物联网芯片的协议之Zigbee及其调制

IEEE _802,15.4标准定义了廉价的固定式,便携式和移动式设备物理层 PHY 和媒体接入层 MAC 规范,在现实世界中,这种技术具有低功耗,低速率,低成本的特点,更适用于工控、医疗,传感器等简单组网应用,有许多种通信协议均基于此标准实现,如 ZigBee,RF4CE,6LoWPAN, Wireless HART , SmartLink , THREAD 等。

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。
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,每块芯片的价格相较于其他通信来说,很便宜。
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(自组网)。
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) 。

IEEE _802.15.4协议主要定义了 PHY 和 MAC ,对于上层的网络层和应用层等,并没有具体定义。PHY 数据服务定义了物理无线信道上发送和接收数据包的格式和类型,同时定义了多种不同的工作频率范围,在不同的工作频率范围下,也定义了多种调制类型,具体参考下图
物联网芯片的协议之Zigbee及其调制_第1张图片

这里简单介绍下O-QPSK处理过程,以CC2530的数据手册(datasheet)为例,首先将数据单元的二进制数据中每四位转换为一个符号,然后将每个符号扩频转换为长度为32的码片序列,用符号查找对应16个近似正交的伪随机映射表,映射完成之后的码片数据,依次交替的分为 IQ 数据流,通过 half - sine 滤波器成形形成调制符号。

物联网芯片的协议之Zigbee及其调制_第2张图片
也可以自己研究下CC2530的datasheet,可能会更清晰

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