ZigBee 网路架构

有人将ZigBee 翻译成「紫蜂」，为无线个人区域网路(Wireless Personal Area Networks, WPAN)的标准之一，已于 2005 年6 月27 日 公布。除了逻辑链路控制(Logic Link Control, LLC)层、媒介存取控制(Media Access Control, MAC)层，与实体(Physical, PHY)层使用2003 年10 月公布的IEEE 802.15.4标准外，ZigBee 标准中共订定应用层与网路层(Network Layer)的标准，及MAC、应用层与网路层的安全加密服务标准。

    WPAN 的传输范围比无线区域网路(Wireless Local Area Networks, WLAN)较小，目前常听到的WPAN 技术有三种主要公开的标准，即蓝芽、WiMedia，与ZigBee，其标准组织与IEEE802 国际标准订定组织密切合作。前述三种WPAN 标准分别相当于IEEE802.15.1、IEEE802. 15.3a 与IEEE802.15.4。此公开的网路标准所订定范围与IEEE 标准工作群所订定范围的关系，可自图1 的ZigBee 与IEEE802.15.4 的分层式网路结构来说明，即IEEE802.15.4 负责订定WPAN 协议中的LLC、MAC 与PHY 标准，而ZigBee 运用此三底层来发展网路层与应用层等。

    在此三种WPAN 标准中，目前蓝芽主要应用于短距离无线语音传输；WiMedia 主要应用方向为短距离无线多媒体传输；而ZigBee 较适用于低耗电与低数据量的短距离无线传输，ZigBee 的主要杀手级应用包括家庭自动化与大楼自动化的无线感测器与控制器，例如无线读表(Wireless Meter Reading)系统、无线感测器网路等。以下以ZigBee 来代表图1 中自PHY 至应用层的标准通称。

ZigBee 网路架构支持多种型态
ZigBee 提供三种资料传输率，即在800MHz 频道的20kbps、在900MHz 频道的40kbps，与在2.4GHz 频道的250kbps。此三种ZigBee 频带的中心频率与频道数，为使用于欧洲的868MHz 单一频道、使用于美洲的915MHz 含10 个频道，及通用于全球的2.45GHz 含16 个频道。ZigBee 使用16bit 短定址与64bit 扩充定址。

ZigBee 最大可支援254 个元件联网通讯。
    在多重接入方面，ZigBee 采用具避免碰撞的载频侦测(Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance, CSMA-CA)与保证时槽(Guaranteed Time Slots, GTS)两种模式，其中GTS 类似预留的时域多重接入(Time Division Multiple Access, TDMA)。在GTS 模式下，欲通讯的ZigBee 元件或装置可不用经过CSMA-CA中的随机竞争机制，即可取得频道的接入使用权，这对紧急讯息传递的状况特别有用，例如配有ZigBee 的警报感测元件。
    为了考虑ZigBee 产品的多元化与价格，在ZigBeee 网路架构中，可存在两种装置，即具完整功能的元件(Full-Function Device, FDD)与减化功能的元件(Reduced-Function Device, RFD)。其中FFD 的软硬体配备可做为整个WPAN 的网路协调器(Coordinator)，或ZigBee 丛集(Cluster)的网路协调器，或一般元件。FFD 可和RFD 蚱渌鸉FD 沟通，而RFD 只可与FFD 沟通，因此RFD 可以最少的软硬体资源与记忆体来实现。
    ZigBee 网路架构支持点对点与星形型态，星形型态也可以是树状型态。在星形WPAN 型态中，FFD 网路协调器做为控制器，负责启动或终止ZigBee 元件间的通讯，并且负责选定某些主要WPAN 参数，同时也担任网内元件间路由(Route)的功能；星形型态特别适合有中心控制器的家庭或建筑物自动化网路应用。点对点型态可以是网状(Mesh)型态。点对点WPAN 型态中，任一ZigBee 元件可不必透过网路协调器，而直接和传输范畴内的任一ZigBee 元件通讯。点对点型态特别适合于无线网路感测器应用，且可以实现具多跃式(Multihop)的随意网路(AdHoc Networks)或网状网路(Mesh Networks)。在树状或网状型态中，可藉ZigBee路由器扩充网路的范围。

实体层围绕收发器工作

ZigBee 实体层使用的频带为868～868.6MHz、902～928MHz，与2400～2483.5MHz皆不须要使用执照。在此三个频带上，共有27 个频道。实体层的主要工作是要启动与关闭无线传输接收器、传输与接收资料、使用频道的选择、在目前频道上做讯号能量侦测、数据调变传输与接收解调、频道无占用评估(CCA)，与针对接收的封包执行链路品质指示(LQI)。ZigBee 实体层的时框(Frame)格式，其中SHR 代表同步头端(Synchronization Header)，SFD 代表时框启始端(Start-of-frame Delimiter)，PHR 代表实体层头端(PHY Header)，PSDU 代表实体层服务协议数据单元(PHY Service Data Unit)，而前言是做为同步使用。实体层中除了有标准化的协议结构外，其数位调变与展频方法如下所述。
对于2.4GHz 频带，数据调变使用脉波整型后的Offset QPSK(Pulse-Shaped O-QPSK)与正交展频编码，其展频片码(Chip)率为2Mchips/s，共有16 个正交展频序列。其中二位元的数据先经过位元到符码元(Bit-to-Symbol)转换，在经过符码元到片码转换，尔后再输入至Pulse-Shaped O-QPSK 调变器(O-QPSK Mod)完成展频与调变的动作。
对于868/915MHz 频带，数据调变使用BPSK 与15-Chip m-Sequence 展频差动编码，其片码率为0.3Mchips/s，共有2 个展频序列。此868/915MHz 频带调变与展频关系，其中二位元的数据先经过差动编码器(Differential Encoder)编码，在经过位元到片码转换，尔后再输入至BPSK 调变器(BPSK Mod)，完成展频与调变的动作。差动编码器可以一互斥和(Exclusive-Or)电路来实现。

归纳ZigBee 在不同频带的数据调变与传输率，可看出传输位元率以2.4GHz频带的ZigBee 最高。但因为电磁波的特性关系，2.4GHz 频带的讯号较868/915MHz频带的讯号传输距离短。
在上述的2.4GHz 频带数据调变中，Pulse-Shaped O-QPSK 相当于最小移频键控(Minimum-Shift Keying, MSK)，其所使用的脉冲(Pulse)如下式：其中为展频的一个片码时间长。
而在上述的868/ 915M Hz 频带数据调变中，使用下列的Raised Cosine Pulse来代表基频上每一片码位元：

ZigBee PHY层调变的精确度是由误差向量大小(EVM)来决定。在1000 个片码中，EVM 必须小于35%。另外，ZigBee 传输器必须能传输小至-3dBm 的能量。为了降低ZigBee 元件间的干扰，ZigBee 传输器须在可接收到的条件下，传输较小的能量。

ZigBee MAC 提供可靠链路
此MAC 层的功能是提供两MAC 同侪个体间一可靠的链路。ZigBee MAC 的主要工作为支援通讯链路的连结与断线，产生网路协调器元件的指标(Beacon)信讯号，使指标讯号同步，运用CSMA-CA，及处理与维护GTS。此外，MAC 的加密子层可支援通讯加密功能。
    MAC 的多从存取协议有三种不同的模式，即为时槽式(Slotted CSMA-CA)模式、非时槽式(Unslotted CSMA-CA)模式，与GTS 模式，其中GTS 主要用于紧急情境或周期性讯号的传递。MAC 使用四类时框格式，即指标时框、数据时框、确认(ACK)时框，与指令(Command)时框。在使用指标时框与ACK 时框情况下不运用CSMA-CA。

    在星状WPAN 有使用指标的网路中，当有ZigBee 元件要传输数据予网路协调器时，它会先侦测网路的指标。若元件侦测到指标，它会与超时框同步动作，同步达到后，ZigBee 元件会启动时槽式以传输数据予网路协调器。在不使用指标的网路中，当有ZigBee 元件要传输数据予网路协调器时，它会启动非时槽式以传输数据予网路协调器。在以上的数据传送后，当网路协调器收到数据封包，会回传ACK 予ZigBee 元件。当网路协调器有数据要传输予ZigBee 元件时，也类似前述的协议程序。
在点对点WPAN 中，若ZigBee 元件要传输数据予其他ZigBee 元件，必须周期性地侦测接收讯号，并运用非时槽式来获得频道使用权，或是取得元件间的同步。
    一般MAC 的时框格式其中MHR 表示MAC 头端，而MFR 表示MAC 尾端。MHR 是包含时框控制栏(Frame Control)，序列号(Sequence Number)，目标ZigBee元件身份证件(Destination ID)，目标ZigBee 元件地址(Destination Address)，传输端ZigBee 元件ID(Source ID)，与传输端ZigBee 元件地址(Source Address)。
网路层包括NLDE 与NLMEZigBee 网路层分为两个部分，即网路层数据部分(Network Layer Data Entity,NLDE)与网路层管理部分(Network Layer Management Entity, NLME)。NLDE 负责产生网路层协议数据(Network Level PDU)与传输所需的路由。而NLME 工作包括负责设定ZigBee 元件成为网路协调器，或加入或离开已存在的PAN，启动WPAN定址，发现临近ZigBee 元件，寻找路由路径，与MAC 接收启动控制。
ZigBee 网路层时框格式主要包括网路头端(NWK Header)与网路负载(NWK Payload)。网路头端中的半径栏定义网路负载中数据允许传输的范围，若一ZigBee 元件接到此时框，即将Radius 值减一，若Radius 值减至零则到达传输的最大范围。所有ZigBee 元件网路层须提供加入与离开WPAN 的功能。而ZigBee 网路协调器与路由器须提供下列功能：接受来自MAC 或应用层的指令以允许其他元件加入与离开WPAN、指定网路逻辑地址，与维护临近ZigBee 元件的列表。
另外，网路层也负责ZigBee 传输元件与目标元件间的路径与路由寻找功能。应用层藉由寻问启动发现程序以寻找周边元件ZigBee 应用层目前只定义编号1～240 的240 个元件，而241～254 则是保留予未来使用。另外，编号0 与编号255 是给予其他介面使用。ZigBee 应用层的通讯基础是由ZigBee 产品供应商发展的类别(Profile)所构成，某一类别提供对ZigBee 特定应用技术需求的解决方案。类别是有关启动ZigBee 元件应用的共通讯息、讯息格式，与处理动作的协定，用以产生相互运作的分散式应用，其中包括不同元件间指令传送、数据要求，及处理指令与要求。ZigBee 元件Cluster是由8bit Cluster ID 所辨认，在一类别中Cluster ID 是唯一的。

    ZigBee 应用层主要是透过应用层支援子层(APS)与网路层沟通。在APS 中有APS数据个体(APSDE)与APS 控管个体(APSME)两个软体模组。其中APSDE 提供同一WPAN 中不同元件间的数据传输服务，而APSME 则提供元件间发现(Discovery)与连系(Binding)服务，并且APSME 也维护一称为APS 资讯基础(APS Information Base, AIB)的物件数据库。
ZigBee 元件藉着送出寻问(Query)启动发现程序(Discovery Process)来寻找周边其他的ZigBee 元件(Device Discovery)，与这些元件提供的服务(Service Discovery)。ZigBee 应用层使用两种Device Discovery要求格式：即16-bit IEEE地址要求与64-bitI NWK 地址要求。其中IEEE 地址要求是在已知NWK 地址下，以单传(Unicast)送出，而NWK 地址要求是将IEEE 地址置于封包的数据负载中以广播(Broadcast)方式送出。对应于发现要求讯息，依据要求讯息与被要求元件角色特性，可能有不同的回应。若为ZigBee 一般元件，回应相关的IEEE 或NWK地址；若为ZigBee 网路协调器或路由器，则回应网路协调器或路由器本身的IEEE或NWK 地址，及其他与网路协调器或路由器联结的元件IEEE 或NWK 地址。而Service Discovery提供ZigBee 元件以决定其他ZigBee 元件所供应的服务，其所对应的回应种类与方式与Device Discovery 类似，亦分为单传与广播，但询问形式与回应内容不同。

 
     ZigBee 应用层亦提供元件间的连系功能，即在互补的应用元件间产生逻辑连动，此连动记录在一连系表中，这对于有相互关系的控制元件或感测器特别有用。

在完成Device Discovery与Service Discovery后，ZigBee 元件间可建立关联，并且开始传送指令到特定的ZigBee 地址。在定址方面有三种方式，即直接定址、间接定址，与广播定址。ZigBee 主控元件自Device Discovery 与Service Discovery 取得目的地元件的地址与Cluster ID，可使用直接定址。在ZigBee网路协调器连系资料表中有直接定址的记录，可使用APSDE 透过连系来做间接定址，这对欲节省能量与记忆体的简易型感测元件特别有用。另外，可使用广播定址将应用广播给所有元件，在此状况中，目的地的地址是16bit 网路广播地址且须设定APS 时框中的广播旗标。
在应用层中还有一个称为ZigBee 元件物件(ZigBee Device Object, ZDO)的软体模组，做为应用物件、元件应用类别与APS 间的介面。ZDO 位于应用架构与APS之间，负责启动APS、网路层与保密服务，及负责组合来自使用者的设，定资讯以决定并执行发现、保密控管、网路控管与连系。此介面亦提供应用层中有关元件发现、连系与保密功能的定址管理。