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Zigbee采用的自组织网通信方式/和性能分析

已有 572 次阅读  2009-12-05 11:49   标签Zigbee  性能分析  通信  组织 
ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事?举一个简单的例子就可以说明这个问题,当一队伞兵空降后,每人持有一个ZigBee网络模块终端,降落到地面后,只要他们彼此间在网络模块的通信范围内,通过彼此自动寻找,很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且,由于人员的移动,彼此间的联络还会发生变化。因而,模块还可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网络进行刷新。这就是自组织网。
  ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信?
  网状网通信实际上就是多通道通信,在实际工业现场,由于各种原因,往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通,就像城市的街道一样,可能因为车祸,道路维修等,使得某条道路的交通出现暂时中断,此时由于我们有多个通道,车辆(相当于我们的控制数据)仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。
  为什么自组织网要采用动态路由的方式?
  所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的,而是传输数据前,通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索,分析它们的位置关系以及远近,然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中,路径的选择使用的是“梯度法”,即先选择路径最近的一条通道进行传输,如传不通,再使用另外一条稍远一点的通路进行传输,以此类推,直到数据送达目的地为止。在实际工业现场,预先确定的传输路径随时都可能发生变化,或者因各种原因路径被中断了,或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构,就可以很好解决这个问题,从而保证数据的可靠传输。
【编辑本段】Zigbee自身的技术优势
  ①低功耗。在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作6~24个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
  现在,TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的Zigbee提供电源。
  ②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。
  ③ 低速率。Zigbee工作在20~250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。
  ④近距离。传输范围一般介于10~100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到1~3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
  ⑤短时延。Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3~10 s、WiFi 需要3 s。
  ⑥高容量。Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。
  ⑦高安全。Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。
  ⑧免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。
【编辑本段】Zigbee的频带
  1) 868MHZ 传输速率为20KB/S 适用于欧洲
  2) 915MHZ 传输速率为40KB/S 适用于美国
  3) 2.4GHZ 传输速率为250KB/S 全球通用
  由于 此三个频带物理层并不相同,其各自信道带宽也不同,分别为
  0.6MHZ,2MHZ和5MHZ.分别有1个10个和16个信道.
  不同频带的扩频和调制方式有区别.虽然都使用了直接扩频(DSSS)的方式,但从比特到码片的变换方式有较大的差别.
  调制方式都用了调相技术,但868MHZ和915MHZ频段采用的是BPSK
  而2.4GHZ频段采用的是OQPSK
  在发射功率为0dBm的情况下,BLUETOOTH通常能用10M的作用范围.
  而基于IEEE 802.15.4的zigbee在室内通常能达到30-50米作用距离,在室外如果障碍物少,甚至可以达到100米作用距离.
  所以zigbee可归为低速率的短距离无线通信技术.
【编辑本段】Zigbee性能分析
  1.数据速率比较低 在2.4GHZ的频段只有250Kb/S,而且只是链路上的速率,除掉信道竞争应答和重传等消耗,真正能被应用所利用的速率可能不足100Kb/S,并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分.因此不适合做视频之类事情.
  适合的应用领域--------传感和控制
  2.可靠性 在可靠性方面,zigbee有很多方面进行保证.物理层采用了扩频技术,能够在一定程度上抵抗干扰
  MAC应用层(APS部分)有应答重传功能.
  MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道,可以起到避开干扰的作用.
  当zigbee网络受到外界干扰,无法正常工作时,整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上.
  3.时延 由于zigbee采用随机接入MAC层,且不支持时分复用的信道接入方式,因此不能很好的支持一些实时的业务.
  4.能耗特性 能耗特性是zigbee的一个技术优势.
  通常zigbee节点所承载的应用数据速率都比较低,在不需要通信时,节点可以进入很低功耗的休眠状态,此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一.由于一般情况下,休眠时间占总运行时间的大部分,有时正常工作的时间还不到百分之一,因此达到很高的节能效果.
  5.组网和路由性------网络层特性
  zigbee大规模的组网能力--------每个网络60000个节点
  bluetooth-------每个网络8个节点.
  因为zigbee底层采用了直扩技术,如果采用非信标模式,网络可以扩展得很大,因为不需同步而且节点加入网络和重新加入网络的过程很快,一般可以做到1秒以内,甚至更快.
  bluetooth通常需要3秒
  在路由方面,zigbee支持可靠性很高的网状网的路由,所以可以布置范围很广的网络,并支持多播和广播特性,能够给丰富的应用带来有力的支持.
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