摘　要： ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文詳細(xì)分析了ZigBee技術(shù),IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)應(yīng)用，討論了它們的關(guān)系和相對其它技術(shù)的特點(diǎn)，并對其在家庭無線通信網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。本文還針對無線網(wǎng)絡(luò)與NGN(IPV6)的結(jié)合做了分析。
　　關(guān)鍵詞： IEEE802.15.4 ZigBee 短距離無線網(wǎng)絡(luò) IPV6

　　IEEE802.15.4定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kbps的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延" title="時延">時延和更短的工作周期，從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s，916MHz是40kb/s。這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。表2中概括了802.15.4的一些特點(diǎn)。
1.2 ZigBee技術(shù)概述
　　ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器" title="協(xié)調(diào)器">協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個節(jié)點(diǎn)，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會被其它節(jié)點(diǎn)獲得。
　　完整的Zigbee協(xié)議套件" title="套件">套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。
　　應(yīng)用會聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：
　　(1) 安全與鑒權(quán)；
　　(2) 多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚；
　　(3) 設(shè)備發(fā)現(xiàn)；
　　(4) 業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。
　　網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用基于ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)包含以下功能：
　　(1) 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù)，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含了尋址、路由和安全；
　　(2) 同IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣，非常省電；
　　(3) 有自組織、自維護(hù)功能，以最大程度減少消費(fèi)者的開支和維護(hù)成本。
　　相對于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee協(xié)議套件緊湊而簡單，其具體實現(xiàn)的要求很低，以下是Zigbee協(xié)議套件的需求估計：
　　(1) 8位處理器，如80c51；
　　(2) 協(xié)議套件軟件需要32kbytes的ROM；
　　(3) 最小協(xié)議套件軟件大約4kbytes的ROM；
　　(4) 網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的RAM，以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等。
1.3 整個協(xié)議構(gòu)架
　　在標(biāo)準(zhǔn)制定的分工上，由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組共同制定，其中實體層、MAC層、資料鏈結(jié)層，以及傳輸過程中的資料加密機(jī)制等發(fā)展由IEEE所主導(dǎo)，并共同針對ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進(jìn)行研討，而未來還能依系統(tǒng)客戶的需求，為不同應(yīng)用修正其所需之應(yīng)用界面。ZigBee從802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開始著手，目前正在定義允許不同廠商制造的設(shè)備相互對話的應(yīng)用綱要。
1.4 IPV6 Over 802.15.4
　　ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可連接每個電子設(shè)備的無線網(wǎng)。它預(yù)言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術(shù)，到2007年將達(dá)到30億節(jié)點(diǎn)。具有幾十億個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已壓縮的IPv4的地址空間，但是ZigBee的路由選擇不依賴于IPv6。IPv6采用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面積分配1000多個地址。IPv6在設(shè)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連接、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、安全性、多播、移動性、即插即用等。因此，將IPV6和802.15.4的結(jié)合將是以后研究發(fā)展的方向,目前IETF也在積極的制定V6over15.4的Draft,其標(biāo)準(zhǔn)也不久將出臺。
2 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢及應(yīng)用
2.1 ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)勢及其與藍(lán)牙和Wi-Fi的比較
　　IEEE 802.15.4和ZigBee從一開始就被設(shè)計用來構(gòu)建包括恒溫裝置，安全裝置和煤氣讀數(shù)表等設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)。這是由其主要技術(shù)優(yōu)勢決定的：
　　(1) 數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應(yīng)用。
　　(2) 功耗低：在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用六個月到兩年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢。
　　(3) 成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。且免收專利費(fèi)。
　　(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大：每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備。
　　(5) 時延短：通常時延都在15毫秒至30毫秒之間。
　　(6) 安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。
　　(7) 有效范圍小：有效覆蓋范圍10～75米之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。
　　(8) 工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。
　　與之相反，藍(lán)牙技術(shù)基本上只是設(shè)計作為有線的替代品，經(jīng)常是為手機(jī)和附近的耳機(jī)或PDA聯(lián)網(wǎng)用的。它可以在不充電的情況下工作幾周，但無法工作幾個月，更不用說幾年了；
　　一般情況下，藍(lán)牙設(shè)備需要人手配置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接；它可以用來有效地處理8個設(shè)備(一個主設(shè)備和7個從設(shè)備)，如果更多的話，通訊速率則顯著下降。
　　而802.11, 也被稱作Wi-Fi也有類似的問題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網(wǎng)絡(luò)的很好的解決方案，但它的功耗卻非常高。
2.2 可能應(yīng)用及市場發(fā)展
　　ZigBee的出發(fā)點(diǎn)是希望能發(fā)展一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)，同時其低耗電性將使產(chǎn)品的電池能維持6個月到數(shù)年的時間。在產(chǎn)品發(fā)展的初期，將以工業(yè)或企業(yè)市場的感應(yīng)式網(wǎng)路為主，提供感應(yīng)辨識、燈光與安全控制等功能，再逐漸將目前市場拓展至家庭中的應(yīng)用。通常符合以下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)：
　　(1) 設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小；
　　(2) 設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；
　　(3) 沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池；
　　(4) 頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無法做到或者很困難；
　　(5) 需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。
　　根據(jù)ZigBee Alliance的觀點(diǎn)，一般家庭可將ZigBee應(yīng)用于以下裝置：
　　(1) 空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制器, 燈光、窗簾的自動控制；
　　(2) 老年人與行動不便者的緊急呼叫器；
　　(3) 電視與音響的萬用遙控器, 無線鍵盤、滑鼠、搖桿，玩具；
　　(4) 煙霧偵測器；
　　(5) 智慧型標(biāo)簽。
　　本文闡述了ZigBee技術(shù)及IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)應(yīng)用，討論了它們的關(guān)系和相對其它技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并對其在家庭無線通信網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。隨著正式版本協(xié)議的公布，更多的注意力和研發(fā)力量將轉(zhuǎn)到應(yīng)用的設(shè)計和實現(xiàn)、互聯(lián)互通測試和市場推廣等方面。我們有理由相信在不遠(yuǎn)的將來，將有越來越多的內(nèi)置式ZigBee功能的設(shè)備進(jìn)入我們的生活，并將極大地改善我們的生活方式和體驗。
參考文獻(xiàn)
1 IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific Requirements-Part15.4:Wireless Medium Acess Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low0Rate Wieless Personal Area Networks(LR-WPANS)
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