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一、ZigBee技术由来 ZigBee是一种提供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术，这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳zigzag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。电气与电子工程师协会IEEE于2000年l2月成立了802.15.4工作组，这个工作组负责制定ZigBee的物理层和MAC层协议，2002年8月成立了开放性组织——zigBee联盟。ZigBee联盟负责MAC层以上高层协议的制定和应用推广工作，对其网络层协议和API进行了标准化。IEEE802.15.4标准正式版本已于2003年5月发布，2004年12月，ZigBee联盟确定了ZigBee的正式版。2006年6月，ZigBee联盟发布了ZigBee2006版。 二、ZigBee技术特点 (1)低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6 24个月甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi只可工作数小时。ZigBee技术特别省电，避免了频繁的更换电池或充电，从而减轻了网络维护的负担。 (2)低成本：通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求．按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。 (3)低速率：ZigBee工作在250 kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。 (4)近距离：传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到l~3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。 (5)短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3~10s、WiFi需要3s。 (6)高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。1个区域内最多可以同时存在100个ZigBee网络。 (7)高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。 三、ZigBee技术物理层关键技术 如图1所示，IEEE802.15.4标准定义了物理层（PHY Layer)及媒体存取层（MAC Layer)。ZigBee联盟定义了网络层（NWK）、应用支持子层（APS）和应用层（APL）技术规范。 图1 ZigBee协议架构图 物理层协议数据单元(PPDU)包含三部分：同步头(SHR）；物理层帧头(PHR)；物理层服务数据单元（PSDU）。PPDU的格式见表1所示。 表1物理层数据帧结构 前导码：长度4字节，包括前导码序列和帧起始定界符。 物理层帧头:长度2字节，其中帧开始符1字节，帧长度7位保留位1位。 帧开始符：表示一个数据包的开始。 帧长度：表示物理帧负载的长度，故物理帧负载的长度不会超过127个字节。 PSDU：可变长度的字段，它是MAC层向物理层传递的数据，即MPDU。 物理层定义了物理无线信道与MAC层之间的接口，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理，提供物理层数据服务和物理层管理服务： 1)数据的发送与接收 2)物理信道的能量检测(ED：Energy Detection) 3)射频收发器的激活与关闭 4)空闲信道评估(CCA：clear channel assessment) 5)链路质量指示(LQI：link quality indication) 6)物理层属性参数的获取与设置 IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准，即2.4 GHz物理层和868/915 MHz物理层。这两个物理层都基于直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），使用相同的物理层数据包格式；区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。 2.4 GHz波段为全球统一、无须申请的ISM频段，有助于15.4设备的推广和生产成本的降低。2.4 GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250 kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更短的通信时延和工作周期，从而更加省电。868 MHz是欧洲的ISM频段，915 MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4 GHz附近各种无线通信设备的相互干扰，868 MHz的传输速率为20 kb/s，915 MHz和40 kb/s。如图2所示为ZigBee的27个信道，其中心频率定义如下： 图2 ZigBee的物理信道 868/915 MHz频段物理层使用简单的直接序列扩频(DSSS)方法，每个PPDU数据传输位被最大长度15的片序列（chip sequence）所扩展(即被多组+1，-1构成的m序列编码)，得到的码片序列被调制到使用二进制相移键控(BPSK)的载波上。2.4 GHz物理层采用DSSS方法的十六进制准正交调制技术。4位二进制数组成16个符号，共有l6个准正交32位码片的伪噪声(PN)序列，每一个符号表示一个序列。 不同的数据传输速率适用于不同的场合。例如，868/915MHz频段物理层的低速率换取了较好的灵敏度和较大的覆盖面积，从而减少了覆盖给定物理区域所需的节点数，2.4 GHz频段物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量，低延时或低作业周期的场合。 与868/915MHz频段物理层使用的调制方式比较，2.4 GHz频段使用的调制方式更为复杂，因此重点分析2.4 GHz频段的物理层规范，对868/915 MHz频段物理层不再赘述。 IEEE 802.15.4的数字高频调制使用2.4 GHz直接序列扩频(DSSS)技术。扩展调制功能如图3所示。从图中可以看出，在调制前，需要将数据信号进行转换处理。每一个字节(byte)信息分成两个符号(symbo1)，每个符号包括4位(bit)。根据符号数据，从16个几乎正交的伪随机序列(PN序列)中，选取其中一个序列作为传送序列。根据所发送连续的数据信息，将选出的PN序列串联起来，并使用O-QPSK的调制方法，将这些集合在一起的序列调制到载波上。 图3 扩展调制功能 在位-符号(bit-to-symbo1)转换时，将每个字节(byte)中的低四位转换成一个符号(symbol)，高四位转换成另一个符号。每一个字节都要逐个进行处理，即从它的前同步码字段开始到其最后一个字节。在对每个字节的处理过程中，优先处理低四位，随后处理高四位。 经过位-符号(bit-to-symbo1)转换得到符号数据，将其进行扩展，即将每个符号数据映射成一个32位的伪随机序列(PN序列)，就是符号-码片(symbol-to-chip)转换，如表2所示。这些PN序列通过循环移位或者相互结合(如奇数位取反)等相互关联。 表2符号-码片(symbol-to-chip)映射关系 扩展后的码元序列通过采用半正弦脉冲形成的O-QPSK调制方法，将符号数据信号调制到载波上。其中，编码为偶数的码元调制到I相位的载波上；编码为奇数的码元，调制到Q相位的载波上。为了使I相位和Q相位的码元调制存在偏移，Q相位的码元相对于I相位的码元要延迟Tc秒发送。Tc是码元速率的倒数。 宽展频谱通信技术的理论基础 扩频(Spread Spectrum)是用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式，频带的扩展由独立于信息的扩频码实现，与所传数据无关，在接收端用同步接收实现解扩和数据恢复。系统的射频带宽比原始信号的带宽宽得多。这样做，系统的复杂度比常规系统的复杂度要高得多，但可提高系统的抗干扰能力。香农(Shannon)定理指出：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率(或称信容量)为： ![]() (1) 式中，C为信道容量；B为信道带宽(也被称为系统带宽)；S/N为信噪比。由式(1)可得出一个重要结论：对于给定的信息传输速率，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。也就是说，在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可用增加系统传输带宽的办法来保持信道容量C不变。对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。扩展频谱技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大几百倍至几千倍，故在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声干扰的能力。 图4为扩频系统的物理模型，信号源产生的信号经过第一次调制——信息调制(如信源编码)成为一数字信号，再进行第二次调制——扩频调制，即用一频码将数字信号扩展到很宽的频带上，然后进行第三次调制，把经扩频调制的信号搬移到射频上发送出去。在接收端，接收到发送的信号后，经混频后得到一频信号，再用本地扩频码进行相关解扩，恢复成窄带信号，然后进行解调，将数字信号还原出来。在接收的过程中，要求本地产生的扩频码与发端用的扩频码全同步。 (a) 发射 (b) 接收 图4 扩频系统的物理模型 直接序列扩频系统 直接序列扩频系统(DSSS Direct Sequence Spread spectrum)又称为直接序列调制系统或伪噪声系统(PN)系统，简称为直扩系统，是目前应用较为广泛的一种扩展频谱系统。 直接序列扩频系统的组成：直接序列扩频系统就是直接用具有高码率的扩频码序列即伪随机(PN)序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。图5为直扩系统的组成原理框图。 (a) (b) 图5 直扩系统的组成原理框图 在发射部分，二进制数字信号d(t)与一个高速率的二进制伪随机码c(t)相乘，得到复合信号d(t)·c(t)，一般伪随机码的速率是Mb/s量级，有的甚至达到几百Mb/s。而待传信息流经编码器编码后的码速率较低，数字话音信号一般为64 kbPs，这就扩展了信息的速率。扩频后的复合信号对载波调制(直接序列扩频一般用BPSK调制)后，通过发射机和天线送入信道中传输。s(t)的射频带宽取决于伪随机码c(t)的码速率。在BPSK情况下等于伪随机码速率的2倍，而与数字信息流的码速率几乎无关。以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的目的。 在接收端用一个和发射端同步的伪随机码c'(t)所调制的本地振荡信号，与接收到的信号进行相关处理。相关处理是将两个信号相乘，然后求其数学期望或求两个信号瞬时值相乘的积分。当两个信号完全相同时(或相关性很好)，得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复发射端的信号为d’(t)。 若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、单频干扰、多径干扰或码分多址信号。它们和有用信号同时进入接收机。由于窄带噪声和多径干扰与本地扩频信号不相关，故在相关处理中被削弱，也就是干扰信号的能量被扩展到整个扩频带宽内，降低了干扰电平，相关器后的基带滤波器只输出基带信号和处在滤波器通带内的那部分干扰和噪声，这样就改善了系统的输出信噪比。 O-QPSK调制 O-QPSK也称为偏移四相相移键控(Offset-QPSK)，是QPSK的改进型。它与QPSK有同样的相位关系，也是把输入码流分成两路，然后进行正交调制。不同点在于它将同相和正交两支路的码流在时间上错开了半个码元周期。由于两支路码元半周期的偏移，每次只有一路可能发生极性翻转，不会发生两支路码元极性同时翻转的现象。因此，O-QPSK信号相位只能跳变0°、±90°，不会出现180°的相位跳变。 O-QPSK信号可采用正交相干解调方式解调，它与QPSK信号的解调原理基本相同，其差别仅在于对Q支路信号抽样判决时间比I支路延迟了Tb/2，这是因为在调制时Q支路信号在时间上偏移了Tb/2，所以抽样判决时刻也应偏移Tb/2，以保证对两支路交错抽样。 O-QPSK克服了QPSK的180°的相位跳变，信号通过BPF后包络起伏小，性能得到了改善，因此受到了广泛重视。但是，当码元转换时，相位变化不连续，存在90°的相位跳变，因而高频滚降慢，频带仍然较宽。 采用非归零码直接进行调制所得的QPSK信号的幅度非常恒定，但其信号频谱较大。然而，当QPSK进行波形成形时，它们将失去恒定包络的性质。偶尔发生的弧度为π的相移，会导致信号的包络在瞬间通过零点。任何一种在过零点的硬限幅或非线性放大都会引起旁瓣再生和频谱扩展，必须使用效率较低的线性放大器放大QPSK信号，这将使放大器的效率受到限制，进而影响到终端的小型化。 QPSK对信道的线性度要求很高，而交错QPSK(O-QPSK)虽然在非线性环境下也会产生频谱扩展，但对此已不那么敏感，因此能支持更高效率的放大器。 在O-QPSK中，其I支路比特流和Q支路比特流在数据沿上差半个符号周期，其它特性和QPSK信号类似。在QPSK信号中，奇比特流和偶比特流的比特同时跳变，但是在O-QPSK信号中，I支路比特流和Q支路比特流在它们的变化沿的地方错开一比特(半个符号周期)，它们的波形如图6。 图6 O-QPSK信号的I支路Q支路波形图 由于在标准QPSK中，相位跳变仅在每个Ts=2Tb秒时发生，并且存在180°的最大相移。可是在O-QPSK信号中，比特跳变(从而相位跳变)每Tb秒发生一次。因为I支路和Q支路的跳变瞬时被错开了，所以在任意给定时刻只有两个比特流中的一个改变它的值。这意味着，在任意时刻发送信号的最大相移都限制在±90°。因此O-QPSK信号消除了180°相位跳变，改善了其包络特性。 图7 QPSK和O-QPSK星座图 从图7的星座图看出，180°相位跳变消除了，所以O-QPSK信号的带限不会导致信号包络经过零点。O-QPSK包络的变化也比相应的QPSK包络的变化小得多，因此对O-QPSK的硬限幅或非线性放大不会再生出严重的频带扩展，O-QPSK即使在非线性放大后仍能保持其带限的性质，这就非常适合移动通信系统，因为在低功率应用情况下，带宽效率和高效非线性放大器是起决定性作用的。另外，当在接收机端由于参考信号的噪声造成相位抖动时，O-QPSK信号表现的性能也比QPSK要好。
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发表于 2018-1-30 21:15:46
