技術數據篇導引

ZigBee技術（LR-WPAN）的相關規范及技術要求

瀏覽：5508 來源：通信人在線日期：2020-08-20

一、概述

ZigBee技術是指一種無線通信技術，即低數據速率的無線個域網絡（LR-WPAN）。該網絡具有的顯著的特征是：短距離、低速率、低功耗、低復雜度及低成本。特別適用于支持傳感器、交互式玩具、智能徽章、遠端控制和家用自動化等的應用，但不通常適合傳輸語音，目前尤其是被廣泛地應用于物聯網（IoT）中，ZigBee技術能為IoT提供一攬子開放式的、基礎的解決方案。

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對于低數據速率的無線個域網絡（LR-WPAN），按照開放系統互連參考模型（OSI/RM）的分層，其最下層的媒體訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）的協議規范是由IEEE 802.15工作組的第4任務組（TG4）負責研究制定的，發布的是IEEE 802.15.4系列標準。而其高層，即網絡層以上（包括數據鏈路、安全、應用接口及應用等）的協議則是由ZigBee聯盟負責研究制定的。這些一系列標準構成了ZigBee技術的詳細規范技術要求，為ZigBee技術在市場中的推廣使用提供了完整的技術支撐。因此，我們通常所說的ZigBee技術應是包括IEEE 802.15.4系列標準和ZigBee聯盟的規范標準的技術總稱。

關于LR-WPAN的MAC和PHY的標準規范，IEEE 802.15發布的第1個版本為IEEE 802.15.4-2003標準，后又在2006年、2011年、2015年和2020年進行了4次修訂。依據ZigBee聯盟的要求，目前ZigBee技術的相關產品起碼應符合IEEE 802.15.4-2011版本標準的要求。

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關于LR-WPAN的高層標準規范，ZigBee聯盟在2006年2月發布了第1個版本《ZigBee規范》，后在2007年和2015年也進行了修訂。目前ZigBee技術的相關產品在滿足符合IEEE 802.15.4-2011版本標準的同時，應符合ZigBee-2015規范的要求。

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二、ZigBee技術的物理層技術

下述依據IEEE 802.15.4-2011版本標準簡要的介紹下LR-WPAN的物理層的相關技術要求，若要詳細了解IEEE 802.15.4-2011標準的關于MAC和PHY全部內容的請查閱下附件2。

附件2：IEEE 802.15.4-2011

1、物理層型式

IEEE 802.15.4-2011規定的LR-WPAN物理層應負責完成如下表2-1-1中所示的任務。為此，IEEE 802.15.4-2011共定義了7種型式的物理層標準，具體詳見下表2-1-2，這些型式與調制方式、射頻工作頻率及擴頻方式等相關。LR-WPAN的通用的物理層型式應為表中的第1種，即工作于2.4GHz頻段，采用DSSS擴頻方式和采用O-QPSK調制方式。

表2-1-1：LR-WPAN物理層負責完成的任務

表2-1-2：LR-WPAN的物理層形式

2、射頻工作頻率

由表2-1-2中可知，IEEE 802.15.4-2011規定的LR-WPAN的工作射頻頻段有多個頻段，這主要是要適應于國際上各個國家的頻率管制的不同。LR-WPAN的工作射頻頻段具體詳見下表2-2，包括頻段、帶寬及相應的調制方式和數據率。然而，依據ZigBee聯盟的要求，LR-WPAN的工作射頻頻段應是工作在免許可的工業、科學和醫療（ISM）頻段，即2.4GHz頻段，這樣可以降低ZigBee設備的生產成本。

表2-2：LR-WPAN的射頻工作頻段情況

另外，868MHz和915MHz將特別分別適用于歐洲和美國使用，它們的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。這些低頻段上無線信號傳播損耗較小，可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域。

3、調制方式

由表2-1-2中可知，IEEE 802.15.4-2011規定的LR-WPAN的調制方式有多種，羅列于下表2-3中，以適應于不同的物理層型式。其中正交四相相移鍵控（O-QPSK）調制應是LR-WPAN物理層采用的主要調制方式。

表2-3：LR-WPAN物理層所使用的調制方式

4、擴頻方式

由表2-1-2中可知，IEEE 802.15.4-2011規定的LR-WPAN物理層的擴頻方式有：直接序列擴頻方式（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum）、并行序列擴頻方式（PSSS，Parallel sequence spread spectrum）和線性調頻擴頻方式（CSS，chirp spread spectrum）。DSSS應為LR-WPAN物理層的常用擴頻方式。

另外，IEEE 802.15.4-2011還為 LR-WPAN規定了采用超寬帶（UWB，ultra-wide band）技術的物理層。

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5、數據速率

由表2-1-2中可知，IEEE 802.15.4-2011規定的LR-WPAN物理層的數據傳輸速率通常為250kbit/s。當物理層采用CSS擴頻方式、工作在2.4GHz頻段時，其數據率可達1Mbit/s；另外還有其更低的數據率，以適應于LR-WPAN在物聯網中的不同場景應用。數據率的大小是與調制方式和相應的碼片率等傳播參數相關。

6、一般無線特性

IEEE 802.15.4-2011同時給出了LR-WPAN物理層的一般無線特性，所給出的特性名稱匯總于下表2-6中。

表2-6：LR-WPAN物理層的無一般線特性名稱

另外，我國國家標準GB/T 15629.15參照IEEE 802.15.4制定了我國LR-WPAN物理層的相關技術要求，兩個標準的內容相似但并不相同。

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三、ZigBee技術的高層規范

目前，ZigBee技術的高層規范是應遵守ZigBee-2015規范的要求。ZigBee-2015規范共主要包括四部分的內容：ZigBee規范概述；應用層規范；網絡規范；安全服務規范。下圖3是ZigBee-2015規范中給出的ZigBee棧架構描述的示意圖，可以知曉ZigBee技術的分層情況，包括層接口、層功能和層間關系等。若要詳細了解ZigBee-2015規范全部內容的請查閱下附件3。