ZigBee无线通信协议实现技术的研究.docx
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ZigBee无线通信协议实现技术的研究
2007,43（6
1引言
近几年来,随着无线移动通信技术地迅速发展,新的技术不断出现。
从蜂窝移动通信到宽带接入,再到无线局域网,使世界在这张无线的大网中变得越来越小。
红外、HomeRF、蓝牙和802.1l等技术的出现又推动了无线个人域网（WPAN的向前发展。
目前的无线通信技术主要致力于如何提高通信速率,而相对于简单无线连接的应用领域,如工业现场各种传感器的参数收集等,由于数据传输量小,并不需要很高的传输速率。
如果使用现有的、过于复杂的无线通信技术将消耗很多能量,并且占用过多的计算和通信资源,同时也增加了设备成本。
因此,迫切需要一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术。
为了满足这种要求,在2002年8月,由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司成立了ZigBee联盟,并于2004年12月,正式公布了无线通信技术ZigBee的1.0标准。
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术[1,5]。
工作在2.4GHz的ISM频段上,传输速率为20kb/s-250kb/s,传输距离为10m-75m。
主要适合于工业控制、传感和远程控制领域。
它依据IEEE802.15.4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。
ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定了它适合于承载数据流量较小的业务。
本文针对ZigBee技术的实现细节进行了剖析和研究,给出了网络层协议实现技术的细节,以便支持其实现软件的开发。
2ZigBee的协议体系结构
为了遵循国际标准组织（ISO开放系统互连（OSI参考模式,ZigBee联盟采用了IEEE802.15.4标准定义的单一的MAC层和多样的物理层,它制定了MAC层以上的协议,其协议体系结构[2,4]如图1所示。
2.1物理层
IEEE802.15.4标准定义了两个物理层,分别是868MHz/915MHz物理层和2.4GHz物理层,两个物理层都使用相同的数据帧格式[3],如图2所示。
采用直序扩频技术DSSS（Di-rectSequenceSpreadSpectrum,DSSS,降低了数字集成电路的成本。
不同之处在于它们的工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。
868MHz是欧洲的ISM频段,它只有一个信道,传输速率为20kbps;915MHz是美国的ISM频段,它有10个信道,传输速率为40kbps,它们都采用BPSK调制方式。
这两
ZigBee无线通信协议实现技术的研究
任秀丽1,2,于海斌2
RENXiu-li1,2,YUHai-bin2
1.吉林师范大学计算机学院,吉林四平136000
2.中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳110016
1.SchoolofComputer,JilinNormalUniversity,Siping,Jilin136000,China
2.ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China
E-mail:
rxl@
RENXiu-li,YUHai-bin.StudyofrealizingtechnologyonZigBeewirelesscommunicationprotocol.ComputerEngineeringandApplications,2007,43（6:
143-145.
Abstract:
Withtherapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnologies,manynewwirelesscommunicationtechnologiesconstantlycomeforth.TherisingZigBeehasbeenagoodappliedfield.Inthispaper,thereisacompletelyanalysisandstudyforZigBeewirelesscommunicationprotocol,andgivethedetailedrealizingtechnologyofnetworklayersoastosupportthedevelopmentofitssoftware.
Keywords:
wirelesscommunication;ZigBee;protocol;routing;algorithm
摘要:
随着无线通信技术地迅速发展,新的技术不断出现。
当前新兴的ZigBee技术具有很好的应用前景。
针对ZigBee无线通信协议的实现进行了全面地剖析和研究,给出了网络层协议实现技术的细节,以便支持其实现软件地开发。
关键词:
无线通信;ZigBee;协议;路由;算法
文章编号:
1002-8331（200706-0143-03文献标识码:
A中图分类号:
TP393
基金项目:
国家自然科学基金（theNationalNaturalScienceFoundationofChinaunderGrantNo.60374072;国家高技术研究发展计划（863（theNationalHigh-TechResearchandDevelopmentPlanofChinaunderGrantNo.2004AA412020。
作者简介:
任秀丽,副教授,博士后,主要研究方向为无线网络与通信;于海斌,研究员,博士生导师,主要研究方向为工业通信、人工智能。
ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用143
2007,43（6ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用
个频段的引入避免了与
2.4GHz
附近各种无线通信设备的相互干扰,
且这两个频段上的无线信号传播损耗较小,
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,因而可以用较少的设备覆盖给定的区域。
2.4GHz是全球统一的无需申请的ISM频段,对于ZigBee设备的推广和降低生产成本有极大的好处。
2.4GHz频段有16个信道,能够提供250kbps的传输速率,它采用O-QPSK调制方式。
2.2数据链路层
IEEE802系列标准把数据链路层分为媒体接入控制
层MAC（MediaAccessControl,MAC和逻辑链路控制层LLC（LogicalLinkControl,LLC。
IEEE802.15.4的MAC子层支持多种LLC标准,如IEEE802.2类型的LLC标准,同时也允许其它LLC标准直接使用IEEE802.15.4的MAC层的服务,而
MAC子层协议则依赖于不同的物理层。
ZigBee的MAC子层主
要从低成本、低复杂度和低功耗进行设计。
功能包括设备间无线数据链路的建立与维护、确认模式的帧传送与接收、信道接入控制、帧校验、预留时隙管理、广播信息管理。
LLC子层主要完成传输可靠性和控制、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输等功能。
数据链路层有4种帧类型:
数据帧、信标帧、命令帧和确认帧,其一般结构如图3所示。
为了提高数据传输的可靠性,ZigBee采用了载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA的信道访问方式和完全握手协议。
该标准支持两种类型的地址,一类是16位的局部地址,处理起来更加方便,节约功耗;另一类是64位的扩展地址,可以为全球任意一个设备分配的唯一的地址。
2.3网络层
ZigBee的网络层主要考虑采用基于Adhoc技术的网络
协议,使其在具有通用的网络层功能基础上能尽量的减小功耗、减少成本,并具有高度动态的拓扑结构和自组织、自维护的功能。
网络层有二种帧类型[2]:
数据帧和命令帧,其一般结构如
图4所示。
为了降低系统成本,ZigBee网络中定义了两种类型的设备:
一种是全功能设备FFD（FullFunctionDevice,FFD称为主设备,它承担了网络协调者的功能,可与网络中任何类型的设备通信,它亦可作为网络中的路由设备;另一种是简化功能设备RFD（ReducedFunctionDevice,RFD称为从设备,它不能作为网络协调者,只能与主设备通信。
ZigBee主要采用了3种组网方式[3]:
星型网（Star、网状型网（Mesh和簇型网（Cluster
tree,如图5所示。
2.3.1
地址分配
在ZigBee网络中,只有一个节点作为网络协调者,其它节点作为路由节点或者是叶子节点。
全功能设备可作为网络协调者和路由节点,而简化功能设备只能作为叶子节点。
网络结构通常采用簇型网,节点地址是由其父节点采用分布式地址分配方案进行分配。
网络协调者确定整个网络节点的数目,每个节点都拥有一个网络深度,用以指示在其父子链路上数据传输到协调者的最小跳数。
协调者的深度为0,而它的孩子节点的深度为1。
显然,多跳网络中的深度是大于1的,网络的深度是由网络协调者来决定的。
在ZigBee网络中,假设一个父节点有最大孩子节点数为
Cm,网络的最大深度为Lm,一个父节点的最大路由数Rm,可以
计算网络中每个节点的功能函数Cskip（d,其函数式为:
Cskip（d=1+Cm*（Lm-d-1
Rm=1
1+Cm-Rm-Cm*Rm
Lm-d-1
1-Rm
其!
###"###$
它
式中的d是节点到协调者的深度。
如果Cskip（d的值为0,则表明此节点为叶子节点;而Cskip（d的值大于0,则表明该节点可作为一个父节点,这个父节点可以接收子节点并根据它们是否具有路由能力来分配地址。
具体过程是:
首先一个子节点的地址被分配,子节点地址比父节点的地址多1;然后其余节点根
144
2007,43（6（上接118页参考文献:
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据如下式子求出。
An=Aparent+Cskip（d*Rm+n
式中1≤n≤（Cm-Rm,Aparent代表父节点的地址。
现将图5中的簇型网各节点的地址通过上述公式计算,结果如图6所示。
2.3.2路由算法
ZigBee网络中,协调者和路由节点具有路由功能。
ZigBee
的路由算法在路由发现和路由维护期间利用路径代价作为路由的标准。
路径代价就是求整个路径在每一个链路上的代价和。
具体通过以下式子求出:
C{P}=L-1
i=1
"
C{[Di,Di+1]}
式中P表示一条路径;L表示一条链路;[Di,Di+1]表示一条链路上的两个设备;C{[Di,Di+1]}为一条链路的代价;C{P}就是在路径
P上的总代价。
若设C{[Di,Di+1]}等于C{l},则在链路l上的代价
为:
C{l}=
7
min7,round
1p
4l
#$%
&’
（*
式中pl是数据包在链路l上的投递率,它取决于链路质量。
从上式可以看到,对于每一个设备,C{l}有两个值的选择,具体选取哪一个值由网络层信息库的属性来决定。
ZigBee网络层采用一种基本的路由算法,该算法的主要思
想是先对接收的数据帧进行判断,判断数据帧的来源。
然后,分解出数据帧中的目的地址,根据目的地址,采用相应的机制传送数据帧,具体实现过程如图7所示。
2.4应用会聚层
应用会聚层包括应用对象终端设备和应用接口层,且最多
只能包含31个应用对象。
应用接口层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络层上,其中包括:
安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现及业务发现。
3结论
ZigBee是一项新兴的短距离无线通信技术,它弥补了低成
本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,是无线个人区域网络不可缺少的组成部分。
同时,它也已被业界认同为传感网络的基本通信技术。
随着ZigBee技术的不断完善和发展,其大量丰富而便捷的应用,保证了ZigBee技术具有独特的生存空间。
（收稿日期:
2006年8月
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ZigBee无线通信协议实现技术的研究
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