摘要： 本文從ZigBee的發(fā)展歷史入手，探討了這種基于無線傳感器技術的網絡應用的協(xié)議棧、性能分析和各種應用領域，全面構建了完整的ZigBee技術應用與發(fā)展藍圖。
關鍵詞： 短距離無線通信;ZigBee;IEEE 802.15.4
概述
“ZigBee” 是什么?從字面上猜像是一種蜜蜂。因為“ZigBee”這個詞由“Zig”和“Bee”兩部分組成，“Zig”取自英文單詞“zigzag”，意思是走 “之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳著“之”字形舞的蜜蜂。不過，ZigBee并非是一種蜜蜂，事實上，它與藍牙類似是一種新興的短距離無線通信技術，國內也有人翻譯成“紫蜂”。下面就讓我們一起進入這只蜜蜂的世界，與蜂共舞吧!
這只蜜蜂的來頭還是要從它的歷史開始說起，早在上世紀末，就已經有人在考慮發(fā)展一種新的通信技術，用于傳感控制應用(sensor and control)，這個想法后來在 IEEE 802.15工作組當中提出來，于是就成立了TG4工作組，并且制定了規(guī)范IEEE 802.15.4。但是IEEE 802的規(guī)范只專注于底層，要達到產品的互操作和兼容，還需要定義高層的規(guī)范，于是2002年ZigBee Alliance成立，正式有了“ZigBee”這個名詞。兩年之后，ZigBee的第一個規(guī)范ZigBee V1.0誕生，但這個規(guī)范推出的比較倉促，存在一些錯誤，并不實用。此后ZigBee Alliance又經過兩年的努力，推出了新的規(guī)范ZigBee 2006，這是一個比較完善的規(guī)范。據聯盟最新的消息，今年年底將會發(fā)布更新版本的規(guī)范 ZigBee 2007，這個版本增加了一些新的特性。
從ZigBee的發(fā)展歷史可以看到，它和IEEE 802.15.4有著密切的關系，事實上ZigBee的底層技術就是基于IEEE 802.15.4的，因此有一種說法認為ZigBee和IEEE 802.15.4是同一個東西，或者說“ZigBee”只是IEEE 802.15.4的名字而已，其實這是一種誤解。實際上ZigBee和IEEE 802.15.4的關系，有點類似于WiMAX和IEEE 802.16，Wi-Fi和IEEE 802.11，Bluetooth和IEEE 802.15.1。“ZigBee”可以看作是一個商標，也可以看作是一種技術，當把它看作一種技術的時候，它表示一種高層的技術，而物理層和MAC層直接引用IEEE 802.15.4。事物是不斷的發(fā)展變化的，尤其是通信技術，可以想象將來的ZigBee可能不會使用IEEE 802.15.4定義的底層，就跟藍牙(Bluetooth) 宣布下一代底層采用UWB技術一樣，但是“ZigBee”這個商標以及高層的技術還會繼續(xù)保留。
ZigBee協(xié)議棧速讀
我們無法預料將來ZigBee會基于怎樣的底層技術，只好從它現在的底層——IEEE 802.15.4開始了解，IEEE 802.15.4包括物理層和 MAC層兩部分。ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用于歐洲的868MHz頻帶，用于美國的915MHz頻帶，以及全球通用的2.4GHz頻帶，但這三個頻帶的物理層并不相同，它們各自的信道帶寬分別是0.6MHz, 2MHz和5MHz，分別有1個，10個和16個信道。不同頻帶的擴頻和調制方式也有所區(qū)別，雖然都使用了直接序列擴頻(DSSS)的方式，但從比特到碼片的變換方式有比較大的差別;調制方面都使用了調相技術，但868MHz和 915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。我們可以以2.4GHz頻段為例看看發(fā)射機基帶部分的框圖(如圖1)，可以看到物理層部分非常簡單，而IEEE 802.15.4芯片的低價格正是得益于底層的簡單性�？赡芪覀儠䲟乃男阅�，但我們可以再看看它和 Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比較(如圖2)，在同樣比特信噪比的情況下， IEEE 802.15.4要優(yōu)于其他兩者。直接序列擴頻技術具有一定的抗干擾效果，同時在其他條件相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術。在發(fā)射功率為 0dBm的情況下，Bluetooth通常能有10m作用范圍，而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室內通常能達到30~50m作用距離，在室外如果障礙物較少，甚至可以達到100m作用距離;同時調相技術的誤碼性能要優(yōu)于調頻和調幅技術。因此綜合起來，IEEE 802.15.4具有性能比較好的物理層。另一方面，我們可以看到IEEE 802.15.4的數據速率并不高，對于2.4GHz頻段只有250kb/s，而868MHz頻段只有 20kb/s，915MHz頻段只有40kb/s。因此我們完全可以把它歸為低速率的短距離無線通信技術。 
圖1 IEEE 802。15.4 物理層2.4GHz頻段發(fā)射機基帶框圖 
圖2 幾種無線通信技術性能比較
物理層的上面是MAC層，它的核心是信道接入技術，包括時分復用GTS技術和隨機接入信道技術CSMA/CA。不過ZigBee實際上并沒有對時分復用GTS技術進行相關的支持，因此我們可以暫不考慮它，而專注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的網絡所有節(jié)點都工作在同一個信道上，因此如果鄰近的節(jié)點同時發(fā)送數據就有可能發(fā)生沖突。為此MAC層采用了CSMA/CA的技術，簡單來說，就是節(jié)點在發(fā)送數據之前先監(jiān)聽信道，如果信道空閑則可以發(fā)送數據，否則就要進行隨機的退避，即延遲一段隨機時間，然后再進行監(jiān)聽，這個退避的時間是指數增長的，但有一個最大值，即如果上一次退避之后再次監(jiān)聽信道忙，則退避時間要增倍，這樣做的原因是如果多次監(jiān)聽信道都忙，有可能表明信道上的數據量大，因此讓節(jié)點等待更多的時間，避免繁忙的監(jiān)聽。通過這種信道接入技術，所有節(jié)點競爭共享同一個信道。在MAC層當中還規(guī)定了兩種信道接入模式，一種是信標(beacon)模式，另一種是非信標模式。信標模式當中規(guī)定了一種“超幀”的格式，在超幀的開始發(fā)送信標幀，里面含有一些時序以及網絡的信息，緊接著是競爭接入時期，在這段時間內各節(jié)點以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時期，節(jié)點采用時分復用的方式接入信道，然后是非活躍時期，節(jié)點進入休眠狀態(tài)，等待下一個超幀周期的開始又發(fā)送信標幀。而非信標模式則比較靈活，節(jié)點均以競爭方式接入信道，不需要周期性的發(fā)送信標幀。顯然，在信標模式當中由于有了周期性的信標，整個網絡的所有節(jié)點都能進行同步，但這種同步網絡的規(guī)模不會很大。實際上，在ZigBee當中用得更多的可能是非信標模式。
MAC層往上就屬于ZigBee 真正定義的部分了，我們可以參看一下ZigBee的協(xié)議棧(圖3)。底層技術，包括物理層和MAC層由IEEE 802.15.4制定，而高層的網絡層、應用支持子層(APS)、應用框架(AF)、ZigBee設備對象(ZDO)和安全組件(SSP)，均由ZigBee Alliance所制定。
