ZigBee网络拓朴与自形成和自愈特性浅析

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摘 要：近年来，zigbee技术在无线组网通讯中得到广泛应用，尤其在物联网技术的发展中已成为组网的关键技术，本文剖析了ZigBee网络的设备类型及常用拓扑结构，并对其自形成和自愈特性进行了分析。

关键词：ZigBee；拓扑；自形成；自愈

中图分类号：TP212.9

ZigBee[1]技术是一种新兴的近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

IEEE 802.15.4无线网络中有两种设备类型：全功能设备（FFD）和半功能设备（RFD），FFD可以执行IEEE 802.15.4标准中描述的所有功能，并且可以用作网络中的任何角色；另一方面，RFD只有部分功能，例如：FFD可以和网络中的任何其他设备通信，但RFD却只能和FFD设备通信。RFD设备的目的是应用于简单的应用中，如打开或关闭一个开关。RFD设备的处理能力和内存大小通常小于那些FFD设备。

在一个IEEE 802.15.4网络中[2]，FFD设备能担任三种不同的角色：Coordinator、PAN Coordinator和Device。Coordinator是一个FFD，能够转播消息。如果Coordinator同样也是个人区域网络的主要控制器，那么称其为PAN Coordinator。如果一个设备不是充当Coordinator，那么我们把它叫做Device。

ZigBee标准使用稍微不同的术语。ZigBee Coordinator是一个IEEE 802.15.4的PAN Coordinator；ZigBee Router是一个可以充当IEEE 802.15.4 Coordinator的设备；最后，ZigBee End Device既不是Coordinator也不是Router，ZigBee End Device具有最小的内存大小和最弱的处理能力和特性，End Device通常是一个网络中最便宜的设备。

ZigBee网络拓扑。网络组成是由ZigBee网络层来管理的，其网络必须是IEEE 802.15.4两种网络拓扑：星型和点对点型中的一种。如图2所示的星型拓扑中，每一个设备都只能和PAN Coordiantor通信，组成星型网络的一个典型案例就是一个FFD被编程为一个PAN Coordinator，并且被激活开始建立其自己的网络。该PAN Coordinator做的第一件事情是选择一个在其射频覆盖范围内没有被其他网络使用的特殊PAN标识符，在该射频覆盖范围内无线电之间可以成功的进行相互通信。换句话说，它保证了PAN标识符没有被其他相邻的网络所使用。

在点对点拓扑中（如图2所示），如果两个设备放置的距离足够近来成功的建立通信链接的话，那么他们之间可以直接通信。在点对点网络中，任何FFD都可以充当PAN Coordinator的角色。看哪一个设备是PAN Coordinator的方法是看哪个FFD设备是最先作为PAN Coordinator进行通信的。在点对点网络中，所有参与转发信息的设备都是FFD设备，因为RFD设备不能够传播消息。不过，RFD也能够成为网络中一部分，并且可以和网络中的一种特殊设备（Coordinator或Router）通信。

也展示了为什么转发信息有助于扩展网络范围，甚至绕过障碍物。例如，设备A需要发送一条信息到设备B，但它们之间有障碍物，信号难以穿透。这时树形拓扑就可以通过转发信息绕过障碍物来帮助其到达设备B。这有时也被叫做multihopping，因为信息从一个节点跳到另一个节点直到到达目的地为止。更广的覆盖范围取决于潜在高信息延迟消耗。

不考虑拓扑的话，一个IEEE 802.15.4网络总是由一个PAN coordinator所创建，PAN coordinator控制网络并且履行下面最小职责：

（1）为网络中每个设备分配一个唯一地址（16位或64位）。

（2）初始化、中止、发送整个网络中的信息。

（3）为网络选择一个唯一的PAN标识符。该标识符运行同一个网络中的设备使用16位短地址寻址方法，并且能够通过独立的网络与其他设备通信。

ZigBee的自形成和自愈特性。像前面所讨论的，ZigBee网络一激活就开始网络构建。例如，在网状网络中，第一个开始通信的FFD设备将自己设置为ZigBee Coordinator，然后其他的设备通过发送建立连接请求来加入网络，因为不需要其他额外的管理来建立一个网络，ZigBee网络是自动形成的网络。

另一方面，当一个网状网络建立时，通常有不止一种方法可以将信息从一个设备转发到另一个。当然，会由最佳的路径来转发这条消息，然而，当其中的一个路由器因为电池电量用完或有障碍物挡住信息的传播路径而停止工作时，网络会选择另一条路径。这就是ZigBee网状网络自愈特性的一个例子。

ZigBee被认为是一种ad hoc无线网络。在ad hoc无线网络中，一些无线节点为其他设备转发数据。将信息从源头发送到目的地的路径是基于网络连通性而动态选择的，如果网络状态改变了，那么可能也有必要改变网络路径。这是和其他一些带基础设施的网络拓扑所不同的，在这些网络拓扑中，一些指定的设备在网络中总是充当路由器的角色。

参考文献：

[1]Bo Chen，Mingguang Wu，Shuai Yao.ZigBee Technology and its application on Wireless Meter-reading System，Industrial Informatics[J].2006 IEEE International Conference，2006：1257-1260.

[2]G.Ding，Z.Sahinoglu，Orlik.Tree-Based Data Broadcast in IEEE 802.15.4 and Zigbee Networks[J].Mobile Computing，IEEE Transactions，2006（11）：1561-1574.

作者单位：成都学院信息科学与技术学院，成都 610106