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ZigBee无线通信协议实现技术的研究解析
ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用2007。
43（6143
ZigBee无线通信协议实现技术的研究
任秀丽1.一.于海斌2
RENXiu—lil.一.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.YUHal-bin.StudyofrealizingtechnologyonZigBeewirelesscommunicationprotoc01.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
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802.11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、Et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2.4.GHz的ISM频段上。
传输速率为20kb/s一250kb/s,传输距离为10m一75m。
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。
其协议体系结构口,q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
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（theNationalHish—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。
1442007,43（6
Computer
E,画neering
and
Applications计算机工程与应用
ZigBeeProfiles
应j玎会聚层网络层
IEEE80215.4
IEEE802.2
逻辑链控制联逻辑链控制层
1EEE80215.4
姒“【JJ摔制层
868/915M11z
2.4GHz
物理胫物理层
图1ZigBee协议体系结构
4个。
一1I
1个,:
竹1个字竹0-128个字节11l!
j（的丌始帧的长度保留物理层服务前导符
定界符（7他
（I位
数据单元物理层Ⅲ步头
物理层头
有效载荷
图2物理层分组格式
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It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
IEEE
802系列标准把数据链路层分为媒体接人控制
层MAC（MediaAccess
Control。
MAC和逻辑链路控制层LLC
（LogicalLinkControl,L乙C。
1EEE802.15.4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、信道接人控制、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Adhoe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、自维护的图4所示。
2个字节
2个字节2个字节1个字节1个字节・Ⅱ变K度闷的地址
源地址
距离
序列号
*,Jdl敛191{{控制域
载荷
路由域
州络屡网络层头
仃效载荷
图4网络层帧格式
为了降低系统成本,ZigBee网络中定义了两种类型的没备:
一种是全功能设备FFD（Full
Function
Device,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…:
星型网（Star、网状型网（Mesh和簇型网（Clustertree,如图5所示。
*翘
●ZigBee协调没备（FFDo
ZigBee路南（FFD0ZigBee终端（RFDⅢFFD
星型（Star
网状型（Mesh
簇型（Cluster
trt'c
图5
ZigBee的三种网络拓扑结构
2.3.I
地址分配
在ZigBee网络巾。
只有一个节点作为网络防调者,其它节.点作为路南节点或者是叶子节点。
全功能设备可作为网络协调者和路南节点.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
C。
网络的最大深度为L。
一个父节点的最大路由数R。
可以计算网络中每个节点的功能函数e枷（d,其函数式为:
1+C。
+（L。
-d-1
R。
=1
瓯"（d={l+c『厂R,G,+尺L。
m“。
甘士
【——1瓦_是匕
式中的d是节点到协调者的深度。
如果e舢（d的值为0,则表明此节点为叶子节点;而e枷（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功能。
网络层有二种帧类型闭:
数据帧和命令帧,其一般结构如
址被分配,子节点地址比父节点的地址多l;然后其余节点根
2个字节
1个字节0-2个字节0-2/8个宁节0.2个字节0-2/8个7,竹可变长度
2个字节
序列号
口的地个源地址个帧控制域
域网标识
¨的地址
源地蚓:
域网标识
帧有效帧校验载荷序列地址域
数据链路层数据链路数据链路层头
有效载荷
层脚符
图3数据链路层帧格式
任秀丽,于海斌:
ZigBee无线通信协议实现技术的研究2007,43（6145据如下式子求出。
A。
甜,。
”。
+e女w（d水尺。
+n
式中1≤n≤（cm—R。
…A。
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。
d‰（d
O2l
5
e枷=l,a
2l巳。
25
图6ZigBee的簇型网中的节点地址分配
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:
L一1
c（Pl=乞c{[D。
D“]}
式中P表示一条路径;L表示一条链路;[D。
玑1]表示一条链路上的两个设备;C{【D。
…D。
]}为一条链路的代价;C{P}就是在路径P上的总代价。
若设C（【D…D。
】}等于C{f,则在链路f上的代价为:
7
c{f12{minf7,…d∥Ii.¨
\\Pt’』
式中P,是数据包在链路2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{zl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El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。
来自高层的帧
来自低层的帧
是fL
而蕊
端设备孩子?
炙
:
嬲
路由直接
到门的地
它是一个
广播帧?
L世掣
l否
是
爸是一卞\\是
广播帧?
/7一
\彳,
它是N我的?
/
璺土是
图7基本路由算法
广播
发送帧给低场
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.其大蟹丰富而便捷的应用,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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耻
ZigBee无线通信协议实现技术的研究
作者:
任秀丽,于海斌,RENXiu-li,YUHai-bin
作者单位:
任秀丽,RENXiu-li（吉林师范大学,计算机学院,吉林,四平,136000;中国科学院,沈阳自动化研究所,沈阳,110016,于海斌,YUHai-bin（中国科学院,沈阳自动化研究所,沈阳,110016刊名:
计算机工程与应用
英文刊名:
COMPUTERENGINEERINGANDAPPLICATIONS年,卷（期:
2007,43（6被引用次数:
20次
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