摘要：ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得人们广泛的关注。完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制订，物理层和媒体访问控制(MAC)层采用IEEE802.15.4标准。IEEE802.15.4物理层简单采用比特到符号映射技术、符号到码片序列转换技术、偏移正交相移键控(OQPSK)调制技术，无须信道编码等复杂算法；MAC层采用载波监听多址-冲突避免技术，支持休眠模式。整个协议的设计使得ZigBee技术具有数据传输速率低、功耗低、成本低等特点，更加适合于工业监控系统、传感器网络、家庭监控系统、安全系统等应用。

关键词：无线传感器网络；ZigBee技术；IEEE 802.15.4协议；物理层；多址接入控制

基金项目：北京市自然科学基金项目(4062023)

几年来，无线与移动通信以前所未有的速度迅猛发展。随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离的无线与移动通信又提出了新的需求，使得短距离无线通信异军突起，包括无线局域网、蓝牙技术、移动AdHoc网、超宽带(UWB)以及ZigBee技术等各种热点技术相继出现，均展现出各自巨大的应用潜力。其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注[1-4]。

ZigBee是短距离通信的一种新兴技术。它使用2.4 GHz波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，ZigBee更简单、功率及费用也更低，能够比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用[5]。

ZigBee的技术特点在于：数据传输速率低，只有10～250 kb/s。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。成本低。ZigBee数据传输速率低，协议简单，且免收专利费，所以大大降低了成本。

网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持255个设备。时延短。通常时延为15～30 ms。安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用先进加密标准-128(AES-128)加密算法。

有效范围小。有效覆盖范围10～75m，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。使用频段为2.4 GHz、868 MHz(欧洲)及915 MHz(美国)，均为免执照频段。

1 ZigBee协议

1.1 ZigBee协议框架

ZigBee协议栈由一组子层构成。每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。

ZigBee协议栈的体系结构[6]如图1所示。它虽然是基于标准的七层开放式系统互联(OSI)模型，但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义。IEEE802.15.4-2003标准[7]定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层 (APL)框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象。

相比于常见的无线通信标准，ZigBee协议套件紧凑而简单，具体实现的要求很低。以下是ZigBee协议套件的需求估计：硬件需要8位处理器，如80c51；软件需要32 kB的ROM，最小软件需要4kB的ROM；网络主节点需要更多的RAM以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。

1.2 IPv6与IEEE 802.15.4的结合