ZigBee Wireless Networks and Transceivers中文翻译 第一章

第1页/共19页由于国内暂时还没有该文献的中文版本，而ZigBeeWirelessNetworksandTransceivers又是ZigBee界的葵花宝典，为了自己更好的学习，所以决定将比较多的蛋疼的时间拿出来做点有意义的事，虽然翻译水平不是很高，但是在翻译的过程中肯定能得到进步，最关键的就是检验自己的毅力，看看能否坚持。在这个过程中，如果还能帮到一些正在入门ZigBee的朋友那就更好了。废话不多说，开始ZigBeeWirelessNetworksandTransceiversZigBee无线网络和收发器1第一章ZigBee基础本章主要介绍了短距离无线网络通信的ZigBee标准，本章的主要目的就是对ZigBee的基础特性进行一下简单的概述，包括它的网络拓扑、信道访问机制和每个协议层所扮演的角色，在后续章节中对本章所讨论的内容有详细的解释。1.1什么是ZigBee?ZigBee是为低数据速率、短距离无线网络通信定义的一系列通信协议标准。基于ZigBee的无线设备工作在868MHZ,915MHZ和2.4Z频带。其最大数据速率是250Kbps.ZigBee技术主要针对以电池为电源的应用，这些应用对低数据速率、低成本、更长时间的电池寿命有较高的需求。在一些ZigBee应用中，无线设备持续处于活动状态的时间是有限的，大部分时间无线设备是处于省电模式（也称休眠模式）的。因此，ZigBee设备在电池需要更换以前能够工作数年以上。ZigBee的其中一个应用就是室内病人监控。例如，一个病人的血压，心率可以通过可穿戴设备测量出来，病人戴的ZigBee设备来周期性的收集血压等健康相关的信息，然后这些数据被无线传送到当地服务器，例如病人家中的一台个人电脑，电脑再对这些数据进行初始分析，最后重要的信息通过互联网被发送到病人的护士或者内科医生那里做进一步的分析。另一个ZigBee的应用例子就是大型楼宇结构安全的监控。在此应用中，一个建筑内可以安装数个ZigBee无线传感器（如加速度计），所有的这些传感器形成一个网络来收集信息，这些收集来的信息可以用于评估建筑的结构安全和潜在的损坏标志，例如，地震后一个建筑在重新开放前可能需要进行检测。而传感器收集到的数据有助于加速和减少检测的花费。在第二章中还提供了一些其他ZigBee的应用例子。ZigBee标准是由ZigBee联盟所开发的，该联盟有数百个成员公司，从半导体产业和软件开发者到原始设备生产商、安装商。ZigBee联盟是2002年创立的第2页/共19页一个非盈利性组织，对每一个想加入的成员都开放。ZigBee标准采用IEEE802.15.4标准作为其PHY层和MAC层协议。因此，遵循ZigBee的设备也同样遵循IEEE802.15.4标准。在家庭和工厂内使用无线通信来收集信息或执行既定控制任务的概念对人们来说并不陌生。第九章中回顾了几种短距离无线网络通信的标准，包括IEEE802.11无线局域网（WirelessLocalAreaNetworkWLAN）和蓝牙（Bluetooth）.每个标准都有其在特定领域应用的优势，而ZigBee则主要是为低成本、低数据速率、超低功耗的无线网络应用开发的。通过简化通信协议和降低数据速率，ZigBee标准有助于降低应用成本。和其他的标准例如IEEE802.11相比，满足ZigBee和IEEE802.15.4标准的最低需求相对轻松，这同时也降低了ZigBee收发器的应用复杂度和成本。占空比是指设备活跃时的时间与总时间的比值。例如，若一个设备每分钟唤醒一次，工作60ms后继续休眠。那么它的占空比为0.001或0.1%。在许多ZigBee应用中，为了保证电池能工作数年以上，设备的占空比都在1%以下。1.2ZigBeeVS蓝牙和IEEE802.11将ZigBee标准与蓝牙和IEEE802.11WLAN进行比较有助于我们理解ZigBee与现有一些既定标准的区别（第九章进行了更深入的比较）。图1.1总结了这几个标准的一些基本特性。IEEE802.11是一个标准体系,选择IEEE802.11b是因为它工作在2.4GHZ频带，与蓝牙和ZigBee相同。IEEE802.11b是高数据速率（高达11Mbps），它的一个典型应用就是提供无线互联网连接。IEEE802.11b的室内典型工作范围是30~100米。另一方面，蓝牙的数据速率偏低（低于3Mbps）,它的典型室内工作距离是2~10米。蓝牙一个比较流行的应用是无线头戴式耳机，它提供了一种在移动电话和耳机之间的通信方式。在这三种标准中，ZigBee具有最低的数据速率和复杂度，但却提供了最长的电池寿命。ZigBee的超低数据速率意味着它不是无线互联网连接或者CD音质的无线耳机的最好选择，因为这些东西需要1Mbps以上的数据速率。然而，如果无线通信的目的是发送或接收简单的命令，或从传感器收集信息，例如温度、适度传感器等，那么ZigBee将会提供比蓝牙和IEEE802.11b更有效、性价比更高的解决方案。1.3短距离无线网络分类短距离无线网络通信方式被分成了两大类：无线局域网（WLAN）和无线个人局域网（WPAN）。WLAN是有线局域网（LAN）如以特网（IEEE802.3）的一个替代或扩展。WLAN设备可以被集成在有限LAN网络中，第3页/共19页并且一旦WLAN设备成为网络中的一部分，它将会受到与网络中其他有线设备同样的待遇。WLAN的目标就是将通信距离和数据速率最大化。相比之下，WPAN不是为了替代任何现已存在的有限局域网而被开发的。WPAN的目的是为个人操作区域（PersonalOperatingSpacePOS）提供高效无线通信的方法，而不需要任何基础设施。POS是环绕一个无线设备的球型区域，半径为10米（33英尺）。WPAN被划分为三类（见图1.2）：高速(HR)，中速(MR)，低速（LR）。一个HR-WPAN的例子就是数据速率为11~55Mbps的IEEE802.15.3，该高数据速率有助于照相机与附近的电视之间的实时无线视频传输。数据速率为1~3Mbps的蓝牙是一个MR-WLAN的例子，它可以被用于无线耳机中高音质音频的传输。而最大通信数据速率问为250Kbps的ZigBee则被划分为了LR-WLAN。1.4ZigBee与IEEE802.15.4标准的关系常见的建立一个通信网络（有线或无线）的方式就是使用“网络层”的概念。在网络中每一层都负责特定的功能，正常情况下，每层仅向与它直接相邻的上层或下层发送数据或命令。图1.3展示了ZigBee无线网络协议层的详细内容。ZigBee协议层是基于开放系统互连（OSI）基本相关模型。将一个网络协议划分第4页/共19页成层有众多好处，例如，若协议随着时间而变动时，可以只简单的替换或更改受变动处影响的层，而不必替换整个协议。此外，在开发一个应用时，协议较底下的层与应用是相互独立的，它们可以从第三方来获得，因此我们需要做的就只是在应用层进行相应的改动。该协议的软件实现方式被称作协议堆栈软件。如图1.3所示，网络的最下面两层是由IEEE802.15.4标准所定义的，该标准是由IEEE802标准委员会所开发并于2003年最初发布的，IEEE802.15.4标准定义了无线网络PHY层和MAC层的详细信息，但它没有为更高的层规定任何要求。ZigBee标准仅仅定义了协议的网络层、应用层和安全层，并采用IEEE802.15.4的PHY层和MAC层作为其部分协议。因此，任何遵循ZigBee标准的设备也同样遵循IEEE802.15.4标准。IEEE802.15.4是独立于ZigBee标准而开发的，也就是说，仅基于IEEE802.15.4而不使用详细的ZigBee协议层来建立短距离无线网络是有可能的。这样，用户就需要在IEEE802.15.4的PHY层和MAC层之上来开发他们自己的网络层和应用层（见图1.4）。这些定制的网络层和应用层通常比ZigBee的协议层要简单，并且主要针对于具体的应用。定制的网络层和应用层有一个好处就是，实现整个协议所需的内存较小，这第5页/共19页样就可以有效的降低成本。然而，使用完整的ZigBee协议则可以保证与其他供应商解决方案的兼容性和在ZigBee中支持网状网络的可靠性。使用完整的ZigBee协议还是仅使用IEEE802.15.4的PHY层和MAC层取决于实际的应用和产品的长期计划。网络的物理级别特性决定于物理层的具体信息，因此，IEEE802.15.4标准中明确的规定了操作频率、数据速率、接收器敏感度需求和设备类型等参数。这本书涉及到了IEEE802.15.4标准层，并以同样的详细程度描述了具体的ZigBee层。书中给出的例子通常都是ZigBee无线网络的例子，然而，即使只使用了IEEE802.15.4的PHY层和MAC层，大部分讨论的内容都是可以使用的。1.5操作频率和数据速率最新版本的IEEE802.15.4发布于2006年9月，该版本共中有三种频率带：868~868.6MHz(868MHzband)902~928MHz(915MHzband)2400~2483.5MHz(2.4GHzband)868MHz频带应用于欧洲，有大量的应用，包括短距离无线网络。另外两个第6页/共19页频带（915MHz和2.4GHz）是工业、科研、医学（ISM）频带的一部分。915MHz频带主要用于北美，而2.4GHz则是全国通用。表1.1提供了这三种频带在IEEE802.15.4标准中使用方式的更加详细的内容，IEEE802.15.4规定如果一个收发器支持868MHz频带，那么它同样也要支持915MHz，反之亦然。因此，这两个频带总是被绑定在一起，称为868/915MHz操作频带。IEEE802.15.4为868/915MHz规定了一条强制和两条可选规范。强制规范更加容易实现，但却牺牲了数据速率（分别为20Kbps和40Kbps）。在介绍2006中两种可选的PHY操作模式之前，将数据速率提高到40Kbps以上的唯一方法就是使用2.4GHz频带。对于这新增的两条PHY操作模式，如果因为任何原因（例如在2.4GHz频带中存在强烈的干扰），都是不能在2.4GHz频带进行操作的，或者40Kbps的数据速率不够使用，用户可以选择868/915MHz频带来获取250Kbps的数据速率。如果用户选择使用可选的操作模式，IEEE802.15.4仍然要求它能兼容868MHz/915MHz频带的低数据速率强制操作模式。此外，在868MHz/91MHz频带中，收发器还必须能在强制和可选操作模式之间动态转换。2.4GHz的收发器可能会支持868MHz/915MHz频带，但在IEEE802.15.4中这不是必须的。在868MHz频带中仅有一个通道的空间，915MHz频带则有10个（不包括可选通道），而2.4GHz频带的通道数则多达16个。2.4GHzISM频带全球通用，并且有最大的数据速率和最多的通道数。由于这些原因，对很多制造商来说，开发2.4GHz频带的收发器是很流行的。然而，IEEE802.11b也工作在2.4GHz频带，因此在某些应用中两者共存是个问题（详细的共存问题在第八章中有描述）。此外，频带越低，信号穿透墙和其他各种物体的能力就越强。因此，一些用户可能觉得868MHz/915MHz更适合他们的应用。第7页/共19页IEEE802.15.4有三种调制方式：二进制相移键控（BPSK）、振幅键控（ASK）和偏移正交相移键控（O-QPSK）。在BPSK和O-QPSK中，数字数据在信号相位中。相比之下，在ASK中，数字数据在信号振幅中（这里翻译的有些牵强）。IEEE802.15.4的所有无线通信方式（表1.1）或采用直接扩频序列（DSSS）技术，或采用并行扩频序列（PSSS）技术。DSSS和PSSS有助于提高多路径环境中接收器的性能。DSSS和PSSS扩频方式基础，还有不同的调制技术和符号到芯片的映射在第四章进行了介绍。多路径问题和射频（RF）穿帮特性在第五章进行了介绍。1.6互操作性ZigBee的应用