ZigBee技術
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“ZigBee”是什么?從字面上猜像是一種蜜蜂。因為“ZigBee”這個詞由“Zig”和“Bee”兩部分組成，“Zig”取自英文單詞“zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳著“之”字形舞的蜜蜂。不過，ZigBee并非是一種蜜蜂，事實上，它與藍牙類似是一種新興的短距離無線通信技術，國內也有人翻譯成“紫蜂”。下面就讓我們一起進入這只蜜蜂的世界，與蜂共舞吧!
這只蜜蜂的來頭還是要從它的歷史開始說起，早在上世紀末，就已經有人在考慮發展一種新的通信技術，用于傳感控制應用(sensorandcontrol)，這個想法后來在IEEE802.15工作組當中提出來，于是就成立了TG4工作組，并且制定了規范IEEE802.15.4。但是IEEE802的規范只專注于底層，要達到產品的互操作和兼容，還需要定義高層的規范，于是2002年ZigBeeAlliance成立，正式有了“ZigBee”這個名詞。兩年之后，ZigBee的第一個規范ZigBeeV1.0誕生，但這個規范推出的比較倉促，存在一些錯誤，并不實用。此后ZigBeeAlliance又經過兩年的努力，推出了新的規范ZigBee2006，這是一個比較完善的規范。據聯盟最新的消息，今年年底將會發布更新版本的規范ZigBee2007，這個版本增加了一些新的特性。
從ZigBee的發展歷史可以看到，它和IEEE802.15.4有著密切的關系，事實上ZigBee的底層技術就是基于IEEE802.15.4的，因此有一種說法認為ZigBee和IEEE802.15.4是同一個東西，或者說“ZigBee”只是IEEE802.15.4的名字而已，其實這是一種誤解。實際上ZigBee和IEEE802.15.4的關系，有點類似于WiMAX和IEEE802.16，Wi-Fi和IEEE802.11，Bluetooth和IEEE802.15.1。“ZigBee”可以看作是一個商標，也可以看作是一種技術，當把它看作一種技術的時候，它表示一種高層的技術，而物理層和MAC層直接引用IEEE802.15.4。事物是不斷的發展變化的，尤其是通信技術，可以想象將來的ZigBee可能不會使用IEEE802.15.4定義的底層，就跟藍牙(Bluetooth)宣布下一代底層采用UWB技術一樣，但是“ZigBee”這個商標以及高層的技術還會繼續保留。
ZigBee協議棧速讀
我們無法預料將來ZigBee會基于怎樣的底層技術，只好從它現在的底層――IEEE802.15.4開始了解，IEEE802.15.4包括物理層和MAC層兩部分。ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用于歐洲的868MHz頻帶，用于美國的915MHz頻帶，以及全球通用的2.4GHz頻帶，但這三個頻帶的物理層并不相同，它們各自的信道帶寬分別是0.6MHz,2MHz和5MHz，分別有1個，10個和16個信道。不同頻帶的擴頻和調制方式也有所區別，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;調制方面都使用了調相技術，但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。我們可以以2.4GHz頻段為例看看發射機基帶部分的框圖(如圖1)，可以看到物理層部分非常簡單，而IEEE802.15.4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/IEEE802.15.1以及WiFi/IEEE802.11的性能比較(如圖2)，在同樣比特信噪比的情況下，IEEE802.15.4要優于其他兩者。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。在發射功率為0dBm的情況下，Bluetooth通常能有10m作用范圍，而基于IEEE802.15.4的ZigBee在室內通常能達到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;同時調相技術的誤碼性能要優于調頻和調幅技術。因此綜合起來，IEEE802.15.4具有性能比較好的物理層。另一方面，我們可以看到IEEE802.15.4的數據速率并不高，對于2.4GHz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1IEEE802。15.4物理層2.4GHz頻段發射機基帶框圖
圖2幾種無線通信技術性能比較
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/IEEE802.15.4的網絡所有節點都工作在同一個信道上，因此如果鄰近的節點同時發送數據就有可能發生沖突。為此MAC層采用了CSMA/CA的技術，簡單來說，就是節點在發送數據之前先監聽信道，如果信道空閑則可以發送數據，否則就要進行隨機的退避，即延遲一段隨機時間，然后再進行監聽，這個退避的時間是指數增長的，但有一個最大值，即如果上一次退避之后再次監聽信道忙，則退避時間要增倍，這樣做的原因是如果多次監聽信道都忙，有可能表明信道上的數據量大，因此讓節點等待更多的時間，避免繁忙的監聽。通過這種信道接入技術，所有節點競爭共享同一個信道。在MAC層當中還規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。信標模式當中規定了一種“超幀”的格式，在超幀的開始發送信標幀，里面含有一些時序以及網絡的信息，緊接著是競爭接入時期，在這段時間內各節點以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時期，節點采用時分復用的方式接入信道，然后是非活躍時期，節點進入休眠狀態，等待下一個超幀周期的開始又發送信標幀。而非信標模式則比較靈活，節點均以競爭方式接入信道，不需要周期性的發送信標幀。顯然，在信標模式當中由于有了周期性的信標，整個網絡的所有節點都能進行同步，但這種同步網絡的規模不會很大。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的協議棧(圖3)。底層技術，包括物理層和MAC層由IEEE802.15.4制定，而高層的網絡層、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3ZigBee協議棧
這些部分當中最下面的是網絡層。和其他技術一樣，ZigBee網絡層的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前ZigBee網絡層主要支持兩種路由算法―樹路由和網狀網路由。樹路由采用一種特殊的算法，具體可以參考ZigBee的協議棧規范。它把整個網絡看作是以協調器為根的一棵樹，因為整個網絡是由協調器所建立的，而協調器的子節點可以是路由器或者是末端節點，路由器的子節點也可以是路由器或者末端節點，而末端節點沒有子節點，相當于樹的葉子。這種結構又好像蜂群的結構，協調器相當于蜂后，是唯一的，而路由器相當于雄蜂，數目不多，末端節點則相當于數量最多的工蜂。其實有很多地方仔細一想，就可以發現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―深度、最大深度、最大子節點數和最大子路由器數來計算新節點的地址，于是尋址的時候根據地址就能計算出路徑，而路由只有兩個方向―向子節點發送或者向父節點發送。樹狀路由不需要路由表，節省存儲資源，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狀網路由，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絡的路由。它可以用于較大規模的網絡，需要節點維護一個路由表，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送到目的節點。
網絡層的上面是應用層，包括了APS、AF和ZDO幾部分，主要規定了一些和應用相關的功能，包括端點(endpoint)的規定，還有綁定(binding)、服務發現和設備發現等等。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點上，例如一個節點具有控制燈光的功能，又具有感應溫度的功能，又具有收發文本消息的功能，這種設計有利于復雜ZigBee設備的出現。而綁定是用于把兩個“互補的”應用聯系在一起，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，以后就可以根據記錄的通信信息去直接發送控制信息了。服務發現和設備發現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的算法對網絡層和應用層的數據進行加密保護，另外還規定了信任中心(trustcenter)的角色―全網有一個信任中心，用于管理密鑰和管理設備，可以執行設置的安全策略。
ZigBee性能分析
上面對ZigBee協議棧作了一些介紹，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：數據速率、可靠性、時延、能耗特性、組網和路由。
ZigBee的數據速率比較低，在2.4GHz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點和同一個節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。
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