【正文】 是 ,2MHz 和 5MHz，分別有 1 個， 10 個和 16 個信道。不同頻帶的擴頻和調(diào)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(diào)制方面都使用了調(diào)相技術，但 868MHz和 915MHz 頻段采用的是 BPSK，而 頻段采用的是 OQPSK。物理層部分非常簡單，而 芯片的低價格正是得益于底層的簡單性?？赡芪覀儠乃男阅?，但我們可以再看看它和 Bluetooth/ 以及WiFi/ 的性能比較，在同樣比特信噪比的情況下， 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 的 ZigBee 在室內(nèi)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(diào)相技術的誤碼性能要優(yōu)于調(diào)頻和調(diào)幅技術。因此綜合起來， 具有性能比較好的物理層。另一方面，我們可 以看到 的數(shù)據(jù)速率并不高，對于 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 幾種無線技術通信性能比較 二、 ZIGBEE 協(xié)議棧概述 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/ 的網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽信道，如果信道空閑則可以發(fā)送數(shù)據(jù)，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(shù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡的信息，緊接著是競爭接入時期，在這段時間內(nèi)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(wǎng)絡的所有節(jié)點都能進行同步，但這種同步網(wǎng)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。底層技術，包括物理層和 MAC 層由 制定，而高層的網(wǎng)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ZigBeeAlliance 所制定。 圖 ZigBee 協(xié)議棧 這些部分當中最下面的是網(wǎng)絡層。和其他技術一樣， ZigBee 網(wǎng)絡層的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前 ZigBee 網(wǎng)絡層主要支持兩種路由算法— 樹路由和網(wǎng)狀網(wǎng)路由。樹路由采用一種特殊的算法 ，具體可以參考 ZigBee 的協(xié)議棧規(guī)范。它把整個網(wǎng)絡看作是以協(xié)調(diào)器為根的一棵樹，因為整個網(wǎng)絡是由協(xié)調(diào)器所建立的，而協(xié)調(diào)器的子節(jié)點可以是路由器或者是末端節(jié)點，路由器的子節(jié)點也可以是路由器或者末端節(jié)點，而末端節(jié)點沒有子節(jié)點，相當于樹的葉子。這種結構又好像蜂群的結構，協(xié)調(diào)器相當于蜂后，是唯一的，而路由器相當于雄蜂，數(shù)目不多，末端節(jié)點則相當于數(shù)量最多的工蜂。其實有很多地方仔細一想，就可以發(fā)現(xiàn) ZigBee 和蜂群的許多暗合之處。樹路由利用了一種特殊的地址分配算法，使用四個參數(shù) — 深度、最大深度、最大子節(jié)點數(shù)和最大子路由器 數(shù)來計算新節(jié)點的地址，于是尋址的時候根據(jù)地址就能計算出路徑，而路由只有兩個方向 — 向子節(jié)點發(fā)送或者向父節(jié)點發(fā)送。樹狀路由不需要路由表，節(jié)省存儲資源，但缺點是很不靈活，浪費了大量的地址空間，并且路由效率低，因此常常作為最后的路由方法，或者干脆不用。 ZigBee 當中還有一種路由方法是網(wǎng)狀網(wǎng)路由，這種方法實際上是 AODV 路由算法的一個簡化版本，非常適合于低成本的無線自組織網(wǎng)絡的路由。它可以用于較大規(guī)模的網(wǎng)絡，需要節(jié)點維護一個路由表，耗費一定的存儲資源，但往往能達到最優(yōu)的路由效率，而且使用靈活。除了這兩種路由方法，ZigBee 當中還可以進行鄰居表路由，其實鄰居表可以看作是特殊的路由表，只不過只需要一跳就可以發(fā)送到目的節(jié)點。網(wǎng)絡層的上面是應用層，包括了 APS、AF 和 ZDO 幾部分，主要規(guī)定了一些和應用相關的功能，包括端點 (endpoint)的規(guī)定，還有綁定 (binding)、服務發(fā)現(xiàn)和設備發(fā)現(xiàn)等等。其中端點是應用對象存在的地方， ZigBee 允許多個應用同時位于一個節(jié)點上，例如一個節(jié)點具有控制燈光的功能，又具有感應溫度的功能，又具有收發(fā)文本消息的功能，這種設計有利于復雜 ZigBee 設備的出現(xiàn)。而綁定是用于把兩個 “ 互補的 ” 應用 聯(lián)系在一起，如開關應用和燈的應用。更通俗的理解， “ 綁定 ” 可以說是通信的一方了解另一方的通信信息的方法，比如開關需要控制 “ 燈 ” ，但它一開始并不知道 “ 燈 ” 這個應用所在的設備地址，也不知道其端點號，于是它可以廣播一個消息，當 “ 燈 ”接收到之后給出響應，于是開關就可以記錄下 “ 燈 ” 的通信信息，以后就可以根據(jù)記錄的通信信息去直接發(fā)送控制信息了。服務發(fā)現(xiàn)和設備發(fā)現(xiàn)是應用層需要提供的， ZigBee 定義了幾種描述符，對設備以及提供的服務可以進行描述，于是可以通過這些描述符來尋找合適的服務或者設備。 ZigBee 還提供了安全組件，采用了 AES128 的算法對網(wǎng)絡層和應用層的數(shù)據(jù)進行加密保護，另外還規(guī)定了信任中心的角色 — 全網(wǎng)有一個信任中心，用于管理密鑰和管理設備，可以執(zhí)行設置的安全策略。 三、 ZIGBEE 性能分析 上面對 ZigBee 協(xié)議棧作了一些介紹，要知道 ZigBee 能勝任什么工作，還需要作進一步的分析，主要有幾個方面：數(shù)據(jù)速率、可靠性、時延、能耗特性、組網(wǎng)和路由。 ZigBee 的數(shù)據(jù)速率比較低，在 的頻段也只有 250kb/s，而且這只是鏈路上的速率，除掉幀頭開銷、信道競爭、應答和重傳，真正能被應用所利用的速率可能不足 100kb/s，并且這余下的速率也可能要被鄰近多個節(jié)點和同一個節(jié)點的多個應用所瓜分。所以我們不能奢望 ZigBee 去做一些如傳輸視頻之類的高難度的事情，起碼目前是這樣，而應該聚焦于一些低速率的應用，比如人們早就給它找好的一個應用領域 — 傳感和控制。至于可靠性， ZigBee 有很多方面進行保證，首先是物理層采用了擴頻技術，能夠在一定程度上抵抗干擾，而MAC 層和應用層 (APS 部分 )有應答重傳功能，另外 MAC 層的 CSMA 機制使節(jié)點發(fā)送之前先監(jiān)聽信道，也可以起到避開干擾的作用，網(wǎng)絡層采用了網(wǎng)狀網(wǎng)的組網(wǎng)方式，從源節(jié)點到達目的節(jié)點可以有 多條路徑，路徑的冗余加強了網(wǎng)絡的健壯性，如果原先的路徑出現(xiàn)了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節(jié)點出現(xiàn)故障， ZigBee可以進行路由修復，另選一條合適的路徑來保持通信。據(jù)了解，在最新的ZigBee2021 協(xié)議棧規(guī)范當中，將會引入一個新的特性 —— 頻率捷變(frequencyagility)，這也是 ZigBee 加強其可靠性的一個重要特性。這個特性大致的意思是當 ZigBee 網(wǎng)絡受到外界干擾，比如 WiFi 的干擾，無法正常工作時，整個網(wǎng)絡可以動態(tài)的切換到另一個工作信道上。 圖 ZigBee 可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式 圖 ZigBee 網(wǎng)絡受到外部干擾 圖 通過更換路徑避開干擾 時延也是一個重要的考察因素。由于 ZigBee 采用隨機接入 MAC 層，并且不支持時分復用的信道接入方式，因此對于一些實時的業(yè)務并不能很好支持。而且由于發(fā)送沖突和多跳，使得時延變成一個不易確定的因素。 能耗特性是 ZigBee 的一個技術優(yōu)勢。通常情況下， ZigBee 節(jié)點所承載的應用數(shù)據(jù)速率都比較低，在不需要通信的時候，節(jié)點可以進入很低功耗的休眠狀態(tài)，此時能耗可能 只有正常工作狀態(tài)的千分之一。由于一般情況下休眠的時間占總運行時間的大