ZigBee 网路架构
有人将zigbee翻译成「紫蜂」，为无线个人区域网路(wirelesspersonalareanetworks,wpan)的标准之一，已于2005年6月27日公布。除了逻辑链路控制(logiclinkcontrol,llc)层、媒介存取控制(mediaaccesscontrol,mac)层，与实体(physical,phy)层使用2003年10月公布的ieee802.15.4标准外，zigbee标准中共订定应用层与网路层(networklayer)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(wirelesslocalareanetworks,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(wirelessmeterreading)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(carriersensemultipleaccess-collisionavoidance,csma-ca)与保证时槽(guaranteedtimeslots,gts)两种模式，其中gts类似预留的时域多重接入(timedivisionmultipleaccess,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-functiondevice,fdd)与减化功能的元件(reduced-functiondevice,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(adhocnetworks)或网状网路(meshnetworks)。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(synchronizationheader)，sfd代表时框启始端(start-of-framedelimiter)，phr代表实体层头端(phyheader)，psdu代表实体层服务协议数据单元(physervicedataunit)，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offsetqpsk(pulse-shapedo-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-shapedo-qpsk调变器(o-qpskmod)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-chipm-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(differentialencoder)编码，在经过位元到片码转换，尔后再输入至bpsk调变器(bpskmod)，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-shapedo-qpsk相当于最小移频键控(minimum-shiftkeying,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868/915mhz频带数据调变中，使用下列的raisedcosinepulse来代表基频上每一片码位元：
zigbeephy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。
zigbeemac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。zigbeemac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(slottedcsma-ca)模式、非时槽式(unslottedcsma-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(framecontrol)，序列号(sequencenumber)，目标zigbee元件身份证件(destinationid)，目标zigbee元件地址(destinationaddress)，传输端zigbee元件id(sourceid)，与传输端zigbee元件地址(sourceaddress)。
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(networklayerdataentity,nlde)与网路层管理部分(networklayermanagemententity,nlme)。nlde负责产生网路层协议数据(networklevelpdu)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(nwkheader)与网路负载(nwkpayload)。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8bitclusterid所辨认，在一类别中clusterid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(apsinformationbase,aib)的物件数据库。
zigbee元件藉着送出寻问(query)启动发现程序(discoveryprocess)来寻找周边其他的zigbee元件(devicediscovery)，与这些元件提供的服务(servicediscovery)。zigbee应用层使用两种devicediscovery要求格式：即16-bitieee地址要求与64-bitinwk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servicediscovery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devicediscovery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devicediscovery与servicediscovery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devicediscovery与servicediscovery取得目的地元件的地址与clusterid，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(zigbeedeviceobject,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。
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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(wirelessmeterreading)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。
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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(synchronizationheader)，sfd代表时框启始端(start-of-framedelimiter)，phr代表实体层头端(phyheader)，psdu代表实体层服务协议数据单元(physervicedataunit)，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。
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对于868/915mhz频带，数据调变使用bpsk与15-chipm-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(differentialencoder)编码，在经过位元到片码转换，尔后再输入至bpsk调变器(bpskmod)，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-shapedo-qpsk相当于最小移频键控(minimum-shiftkeying,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868/915mhz频带数据调变中，使用下列的raisedcosinepulse来代表基频上每一片码位元：
zigbeephy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。
zigbeemac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。zigbeemac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(slottedcsma-ca)模式、非时槽式(unslottedcsma-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。
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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(framecontrol)，序列号(sequencenumber)，目标zigbee元件身份证件(destinationid)，目标zigbee元件地址(destinationaddress)，传输端zigbee元件id(sourceid)，与传输端zigbee元件地址(sourceaddress)。
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(networklayerdataentity,nlde)与网路层管理部分(networklayermanagemententity,nlme)。nlde负责产生网路层协议数据(networklevelpdu)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(nwkheader)与网路负载(nwkpayload)。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。
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在应用层中还有一个称为zigbee元件物件(zigbeedeviceobject,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。
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