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ZigBee结构原理.pdf
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ZigBee 结构原理
物理层的上面是 MAC 层(Medium Access Layer 中间通道层),它的核心是信道接入技术,包括
时分复用 GTS 技术和随机接入信道技术 CSMA/
CA
。不过 ZigBee 实际上并没有对时分复用 GTS
技术进行相关的支持,因此我们可以暂不考虑它,而专注于 CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4
的网络所有节点都工作在同一个信道上,因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。
为此 MAC 层采用了 CSMA/CA 的技术,简单来说,就是节点在发送数据之前先监听信道,如果
信道空闲则可以发送数据,否则就要进行随机的退避,即延迟一段随机时间,然后再进行监听,
这个退避的时间是指数增长的,但有一个最大值,即如果上一次退避之后再次监听信道忙,则退
避时间要增倍,这样做的原因是如果多次监听信道都忙,有可能表明信道上的数据量大,因此让
节点等待更多的时间,避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术,所有节点竞争共享同一个信道。
在 MAC 层当中还规定了两种信道接入模式,一种是信标(beacon)模式,另一种是非信标模式。
信标模式当中规定了一种“超帧”的格式,在超帧的开始发送信标帧,里面含有一些时序以及网络
的信息,紧接着是竞争接入时期,在这段时间内各节点以竞争方式接入信道,再后面是非竞争接
入时期,节点采用时分复用的方式接入信道,然后是非活跃时期,节点进入休眠状态,等待下一
个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活,节点均以竞争方式接入信道,不需
要周期性的发送信标帧。显然,在信标模式当中由于有了周期性的信标,整个网络的所有节点都
能进行同步,但这种同步网络的规模不会很大。实际上,在 ZigBee 当中用得更多的可能是非信
标模式。
MAC 层往上就属于 ZigBee 真正定义的部分了,我们可以参看一下 ZigBee 的协议栈。底层技术,
包括物理层和 MAC 层由 IEEE 802.15.4 制定,而高层的网络层、应用支持子层(APS)、应用框架
(AF)、ZigBee 设备对象(ZDO)和安全组件(SSP),均由 ZigBee Alliance 所制定。
这些部分当中最下面的是网络层。和其他技术一样,ZigBee 网络层的主要功能是路由,路由算
法是它的核心。目前 ZigBee 网络层主要支持两种路由算法—树路由和网状网路由。树路由采用
一种特殊的算法,具体可以参考 ZigBee 的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为根的一
棵树,因为整个网络是由协调器所建立的,而协调器的子节点可以是
路由器
或者是末端节点,路
由器的子节点也可以是路由器或者末端节点,而末端节点没有子节点,相当于树的叶子。这种结
构又好像蜂群的结构,协调器相当于蜂后,是唯一的,而路由器相当于雄蜂,数目不多,末端节
点则相当于数量最多的工蜂。其实有很多地方仔细一想,就可以发现 ZigBee 和蜂群的许多暗合
之处。树路由利用了一种特殊的地址分配算法,使用四个参数—深度、最大深度、最大子节点数
和最大子路由器数来计算新节点的地址,于是寻址的时候根据地址就能计算出路径,而路由只有
两个方向—向子节点发送或者向父节点发送。树状路由不需要路由表,节省存储资源,但缺点是
很不灵活,浪费了大量的地址空间,并且路由效率低,因此常常作为最后的路由方法,或者干脆
不用。ZigBee 当中还有一种路由方法是网状网路由,这种方法实际上是 AODV 路由算法的一个
简化版本,非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。它可以用于较大规模的网络,需要节点
维护一个路由表,耗费一定的存储资源,但往往能达到最优的路由效率,而且使用灵活。除了这
两种路由方法,ZigBee 当中还可以进行邻居表路由,其实邻居表可以看作是特殊的路由表,只
不过只需要一跳就可以发送到目的节点。
网络层的上面是应用层,包括了 APS、AF 和 ZDO 几部分,主要规定了一些和应用相关的
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