讀ZigBee標準架構 縱觀PHY/MAC/應用層

WPAN的傳輸範圍比無線區域網路(Wireless Local Area Networks, WLAN)較小，目前常聽到的WPAN技術有三種主要公開的標準，即藍芽、WiMedia，與ZigBee，其標準組織與IEEE802國際標準訂定組織密切合作。前述三種WPAN標準分別相當於IEEE802.15.1、IEEE802.15.3a與IEEE802.15.4。此公開的網路標準所訂定範圍與IEEE標準工作群所訂定範圍的關係，可自圖1的ZigBee與IEEE802.15.4的分層式網路結構來說明，即IEEE802.15.4負責訂定WPAN協議中的LLC、MAC與PHY標準，而ZigBee運用此三底層來發展網路層與應用層等。  

在此三種WPAN標準中，目前藍芽主要應用於短距離無線語音傳輸；WiMedia主要應用方向為短距離無線多媒體傳輸；而ZigBee較適用於低耗電與低數據量的短距離無線傳輸，ZigBee的主要殺手級應用包括家庭自動化與大樓自動化的無線感測器與控制器，例如無線讀表(Wireless Meter Reading)系統、無線感測器網路等。以下以ZigBee來代表圖1中自PHY至應用層的標準通稱。  

ZigBee網路架構支持多種型態  

ZigBee提供三種資料傳輸率，即在800MHz頻道的20kbps、在900MHz頻道的40kbps，與在2.4GHz頻道的250kbps。此三種ZigBee頻帶的中心頻率與頻道數，為使用於歐洲的868MHz單一頻道、使用於美洲的915MHz含10個頻道，及通用於全球的2.45GHz含16個頻道。ZigBee使用16bit短定址與64bit擴充定址。ZigBee最大可支援254個元件聯網通訊。  

在多重接入方面，ZigBee採用具避免碰撞的載頻偵測(Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance, CSMA-CA)與保證時槽(Guaranteed Time Slots, GTS)兩種模式，其中GTS類似預留的時域多重接入(Time Division Multiple Access, TDMA)。在GTS模式下，欲通訊的ZigBee元件或裝置可不用經過CSMA-CA中的隨機競爭機制，即可取得頻道的接入使用權，這對緊急訊息傳遞的狀況特別有用，例如配有ZigBee的警報感測元件。  

為了考慮ZigBee產品的多元化與價格，在ZigBeee網路架構中，可存在兩種裝置，即具完整功能的元件(Full-Function Device, FDD)與減化功能的元件(Reduced-Function Device, RFD)。其中FFD的軟硬體配備可做為整個WPAN的網路協調器(Coordinator)，或ZigBee叢集(Cluster)的網路協調器，或一般元件。FFD可和RFD或其他FFD溝通，而RFD只可與FFD溝通，因此RFD可以最少的軟硬體資源與記憶體來實現。  

ZigBee網路架構支持點對點與星形型態(圖2)，星形型態也可以是樹狀型態。在星形WPAN型態中，FFD網路協調器做為控制器，負責啟動或終止ZigBee元件間的通訊，並且負責選定某些主要WPAN參數，同時也擔任網內元件間路由(Route)的功能；星形型態特別適合有中心控制器的家庭或建築物自動化網路應用。點對點型態可以是網狀(Mesh)型態。點對點WPAN型態中，任一ZigBee元件可不必透過網路協調器，而直接和傳輸範疇內的任一ZigBee元件通訊。點對點型態特別適合於無線網路感測器應用，且可以實現具多躍式(Multihop)的隨意網路(Ad Hoc Networks)或網狀網路(Mesh Networks)。在樹狀或網狀型態中，可藉ZigBee路由器擴充網路的範圍。  

實體層圍繞收發器工作  

ZigBee實體層使用的頻帶為868～868.6MHz、902～928MHz，與2400～2483.5MHz，皆不須要使用執照。在此三個頻帶上，共有27個頻道。實體層的主要工作是要啟動與關閉無線傳輸接收器、傳輸與接收資料、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號能量偵測、數據調變傳輸與接收解調、頻道無占用評估(CCA)，與針對接收的封包執行鏈路品質指示(LQI)。ZigBee實體層的時框(Frame)格式如圖3所示，其中SHR代表同步頭端(Synchronization Header)，SFD代表時框啟始端(Start-of-frame Delimiter)，PHR代表實體層頭端(PHY Header)，PSDU代表實體層服務協議數據單元(PHY Service Data Unit)，而前言是做為同步使用。實體層中除了有標準化的協議結構外，其數位調變與展頻方法如下所述。  

對於2.4GHz頻帶，數據調變使用脈波整型後的Offset QPSK(Pulse-Shaped O-QPSK)與正交展頻編碼，其展頻片碼(Chip)率為2Mchips/s，共有16個正交展頻序列。此2.4GHz頻帶調變與展頻關係如圖4所示，其中二位元的數據先經過位元到符碼元(Bit-to-Symbol)轉換，在經過符碼元到片碼轉換，爾後再輸入至Pulse-Shaped O-QPSK調變器(O-QPSK Mod)完成展頻與調變的動作。  

對於868/915MHz頻帶，數據調變使用BPSK與15-Chip m-Sequence展頻差動編碼，其片碼率為0.3Mchips/s，共有2個展頻序列。此868/915MHz頻帶調變與展頻關係如圖5所示，其中二位元的數據先經過差動編碼器(Differential Encoder)編碼，在經過位元到片碼轉換，爾後再輸入至BPSK調變器(BPSK Mod)，完成展頻與調變的動作。圖5中的差動編碼器可以一互斥和(Exclusive-Or)電路來實現。  

圖6歸納ZigBee在不同頻帶的數據調變與傳輸率，可看出傳輸位元率以2.4GHz頻帶的ZigBee最高。但因為電磁波的特性關係，2.4GHz頻帶的訊號較868/915MHz頻帶的訊號傳輸距離短。  

在上述的2.4GHz頻帶數據調變中，Pulse-Shaped O-QPSK相當於最小移頻鍵控(Minimum-Shift Keying, MSK)，其所使用的脈衝(Pulse)如下式：  

(詳細公式請見新通訊60期2月號)  

其中為展頻的一個片碼時間長。  

而在上述的868/915MHz頻帶數據調變中，使用下列的Raised Cosine Pulse來代表基頻上每一片碼位元：  

(詳細公式請見新通訊60期2月號)  

ZigBee PHY層調變的精確度是由誤差向量大小(EVM)來決定。在1000個片碼中，EVM必須小於35%。另外，ZigBee傳輸器必須能傳輸小至-3dBm的能量。為了降低ZigBee元件間的干擾，ZigBee傳輸器須在可接收到的條件下，傳輸較小的能量。  

ZigBee MAC提供可靠鏈路  

此MAC層的功能是提供兩MAC同儕個體間一可靠的鏈路。ZigBee MAC的主要工作為支援通訊鏈路的連結與斷線，產生網路協調器元件的指標(Beacon)信訊號，使指標訊號同步，運用CSMA-CA，及處理與維護GTS。此外，MAC的加密子層可支援通訊加密功能。  

MAC的多從存取協議有三種不同的模式，即為時槽式(Slotted CSMA-CA)模式、非時槽式(Unslotted CSMA-CA)模式，與GTS模式，其中GTS主要用於緊急情境或週期性訊號的傳遞。MAC使用四類時框格式，即指標時框、數據時框、確認(ACK)時框，與指令(Command)時框。在使用指標時框與ACK時框情況下不運用CSMA-CA。  

MAC可選用如圖7與圖8所示的超時框(Superframe)結構，圖7是沒有GTS的情況，在此情況下所有時槽皆須經過競爭取得使用權；而圖8是有GTS的情況。超時框的格式是由網路協調器所定義，一超時框分成16等分的時槽，由指標時框啟始與結束。  

在星狀WPAN有使用指標的網路中，當有ZigBee元件要傳輸數據予網路協調器時，它會先偵測網路的指標。若元件偵測到指標，它會與超時框同步動作，同步達到後，ZigBee元件會啟動時槽式以傳輸數據予網路協調器。在不使用指標的網路中，當有ZigBee元件要傳輸數據予網路協調器時，它會啟動非時槽式以傳輸數據予網路協調器。在以上的數據傳送後，當網路協調器收到數據封包，會回傳ACK予ZigBee元件。當網路協調器有數據要傳輸予ZigBee元件時，也類似前述的協議程序。  

在點對點WPAN中，若ZigBee元件要傳輸數據予其他ZigBee元件，必須週期性地偵測接收訊號，並運用非時槽式來獲得頻道使用權，或是取得元件間的同步。  

一般MAC的時框格式如圖9所示，其中MHR表示MAC頭端，而MFR表示MAC尾端。MHR是包含時框控制欄(Frame Control)，序列號(Sequence Number)，目標ZigBee元件身份証件(Destination ID)，目標ZigBee元件地址(Destination Address)，傳輸端ZigBee元件ID(Source ID)，與傳輸端ZigBee元件地址(Source Address)。  

網路層包括NLDE與NLME  

ZigBee網路層分為兩個部分，即網路層數據部分(Network Layer Data Entity, NLDE)與網路層管理部分(Network Layer Management Entity, NLME)。NLDE負責產生網路層協議數據(Network Level PDU)與傳輸所需的路由。而NLME工作包括負責設定ZigBee元件成為網路協調器，或加入或離開已存在的WPAN，啟動WPAN定址，發現臨近ZigBee元件，尋找路由路徑，與MAC接收啟動控制。  

ZigBee網路層時框格式如圖10所示，主要包括網路頭端(NWK Header)與網路負載(NWK Payload)。網路頭端中的半徑欄定義網路負載中數據允許傳輸的範圍，若一ZigBee元件接到此時框，即將Radius值減一，若Radius值減至零則到達傳輸的最大範圍。  

所有ZigBee元件網路層須提供加入與離開WPAN的功能。而ZigBee網路協調器與路由器須提供下列功能：接受來自MAC或應用層的指令以允許其他元件加入與離開WPAN、指定網路邏輯地址，與維護臨近ZigBee元件的列表。  

另外，網路層也負責ZigBee傳輸元件與目標元件間的路徑與路由尋找功能。  

應用層藉由尋問啟動發現程序以尋找周邊元件  

ZigBee應用層目前只定義編號1～240的240個元件，而241～254則是保留予未來使用。另外，編號0與編號255是給予其他介面使用。ZigBee應用層的通訊基礎是由ZigBee產品供應商發展的類別(Profile)所構成，某一類別提供對ZigBee特定應用技術需求的解決方案。類別是有關啟動ZigBee元件應用的共通訊息、訊息格式，與處理動作的協定，用以產生相互運作的分散式應用，其中包括不同元件間指令傳送、數據要求，及處理指令與要求。ZigBee元件Cluster是由8bit Cluster ID所辨認，在一類別中Cluster ID是唯一的。  

ZigBee應用層主要是透過應用層支援子層(APS)與網路層溝通。在APS中有APS數據個體(APSDE)與APS控管個體(APSME)兩個軟體模組。其中APSDE提供同一WPAN中不同元件間的數據傳輸服務，而APSME則提供元件間發現(Discovery)與連繫(Binding)服務，並且APSME也維護一稱為APS資訊基礎(APS Information Base, AIB)的物件數據庫。  

ZigBee元件藉著送出尋問(Query)啟動發現程序(Discovery Process)來尋找周邊其他的ZigBee元件(Device Discovery)，與這些元件提供的服務(Service Discovery)。ZigBee應用層使用兩種Device Discovery要求格式：即16-bit IEEE地址要求與64-bitI NWK地址要求。其中IEEE地址要求是在已知NWK地址下，以單傳(Unicast)送出，而NWK地址要求是將IEEE地址置於封包的數據負載中以廣播(Broadcast)方式送出。對應於發現要求訊息，依據要求訊息與被要求元件角色特性，可能有不同的回應。若為ZigBee一般元件，回應相關的IEEE或NWK地址；若為ZigBee網路協調器或路由器，則回應網路協調器或路由器本身的IEEE或NWK地址，及其他與網路協調器或路由器聯結的元件IEEE或NWK地址。而Service Discovery提供ZigBee元件以決定其他ZigBee元件所供應的服務，其所對應的回應種類與方式與Device Discovery類似，亦分為單傳與廣播，但詢問形式與回應內容不同。  

ZigBee應用層亦提供元件間的連繫功能，即在互補的應用元件間產生邏輯連動，此連動記錄在一連繫表中，這對於有相互關係的控制元件或感測器特別有用。  

在完成Device Discovery與Service Discovery後，ZigBee元件間可建立關聯，並且開始傳送指令到特定的ZigBee地址。在定址方面有三種方式，即直接定址、間接定址，與廣播定址。ZigBee主控元件自Device Discovery與Service Discovery取得目的地元件的地址與Cluster ID，可使用直接定址。在ZigBee網路協調器連繫資料表中有直接定址的記錄，可使用APSDE透過連繫來做間接定址，這對欲節省能量與記憶體的簡易型感測元件特別有用。另外，可使用廣播定址將應用廣播給所有元件，在此狀況中，目的地的地址是16bit網路廣播地址且須設定APS時框中的廣播旗標。  

在應用層中還有一個稱為ZigBee元件物件(ZigBee Device Object, ZDO)的軟體模組，做為應用物件、元件應用類別與APS間的介面。ZDO位於應用架構與APS之間，負責啟動APS、網路層與保密服務，及負責組合來自使用者的設，定資訊以決定並執行發現、保密控管、網路控管與連繫。此介面亦提供應用層中有關元件發現、連繫與保密功能的定址管理。  

標準與市場已起步  

WPAN已是產業界與學術界的熱門領域，ZigBee省能模式的通訊協議仍須作進一步設計，如減少工作負擔週期，以使ZigBee元件大部分處於睡眠狀態，但可以週期性偵測射頻頻道來決定是否啟動解調與接收電路，這將特別適用於無線控制器與感測器的省能需求。目前市場上已有很多來自不同廠商成熟的ZigBee晶片組，如Chipcon、OKI、飛思卡爾等。ZigBee晶片組的終極目標價為1～2美元。若未來ZigBee晶片組價格能夠低於1美元，那麼甚至如鍵盤、滑鼠、遊戲控制板等無線使用者輸入裝置(Human Input Device)將也是具潛力的ZigBee市場。另一方面，IEEE802.15.4工作群也正在制定下一個具定位功能且更省能的低功秏與低資料傳輸率的WPAN規格，其工作小組稱為IEEE802.15.4a。IEEE802.15.4a中將訂定新的PHY層，運用超寬頻(Ultra Wide Band, UWB)脈衝射頻與啁啾展頻技術(Chirp Spread Spectrum)技術來做訊號調變與傳輸。預計於2006年第二季完成IEEE802.15.4a規格制定。  

(本文作者任職於元智大學通訊工程系)  

(詳細圖表請見新通訊60期2月號)