需要8位處理器，如80c51；軟體需要32 kB的ROM，最小軟體需要4 kB的ROM；網路主節點需要更多的RAM以容納網路內所有節點的裝置資訊、資料包轉發表、裝置關聯表、與安全有關的金鑰儲存等。

1.2 IPv6與IEEE 802.15.4的結合
      Zigbee聯盟希望建立一種可連線每個電子裝置的無線網。它預言ZigBee將很快成為全球高階的無線技術，到2007年ZigBee節點將達到30億個。具有幾十億個節點的網路將很快耗盡已不足的IPv4的地址空間。因此IPv6與IEEE 802.15.4結合是感測器網路的發展趨勢。IPv6採用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6實際可為整個地球的每平方米麵積分配1 000多個地址。IPv6在設計過程中，除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外，還考慮了在IPv4中解決不好的其他問題，如端到端IP連線、服務質量(QoS)、安全性、多播、移動性、即插即用等。

1.3 工作頻段和速率
      IEEE 802.15.4工作在工業科學醫療(ISM)頻段，定義了兩個工作頻段，即2.4 GHz頻段和868/915 MHz頻段。

      在IEEE 802.15.4中，總共分配了27個具有3種速率的通道：在2.4 GHz頻段有16個速率為250 kb/s的通道，在915 MHz頻段有10個40 kb/s的通道，在868 MHz頻段有1個20 kb/s的通道。

      這些通道的中心頻率按如下定義(k為通道數)：
Fc=868.3 MHz，k=0；
Fc=906 MHz+2(k-1)MHz，
k=1，2……10；
Fc=2 405 MHz+5(k-11) MHz，
k=11，12……26。

      一個IEEE 802.15.4網可以根據可用性、擁擠狀況和資料速率在27個通道中選擇一個工作通道。從能量和成本效率來看，不同的資料速率能為不同的應用提供較好的選擇。例如，對於有些計算機外圍裝置與互動式玩具，可能需要250 kb/s速率，而對於其他許多應用，如各種感測器、智慧標記和家用電器等，20 kb/s這樣的低速率就能滿足要求。

2 IEEE 802.15.4物理層
      來自IEEE 802.15.4物理層協議資料單元(PPDU)的二進位制資料被依次(按位元組從低到高)組成4位二進位制資料符號，每種資料符號(對應16狀態組中的一組)被對映成32位偽噪聲碼片(CHIP)，以便傳輸。然後這個連續的偽噪音CHIP序列被調製(採用最小鍵控方式)到載波上，即採用半正弦脈衝波形的偏移正交相移鍵控(OQPSK)調製方式。IEEE 802.15.4物理層傳輸格式如圖2所示。

      868/915 MHz頻段物理層使用簡單的直接序列擴頻(DSSS)方法，每個PPDU資料傳輸位被最大長為15的CHIP序列所擴充套件(即被多組+1、-1構成的m-序列編碼)，然後使用二進位制相移鍵控技術調製這個擴充套件的位元序列。不同的資料傳輸率適用於不同的場合。例如：868/915 MHz頻段物理層的低速率換取了較好的靈敏度和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定物理區域所需的節點數。2.4 GHz頻段物理層的較高速率適用於較高的資料吞吐量、低延時或低作業週期的場合。

3 IEEE 802.15.4 MAC層
      IEEE 802.15.4 MAC層提供兩種服務：MAC層資料服務和MAC層管理服務。管理服務通過MAC層管理實體(MLME)服務接入點(SAP)訪問高層。MAC層資料服務使MAC層協議資料單元(MPDU)的收發可以通過物理層資料服務。IEEE 802.15.4 MAC層的特徵有信標管理、通道接入機制、保證時隙(GTS)管理、幀確認、確認幀傳輸、節點接入和分離。

3.1 超幀結構
      低速率的無線個域網允許使用超幀結構。超幀的格式由感測器網路的協調器定義。超幀被分為16個大小相等的時隙，由協調器傳送，如圖3所示。每個超幀之間由網路信標分隔。信標幀在超幀的第一個時隙被傳輸。如果協調器不想使用超幀結構，它將會停止信標的傳輸。信標可用來使接入的裝置同步，區分個域網，描述超幀結構。任何想要在競爭接入時段(CAP)通訊的裝置都要使用有時隙的載波監聽多址接入-衝突避免(CSMA-CA)。所有的傳輸要在下一個信標到來之前結束。

      超幀結構有活躍和非活躍兩部分。在非活躍部分，協調器將不和網路聯絡，進入低能模式。

      對於低延遲應用或需要特殊頻寬的應用來說，網路協調器為它貢獻出超幀的活躍部分。這部分叫做GTS。GTS由無競爭時段(CFP)組成，它總是緊跟著CAP，在活躍的超幀尾部，如圖4所示。網路協調器可以分配7個GTS，每個GTS可以佔用一個以上的時隙。而CAP有充足的時間留給基於競爭的接入的網路裝置或想加入網路的裝置。所有基於競爭的傳輸都要在CFP開始前結束，同樣，GTS的傳輸也要確保在下個GTS開始前結束。

3.2 CSMA-CA機制
      低速率的無線個人區域網依據網路的結構不同，使用兩種通道接入機制。無信標網路使用無時隙的CSMA-CA通道接入機制。每當裝置想要傳輸資料幀或MAC命令時，它將等待隨機的一段時間。在隨機退避之後，如果通道被檢測為空閒，裝置將傳輸資料；如果通道被檢測為忙，裝置在再次嘗試接入通道之前，要重新等待隨機的一段時間，確認幀的傳送不使用CSMA-CA機制。

      有信標網路使用有時隙的CSMA-CA通道接入機制，退避時隙在信標傳輸的開始排列好。每當裝置在競爭接入時段要傳輸資料時，它需要確定下一個退避時隙的界限，之後等待隨機的幾個退避時隙。在隨機退避之後，如果通道被檢測為忙，裝置在再次嘗試接入通道之前，要重新等待隨機的幾個退避時隙；如果通道被檢測為空閒，裝置將在下個退避時隙傳輸資料。確認幀和信標幀的傳送將不需要CSMA-CA機制。

3.3 安全模式
      在低速率無線個人區域網路中裝置可根據自身需要選擇不同的安全模式：無安全模式、訪問控制列表(ACL)模式和安全模式。

      無安全模式是MAC子層預設的安全模式。處於這種模式下的裝置不對接收到的幀進行任何安全檢查。當某個裝置接收到一個幀時，只檢查幀的目的地址。如果目的地址是本裝置地址或廣播地址，這個幀就會被轉發給上層，否則丟棄。在裝置被設定為混雜模式(Promiscuous)的情況下，它會向上層轉發所有接收到的幀。

      訪問控制列表模式為通訊提供了訪問控制服務。高層可以通過設定MAC子層的ACL條目指示MAC子層根據源地址過濾接收到的幀。因此這種方式下MAC子層就沒有提供加密保護，高層有必要採取其他機制來保證通訊的安全。

      安全模式對接收或傳送的幀提供全部的4種安全服務：訪問控制、資料加密、幀完整性檢查和順序更新。

4 ZigBee網路層
      ZigBee網路層將主要考慮採用基於Ad Hoc技術的網路協議，應包含以下功能：
      (1)通用的網路層功能：拓撲結構的搭建和維護，命名和關聯業務，包含定址、路由和安全。

      (2)同IEEE 802.15.4標準一樣，非常省電。

      (3)有自組織、自維護功能，可以最大程度減少消費者的開支和維護成本。

      ZigBee用於無線感測器網路，由於網路拓撲的多變和形式多樣化，應選擇適合應用場景的網路層協議。

      無線網路拓撲結構一般分為星狀網、網狀網、混合網(星狀＋網狀)，如圖5所示。而無線感測器網路拓撲結構具有網路節點數目眾多，網路結構動態變化紛繁複雜等特點，在此我們主要比較3種基本網路拓撲結構，並選出比較適合大型感測器網路使用的拓撲結構。

      基本的星狀網拓撲結構(圖5(a))是一個單跳(Single-hop)系統，如傳統無線網路。基站節點可以是一臺PC、個人數字助理(PDA)、專用控制裝置、嵌入式網路伺服器，或其他與高資料率裝置通訊的閘道器，網路中各終端節點也可以不同。依據星狀網的特點可以看出，當各個感測器節點距離基站節點比較遠，感測器節點分佈範圍大時，這種拓撲結構是行不通的。因為感測器節點能量有限，如果每個節點都要保證資料正確接收的信噪比(SNR)值，則感測器節點必須以較大功率向基站節點發送資料，能量很快就會耗盡。

      網狀網拓撲結構是一種多跳的網路系統，網路中的所有無線感測器節點都相同，可以直接互相通訊，每一次網路都會選擇一條或者多條路由進行多跳傳輸，將所要傳輸的資料資訊傳給基站(圖5(b))。網狀網的每個感測器節點都有多條路徑到達基站節點，因此它的容故障能力較強，而且這種多跳系統以多跳代替了單跳的傳輸距離，減小了源感測器所需要的傳送功率。但是同時由於感測器網路節點數量大，中繼節點數目眾多，且分佈隨機分散，因此在網狀網中查詢多跳路由和進行路由維護和修復(自愈)是非常困難的，同時網路中感測器節點必須一直“監聽”網路中某些路徑上的資訊和變化，以有效地傳遞資料，這些從另一方面增加了網路的能量損耗，減少了網路壽命。

      混合網拓撲結構(圖5(c))力求兼具星狀網的簡潔以及網狀網的多跳傳輸和自愈性等優點。其中分層式的網路結構屬於混合網中較為典型的一種，尤其適合節點數量眾多的無線感測器網路應用。在分層網中，整個感測器網路形成分層結構。相鄰感測器通過由基站節點指定或者自組織等方法形成各個獨立的簇，每個簇選出簇首節點，每簇中所包含的感測器節點通過簇首所安排的機制將所收集的資料資訊傳給簇首，然後由簇首將所接收到的資訊進行融合，再轉發給基站節點。這種分層式網路中，感測器節點之間不是平等的。這種方法，既通過簇首的資料融合減少了資訊冗餘度，通過多跳減小了源節點的傳送功率，減少了網路的能量消耗，又可以通過簇首的控制減小網路中大部分節點的傳輸範圍，增加頻寬複用率，同時使網路節點不必一直保持“監聽狀態”，減少了網路中路由和資料處理的開銷，延長了網路壽命。這種分層簇結構拓撲協議儘管在傳統Ad Hoc網路中也有大量的研究，但是傳統Ad Hoc網路拓撲結構中的分層網路協議並沒有考慮感測器網路中節點數量眾多和節點能量及計算能力有限的特點，其協議不能直接利用於無線感測器網路中。因此，研究者在傳統Ad Hoc網路協議的基礎上，研究出了旨在針對感測器網路中各種問題的網路拓撲協議，使得拓撲協議針對性和實用性更強，採用這種混合網分層拓撲結構的典型協議有低功耗自適應分簇演算法(LEACH)、感測器資訊系統中能量高效的資料收集(PEGAGIS)、域值敏感能量高效感測器網路協議(TEEN)[8-9]。

      綜上所述，不同網路拓撲結構的選擇是根據網路中節點與基站的相對位置，以及網路中的無線引數的不同而定的。當網路中基站的位置比較靠近感測器節點，甚至處於感測器節點中間，同時整個網路的分佈範圍比較小的時候，星形網路有其相應的優勢，而網狀網與混合式分層網路結構比較適用於基站位置比較遠，感測器節點比較分散的情況。可以看到，儘管網狀網拓撲結構魯棒性比較強，但是由於需要清楚地瞭解各個感測器節點的位置資訊，同時路由開銷比較大，使得節點構造和網路實現比較複雜，尤其是對於具有移動節點的感測器網路，以上問題就更加突出。因此，為了節省功率，簡便實現感測器組網，簡化感測器節點，大多數感測器路由研究均基於分層式網路結構。

5 ZigBee應用演示例項
      利用ZigBee無線感測器網路，北京郵電大學搭建了環境監測系統。
系統以北京郵電大學校園為環境測試物件，隨機佈置感測器資料採集節點，感知採集校園環境的溫度和光強等環境參量的實時變化。

      採集節點通過微處理器收集資料資訊，通過天線發射模組傳送資料至感測器閘道器匯聚節點。閘道器節點與計算機之間互動通訊，通訊軟體視覺化實時顯示環境資訊。硬體採用Crossbow公司生產的感測器資料採集節點與閘道器匯聚節點，符合ZigBee工業標準。軟體平臺採用TinyOS軟體編譯平臺並結合硬體進行演示開發。

6 結束語
      IEEE 802.15.4協議標準主要用於低速無線個人區域網及無線感測器網路應用，是ZigBee的物理層和MAC層的主要支撐技術。該標準由於採用了簡單的物理層和MAC層協議而使得其具有低功耗、低成本等特徵，從而使得ZigBee更適合於工業監控、感測器網路、家庭監控等應用。同時，採用分層式的網路結構能夠在基站位置較遠、感測器節點分散的無線感測器網路中進一步節省功率。

7 參考文獻
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收稿日期：2006-05-23