电力百科：zigbee技术知识分析篇

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术,本内容首先介绍了Zigbee的基础知识与技术要点，然后分析了Zigbee技术与蓝牙技术、WIFI、Z-Wave等短距离通信技术的分析与比较。

一、Zigbee基础知识

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。

Zigbee的基础是IEEE802.15.4(如下图1所示)，这是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(Zigbee)技术标准。

Zigbee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化(如下图2所示)。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分:

数据传输速率低:只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用;

功耗低:在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势;

成本低:因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee协议免收专利费。

时延短:通常时延都在15毫秒至30毫秒之间;

安全:Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性;

网络容量大:每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接;优良的网络拓扑能力:ZigBee具有星、树和丛网络结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力,能简单地覆盖广阔围;

有效范围小:有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境;

工作频段灵活:使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

更重要的是，预测未来6到7年内，家庭用户将占有Zigbee2/3的市场。在可以预期的将来，Zigbee无线传感将切实改变你我的生活。

二、ZigBee上游芯片厂商

目前市场上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是市场上主导的供应厂商，这四大厂商基本上垄断了整个90%的市场份额。四大巨头势力都比较均衡，Jennic之前在整体实力和名气上可能稍有欠缺，但自从被NXP收购后，至少在行业影响力方面可以和其它三家的竞争对手平分秋色了。

具体针对国内市场，由于整个ZigBee产业在国内相比于欧美市场有比较明显的差距，缺少上规模和有实质用量的应用，更多的还是停留在关注和学习阶段。因此这四大巨头在国内市场份额就体现出了一定的差异。从熟知度来说，应该是TI序列的芯片名气是最大的，国内不少高校;研究所都是基于TI序列的芯片来研究学习ZigBee的，很多ZigBee开发板;开发套件也都是基于TI芯片的，这可能与TI公司是最先免费提供自己ZigBee协议栈有一定的关系，降低了国内用户学习ZigBee技术的成本门槛。而像Frescale; Ember等公司由于一直还没有免费公布自己的ZigBee协议栈，其开发套件成本都在几W人民币，过高的学习费用门槛，导致普通学生或者工程师用户望尘莫及，因此在知名度方面要稍有逊色。但纵观国内ZigBee OEM客户厂商，真正有一定规模应用和影响力的厂商在选择应用芯片方案平台时，TI并没有体现出和知名度相匹配匹配的优势出来，四大巨头之间的竞争又趋于平衡。从国内行情来分析，基于Frescal和Ember两家公司方案在工业类的应用偏多，而TI和jennic两家的方案产品在消费类产品中较常见。这不知道是否和芯片的内在因素有一定的必然关系?值得我们后面继续关注比较。

三、ZigBee同wifi、蓝牙、Z-Wave这些短距离通信的分析与比较

1、Zigbee和Wi-Fi的干扰和共存

Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性比较

低速率、低功耗的Zigbee 有着特定的应用空间，是Wi-Fi的有效补充，两者的主要性能参数如表1 所示。

表1 Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性

干扰分析

背景

Zigbee 工作在工业科学医疗(ISM)频段，定义了两个物理层，即2.4 GHz频段和868/915MHz 频段物理层，而868MHz 和915 MHz 的ISM 频段分别只在欧洲和北美有，所以其主要工作于全球范围内免许可证的2.4 GHz 的ISM 频段。必然会与工作在该频段的Wi-Fi 产生相互干扰。

Zigbee 的底层标准把2.4 GHz 的ISM频段划分为16 个信道，每个信道带宽为2 MHz，如图1 所示。Wi-Fi 将该频段划分为11 个直扩信道，系统可选定其中任一信道进行通信，信道带宽为22 MHz，所以11 个信道有重叠，无重叠的信道最多只有3 个，如图2 和图3 所示。显而易见，假定Wi-Fi 系统工作在任一信道，则Zigbee 和其信道频率重叠的概率为1/4.当Zigbee 和Wi-Fi 同时使用相同频段通信时，产生带内有色噪声干扰，导致传输分组冲突。

Zigbee 对Wi-Fi 的干扰分析

本节将分析在频偏为零的同信道条件下Zigbee 对Wi-Fi的干扰。假设一室内环境下的Zigbee 和Wi-Fi 设备节点如图4 分布。每个Zigbee 节点呈独立一致性均匀分布，其处于活动状态的概率为P[A ]，分布密度为D.假设有个Zigbee 节点会产生对STA 有效的干扰，则分组冲突概率P[C]为m2：本文室内路径损耗选用对数距离模型：

其中：n- - 依赖于周围环境，Xo- - 零均值的高斯分布随机变量，d0- - 近地参考距离。

根据文献[5]和[6]，对于一个半径为R 的覆盖区，假设STA的SIR 的阈值为γ (如果Zigbee 节点要对STA 产生有效的干扰，使其SIR 必须小于γ )，则有效干扰区域的百分比为U(γ )(即对于STA的SIR低于γ的区域百分比)，如果在半径范围内导致SIR低于阈值的概率为P[SIR《γ] ，则：

则对数正态分布变量SIR 的均值为：

其方差为δ。

针对上述模型做定性分析，由于Zigbee 底层协议IEEE802.15.4 中有着特殊的睡眠机制，节点处于活动状态的概率一般小于1 %[4]，γ可取为10dBm[7]，AP 和Zigbee 的传输功率分别为14 dBm 和0 dBm。根据文献[6]，分组出错率的期望E[PER]=P[C] ，分组冲突概率越大，相应的分组出错率也越大。从图5 可以看出，随AP和STA 的距离d以及δ的增大，系统的性能越差。

2、ZigBee和蓝牙分析与比较详解

蓝牙也是一种短距离无线通信技术，自蓝牙规范发布以采，它在越来越多的领域得到了应用。比如工业自动控制、家庭自动化、电信级的音频传输、PDA、手机和PC机外设等。

在ZigBee和蓝牙的关系上，ZigBee联盟认为ZigBee和蓝牙是互为补充，而不是互相竞争。本文将围绕技术和市场两个方面来分析ZigBee和蓝牙这两种短距离无线通信技术，证明蓝牙将在某些应用方面面临ZigBee技术的竞争。最后，对ZigBee和蓝牙的应用和发展提出了建议。

系统复杂性

ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性。这可以从它们的协议栈的参考模型(图1)中看出。ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb;蓝牙协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250Kb。ZigBee定义了两种类型的设备：全功能设备FFD(Ful Functional Device)和简化功能设备RFD(Reduced Function Device)。网络为主从结构， 一个网络有一个网络协调者(Coordinator)和最多可达65535个从属设备。网络协调者必须是FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。安全性

ZigBee采用了分级的安全性策略：无安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果系统是用于安全性要求不高的场景，可以选择级别较低的安全措施，从而换取系统成本和功耗的降低;反之，在安全性要求较高的应用场景(如军事)，可以选择较高的安全级别。这样，

厂商可以综合考虑功耗、系统处理能力、成本和应用环境等方面因素而采取适当的安全级别。ZlgBee分别在MAC层和NWK层采取了安全策略。在数据经过一跳就到达目的地时，ZigBee只用MAC层提供的安全机制;当在多跳的情况下，ZigBee就要依赖高层来保证安全。下面分述MAC层和NWK层的安全性。

MAC层安全套件(Security Suites)基于以下三种操作模式：计数器(CTR，Counter)模式的AES加密、密码块链接模式(CBC-MAC，CiPher Block Chaining)的数据完整性、CTR和CBC-MAC相结合的加密和完整性(OW做CCM