zigbee传感器网络协议栈的研究与分析

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1、Zigbee传感器网络协议栈的研究与分析摘要：Zigbee为一种低延迟，低功耗，低成本和高可靠性的无线网状组网标准，有效满足传感器网络的耍求，在工业监控、野外侦测、目标监控等领域具有广泛的应用前景。该文介绍和分析了Zigbee协议栈，给出了其整体系统结构，重点介绍了Zigbee标准物理层中的频段和通用规范，以及媒体访问控制层中的信道扫描技术和帧结构。关键词：无线传感器网络；ZIGBEE技术；协议栈；物理层；数据链路层中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2013)18-4220-03Zigbee为一种标准化的无线通信技术，以满足无线传感器网络低成本、低功耗

2、的需要［1］。它是一种介丁•无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，主要应用于短距离的无线连接。Zigbee作为新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动低速率个人区域网络的发展。它以灵活、机动的组网方式，使用CSMA/CA信道接入机制，以及数据确认和加密机制，网状多路径数据传输，使得Zigbee技术自正式推出以后，就得到科学和商业的广泛关注［6-7］o正如Zigbee联盟主席所说，Zigbee技术是无线传感器网络最好的选择［2-3］oZigbee协议栈与传统的计算机体系结构一样，通过层來量化它的各个简化标准，每层负责执行该层特定的功能，同时为上层提供服务。其协议栈体系结构如图1所示：物理

3、层（PIIY）和媒体访问控制层（MAC）由IEEE802.15.4[4-5]协议标准提供。IEEE802.15.4标准致力于提供一种低复杂度、低成本、低功耗和低速率的无线通信技术，对信道选择、能量检测、链路质量、清除信道评估（CCA）、信标管理、信道接入、时隙管理、发送连接与断开连接等进行了规范。IEEE802.15.4标准定义了两种网络设备：精简功能设备（RFD）和全功能设备（FFD）。FFD具有路由能力，在点对点拓扑网络中可与任意节点进行通信；RFD功能有限，不管在何种网络拓扑结构中只能与其父节点EFD设备进行通信。网络层与应用框架层由Zigbee联盟制定，对网络建立、设备的连接

4、与断开、帧安全机制，设备对象等进行了规范。Zigbee标准在IEEE802.15.4标准的基础上定义了三种网络设备:协调器设备（ZC）、路由器设备（ZR）和终端设备（ZED）o应用框架层为Zigbee技术的实际应用提供一些应用框架模型，用户可根据自己的应用需求来开发应用。各层协议标准的特性将在后面章节详细介绍。1物理层概述IEEE802.15.4标准详细说明了使用的无线频段、物理层和MAC层。针对不同的国际和地区，Zigbee技术允许英使用不同的工作频率。IEEE801.15.4工作在3个不同的ISM频段：2.4GHz（全球通用频段）和868/915MHzo3个频段共规范了27个物理

5、信道，其中2.4GHz频段定义了16个信道，915MHz频段定义了10个信道，868MHz频段定义了1个频段。对于各个国家和地区采用的工作频率范围的不同，为提供数据的传输速率，IEEE802.15.4标准针对不同的频率范围规定了不同的调制方式。因而在不同的频率段中，其数据传输速率不同，具体调制方式和传输速率如表1所示。Zigbee技术对发射功率也进行严格的规范，遵照不同国家和地区制定了不同的最人发射功率，发射功率范围为0〜lOdBm,其通信距离为10~300m。在误码率小于1%的条件下，Zigbee的接收灵敏度为-85dBm□为适应低速率、低功耗的无线通信传输，IEEE802.15.

6、4标准物理层定义了适用于3个频段的通用规范，包括以下三类：1)接收机能量检测(ED,energydetection)：EQ用来评估信道带宽内接收机的信号能量，其检测结果以8个比特的整数来表示，通过物理层原语PLME-ED.confirm向媒体访问控制层的管理实体报告所检测的结果。2)链路服务质量(LQI,Linkqualityindicator)。LQI用来评估接收机所接收的数据包强度和品质，其数值用一个8比特的整数来表示，其值的大小表示链路质量的高低，并通过物理层原语PD-DATAA.indication发送给媒体访问控制层。3)清除信道评估(CCA,Clearchannelass

7、essment)oIEEE802.15.4标准的物理层协议规范了3种清除信道评估模式。%1清除信道评估模式1：若通过能量检测，英信道能量大于阈值能量时，则返回忙的信息。%1清除信道评估模式2：载波判断，当清除信道评估检测到一个扩展的调制信号时，给出一个忙的信息。其中这个信息可能高于或低于能量检测门限值。%1清除信道评估模式3：当清除信道评估检测到一个扩展信号时，且扩展信号携带的能量大于阈值能量，则返冋忙的信息。対于以上任意一种清除信道评估模式，如果物理层正