電力百科:zigbee技術知識分析篇
Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡技術,本內(nèi)容首先介紹了Zigbee的基礎知識與技術要點,然后分析了Zigbee技術與藍牙技術、WIFI、Z-Wave等短距離通信技術的分析與比較。
一、Zigbee基礎知識
Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡技術,它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術,主要用于近距離無線連接。
Zigbee的基礎是IEEE802.15.4(如下圖1所示),這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(Personal Area Network,PAN)工作組的一項標準,被稱作IEEE802.15.4(Zigbee)技術標準。
Zigbee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,因此Zigbee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化(如下圖2所示)。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點,而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡,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,以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識,而且這種利用網(wǎng)絡的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。
Zigbee技術的主要特點包括以下幾個部分:
數(shù)據(jù)傳輸速率低:只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒,專注于低傳輸應用;
功耗低:在低耗電待機模式下,兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2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特優(yōu)勢;
成本低:因為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Zigbee協(xié)議免收專利費。
時延短:通常時延都在15毫秒至30毫秒之間;
安全:Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能,加密算法采用AES-128,同時可以靈活確定其安全屬性;
網(wǎng)絡容量大:每個Zigbee網(wǎng)絡最多可支持255個設備,也就是說,每個Zigbee設備可以與另外254臺設備相連接;優(yōu)良的網(wǎng)絡拓撲能力:ZigBee具有星、樹和叢網(wǎng)絡結構的能力。ZigBee設備實際上具有無線網(wǎng)路自愈能力,能簡單地覆蓋廣闊圍;
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用模式而定,基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境;
工作頻段靈活:使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(美國),均為免執(zhí)照頻段。
更重要的是,預測未來6到7年內(nèi),家庭用戶將占有Zigbee2/3的市場。在可以預期的將來,Zigbee無線傳感將切實改變你我的生活。
二、ZigBee上游芯片廠商
目前市場上ZigBee芯片提供商有:TI(Chipcon);Freescale;Ember;Jennic;Atmel;Integration;NEC;OkI;Renesas; 等9家。其中TI;Frescale;Ember;Jennic是市場上主導的供應廠商,這四大廠商基本上壟斷了整個90%的市場份額。四大巨頭勢力都比較均衡,Jennic之前在整體實力和名氣上可能稍有欠缺,但自從被NXP收購后,至少在行業(yè)影響力方面可以和其它三家的競爭對手平分秋色了。
具體針對國內(nèi)市場,由于整個ZigBee產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)相比于歐美市場有比較明顯的差距,缺少上規(guī)模和有實質(zhì)用量的應用,更多的還是停留在關注和學習階段。因此這四大巨頭在國內(nèi)市場份額就體現(xiàn)出了一定的差異。從熟知度來說,應該是TI序列的芯片名氣是最大的,國內(nèi)不少高校;研究所都是基于TI序列的芯片來研究學習ZigBee的,很多ZigBee開發(fā)板;開發(fā)套件也都是基于TI芯片的,這可能與TI公司是最先免費提供自己ZigBee協(xié)議棧有一定的關系,降低了國內(nèi)用戶學習ZigBee技術的成本門檻。而像Frescale; Ember等公司由于一直還沒有免費公布自己的ZigBee協(xié)議棧,其開發(fā)套件成本都在幾W人民幣,過高的學習費用門檻,導致普通學生或者工程師用戶望塵莫及,因此在知名度方面要稍有遜色。但縱觀國內(nèi)ZigBee OEM客戶廠商,真正有一定規(guī)模應用和影響力的廠商在選擇應用芯片方案平臺時,TI并沒有體現(xiàn)出和知名度相匹配匹配的優(yōu)勢出來,四大巨頭之間的競爭又趨于平衡。從國內(nèi)行情來分析,基于Frescal和Ember兩家公司方案在工業(yè)類的應用偏多,而TI和jennic兩家的方案產(chǎn)品在消費類產(chǎn)品中較常見。這不知道是否和芯片的內(nèi)在因素有一定的必然關系?值得我們后面繼續(xù)關注比較。
三、ZigBee同wifi、藍牙、Z-Wave這些短距離通信的分析與比較
1、Zigbee和Wi-Fi的干擾和共存
Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性比較
低速率、低功耗的Zigbee 有著特定的應用空間,是Wi-Fi的有效補充,兩者的主要性能參數(shù)如表1 所示。
表1 Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性
干擾分析
背景
Zigbee 工作在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段,定義了兩個物理層,即2.4 GHz頻段和868/915MHz 頻段物理層,而868MHz 和915 MHz 的ISM 頻段分別只在歐洲和北美有,所以其主要工作于全球范圍內(nèi)免許可證的2.4 GHz 的ISM 頻段。必然會與工作在該頻段的Wi-Fi 產(chǎn)生相互干擾。
Zigbee 的底層標準把2.4 GHz 的ISM頻段劃分為16 個信道,每個信道帶寬為2 MHz,如圖1 所示。Wi-Fi 將該頻段劃分為11 個直擴信道,系統(tǒng)可選定其中任一信道進行通信,信道帶寬為22 MHz,所以11 個信道有重疊,無重疊的信道最多只有3 個,如圖2 和圖3 所示。顯而易見,假定Wi-Fi 系統(tǒng)工作在任一信道,則Zigbee 和其信道頻率重疊的概率為1/4.當Zigbee 和Wi-Fi 同時使用相同頻段通信時,產(chǎn)生帶內(nèi)有色噪聲干擾,導致傳輸分組沖突。
Zigbee 對Wi-Fi 的干擾分析
本節(jié)將分析在頻偏為零的同信道條件下Zigbee 對Wi-Fi的干擾。假設一室內(nèi)環(huán)境下的Zigbee 和Wi-Fi 設備節(jié)點如圖4 分布。每個Zigbee 節(jié)點呈獨立一致性均勻分布,其處于活動狀態(tài)的概率為P[A ],分布密度為D.假設有個Zigbee 節(jié)點會產(chǎn)生對STA 有效的干擾,則分組沖突概率P[C]為m2:本文室內(nèi)路徑損耗選用對數(shù)距離模型:
其中:n- - 依賴于周圍環(huán)境,Xo- - 零均值的高斯分布隨機變量,d0- - 近地參考距離。
根據(jù)文獻[5]和[6],對于一個半徑為R 的覆蓋區(qū),假設STA的SIR 的閾值為γ (如果Zigbee 節(jié)點要對STA 產(chǎn)生有效的干擾,使其SIR 必須小于γ ),則有效干擾區(qū)域的百分比為U(γ )(即對于STA的SIR低于γ的區(qū)域百分比),如果在半徑范圍內(nèi)導致SIR低于閾值的概率為P[SIR《γ] ,則:
則對數(shù)正態(tài)分布變量SIR 的均值為:
其方差為δ。
針對上述模型做定性分析,由于Zigbee 底層協(xié)議IEEE802.15.4 中有著特殊的睡眠機制,節(jié)點處于活動狀態(tài)的概率一般小于1 %[4],γ可取為10dBm[7],AP 和Zigbee 的傳輸功率分別為14 dBm 和0 dBm。根據(jù)文獻[6],分組出錯率的期望E[PER]=P[C] ,分組沖突概率越大,相應的分組出錯率也越大。從圖5 可以看出,隨AP和STA 的距離d以及δ的增大,系統(tǒng)的性能越差。
2、ZigBee和藍牙分析與比較詳解
藍牙也是一種短距離無線通信技術,自藍牙規(guī)范發(fā)布以采,它在越來越多的領域得到了應用。比如工業(yè)自動控制、家庭自動化、電信級的音頻傳輸、PDA、手機和PC機外設等。
在ZigBee和藍牙的關系上,ZigBee聯(lián)盟認為ZigBee和藍牙是互為補充,而不是互相競爭。本文將圍繞技術和市場兩個方面來分析ZigBee和藍牙這兩種短距離無線通信技術,證明藍牙將在某些應用方面面臨ZigBee技術的競爭。最后,對ZigBee和藍牙的應用和發(fā)展提出了建議。
系統(tǒng)復雜性
ZigBee的系統(tǒng)復雜性要遠小于藍牙的系統(tǒng)復雜性。這可以從它們的協(xié)議棧的參考模型(圖1)中看出。ZigBee協(xié)議棧簡單,實現(xiàn)相對容易,需要的系統(tǒng)資源也較少,據(jù)估計運行ZigBee需要系統(tǒng)資源約28Kb;藍牙協(xié)議棧相對復雜,它需要系統(tǒng)資源約為250Kb。ZigBee定義了兩種類型的設備:全功能設備FFD(Ful Functional Device)和簡化功能設備RFD(Reduced Function Device)。網(wǎng)絡為主從結構, 一個網(wǎng)絡有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者(Coordinator)和最多可達65535個從屬設備。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者必須是FFD,它負責管理和維護網(wǎng)絡,包括路由、安全性、節(jié)點的附著與離開等。一個網(wǎng)絡只需要一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者,其他終端設備可以是RFD,也可以是FFD。RFD的價格要比FFD便宜得多,其占用系統(tǒng)資源僅約為4Kb,因此網(wǎng)絡的整體成本比較低。從這一點來說,ZigBee非常適合有大量終端設備的網(wǎng)絡,如傳感網(wǎng)絡、樓宇自動化等。安全性
ZigBee采用了分級的安全性策略:無安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果系統(tǒng)是用于安全性要求不高的場景,可以選擇級別較低的安全措施,從而換取系統(tǒng)成本和功耗的降低;反之,在安全性要求較高的應用場景(如軍事),可以選擇較高的安全級別。這樣,
廠商可以綜合考慮功耗、系統(tǒng)處理能力、成本和應用環(huán)境等方面因素而采取適當?shù)陌踩墑e。ZlgBee分別在MAC層和NWK層采取了安全策略。在數(shù)據(jù)經(jīng)過一跳就到達目的地時,ZigBee只用MAC層提供的安全機制;當在多跳的情況下,ZigBee就要依賴高層來保證安全。下面分述MAC層和NWK層的安全性。
MAC層安全套件(Security Suites)基于以下三種操作模式:計數(shù)器(CTR,Counter)模式的AES加密、密碼塊鏈接模式(CBC-MAC,CiPher Block Chaining)的數(shù)據(jù)完整性、CTR和CBC-MAC相結合的加密和完整性(OW做CCM

責任編輯:售電小陳
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