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本文主要介绍了短距离无线网络通信的ZigBee标准，本文的主要目的就是对ZigBee的基础特性进行一下简单的概述，包括它的网络拓扑、信道访问机制每个协议层所扮演的角色。
1.1什么是 ZigBee?
ZigBee 是为低数据速率、短距离无线网络通信定义的一系列通信协议标准。基于 ZigBee 的无线设备工作在 868MHZ, 915MHZ 和2.4GHz 频带。其最大数据速率是250Kbps 。ZigBee 技术主要针对以电池为电源的应用，这些应用对低数据速率、低成本、更长时间的电池寿命有较高的需求。在一些 ZigBee 应用中，无线设备持续处于活动状态的时间是有限的，大部分时间无线设备是处于省电模式（也称休眠模式）的。因此，ZigBee 设备在电池需要更换以前能够工作数年以上。
ZigBee 的其中一个应用就是室内病人监控。例如，一个病人的血压，心率可以通过可穿戴设备测量出来，病人戴的 ZigBee 设备来周期性的收集血压等健康相关的信息，然后这些数据被无线传送到当地服务器，例如病人家中的一台个人电脑，电脑再对这些数据进行初始分析，最后重要的信息通过互联网被发送到病人的护士或者内科医生那里做进一步的分析。
另外ZigBee 的应用例子就是大型楼宇结构安全的监控。在此应用中，一个建筑内可以安装数个 ZigBee 无线传感器（如加速度计），所有的这些传感器形成一个网络来收集信息，这些收集来的信息可以用于评估建筑的结构安全和潜在的损坏标志，例如，地震后一个建筑在重新开放前可能需要进行检测。而传感器收集到的数据有助于加速和减少检测的花费。
ZigBee 标准是由 ZigBee 联盟所开发的，该联盟有数百个成员公司，从半导体产业和软件开发者到原始设备生产商、安装商。ZigBee 联盟是 2002 年创立的一个非盈利性组织，对每一个想加入的成员都开放。ZigBee标准采用 IEEE 802.15.4 标准作为其 PHY 层和 MAC 层协议。因此，遵循ZigBee 的设备也同样遵循 IEEE 802.15.4 标准。
在家庭和工厂内使用无线通信来收集信息或执行既定控制任务的概念对人们来说并不陌生。回顾了几种短距离无线网络通信的标准，包括 IEEE 802.11 无线局域网（Wireless Local Area Network WLAN）和蓝牙（Bluetooth）. 每个标准都有其在特定领域应用的优势，而 ZigBee 则主要是为低成本、低数据速率、超低功耗的无线网络应用开发的。
通过简化通信协议和降低数据速率，ZigBee 标准有助于降低应用成本。和其他的标准例如 IEEE 802.11 相比，满足 ZigBee 和 IEEE 802.15.4 标准的最低需求相对轻松，这同时也降低了 ZigBee 收发器的应用复杂度和成本。
占空比是指设备活跃时的时间与总时间的比值。例如，若一个设备每分钟唤醒一次，工作 60ms 后继续休眠。那么它的占空比为 0.001 或 0.1%。在许多 ZigBee 应用中，为了保证电池能工作数年以上，设备的占空比都在 1%以下。
1.2 ZigBee VS 蓝牙和 IEEE 802.11
将ZigBee标准与蓝牙和IEEE802.11WLAN进行比较有助于我们理解ZigBee 与现有一些既定标准的区别。图 1.1 总结了这几个标准的一些基本特性。 IEEE 802.11 是一个标准体系, 选择 IEEE 802.11b 是因为它工作在 2.4GHZ 频带，与蓝牙和 ZigBee 相同。IEEE 802.11b 是高数据速率（高达 11Mbps），它的一个典型应用就是提供无线互联网连接。IEEE 802.11b 的室内典型工作范围是 30~100 米。另一方面，蓝牙的数据速率偏低（低于3Mbps）,它的典型室内工作距离是 2~10 米。蓝牙一个比较流行的应用是无线头戴式耳机，它提供了一种在移动电话和耳机之间的通信方式。在这三种标准中，ZigBee 具有最低的数据速率和复杂度，但却提供了最长的电池寿命。
ZigBee 的超低数据速率意味着它不是无线互联网连接或者 CD 音质的无线耳机的最好选择，因为这些东西需要 1Mbps 以上的数据速率。然而，如果无线通信的目的是发送或接收简单的命令，或从传感器收集信息，例如温度、适度传感器等，那么 ZigBee 将会提供比蓝牙和 IEEE 802.11b 更有效、性价比更高的解决方案。
1.3 短距离无线网络分类
短距离无线网络通信方式被分成了两大类：无线局域网（WLAN）和无线个人局域网（WPAN）。
WLAN 是有线局域网（LAN）如以特网（IEEE 802.3）的一个替代或扩展。
WLAN 设备可以被集成在有限 LAN 网络中，并且一旦 WLAN 设备成为网络中的一部分，它将会受到与网络中其他有线设备同样的待遇。WLAN 的目标就是将通信距离和数据速率最大化。
相比之下，WPAN 不是为了替代任何现已存在的有限局域网而被开发的。
WPAN 的目的是为个人操作区域（Personal Operating Space POS）提供高效无线通信的方法，而不需要任何基础设施。POS 是环绕一个无线设备的球型区域，半径为 10 米（33 英尺）。
WPAN 被划分为三类（见图 1.2）：高速(HR)，中速(MR)，低速（LR）。一个 HR-WPAN 的例子就是数据速率为 11~55Mbps 的 IEEE802.15.3，该高数据速率有助于照相机与附近的电视之间的实时无线视频传输。数据速率为 1~3Mbps 的蓝牙是一个 MR-WLAN 的例子，它可以被用于无线耳机中高音质音频的传输。而最大通信数据速率问为 250Kbps 的 ZigBee 则被划分为了 LR-WLAN。
1.4 ZigBee 与 IEEE 802.15.4 标准的关系
常见的建立一个通信网络（有线或无线）的方式就是使用“网络层”的概念。在网络中每一层都负责特定的功能，正常情况下，每层仅向与它直接相邻的上层或下层发送数据或命令。图 1.3 展示了 ZigBee 无线网络协议层的详细内容。 ZigBee 协议层是基于开放系统互连（OSI）基本相关模型。将一个网络协议划分成层有众多好处，例如，若协议随着时间而变动时，可以只简单的替换或更改受变动处影响的层，而不必替换整个协议。此外，在开发一个应用时，协议较底下的层与应用是相互独立的，它们可以从第三方来获得，因此我们需要做的就只是在应用层进行相应的改动。该协议的软件实现方式被称作协议堆栈软件。
如图 1.3 所示，网络的最下面两层是由 IEEE 802.15.4 标准所定义的，该标准是由 IEEE802 标准委员会所开发并于 2003 年最初发布的，IEEE 802.15.4 标准定义了无线网络 PHY 层和 MAC 层的详细信息，但它没有为更高的层规定任何要求。
ZigBee 标准仅仅定义了协议的网络层、应用层和安全层，并采用 IEEE 802.15.4 的 PHY 层和 MAC 层作为其部分协议。因此，任何遵循 ZigBee 标准的设备也同样遵循 IEEE 802.15.4 标准。
IEEE 802.15.4 是独立于 ZigBee 标准而开发的，也就是说，仅基于 IEEE 802.15.4 而不使用详细的 ZigBee 协议层来建立短距离无线网络是有可能的。这样，用户就需要在 IEEE 802.15.4 的 PHY 层和 MAC 层之上来开发他们自己的网络层和应用层（见图 1.4）。这些定制的网络层和应用层通常比 ZigBee 的协议层要简单，并且主要针对于具体的应用。
定制的网络层和应用层有一个好处就是，实现整个协议所需的内存较小，这样就可以有效的降低成本。然而，使用完整的 ZigBee 协议则可以保证与其他供应商解决方案的兼容性和在 ZigBee 中支持网状网络的可靠性。使用完整的 ZigBee 协议还是仅使用 IEEE 802.15.4 的 PHY 层和 MAC 层取决于实际的应用和产品的长期计划。
网络的物理级别特性决定于物理层的具体信息，因此，IEEE 802.15.4 标准中明确的规定了操作频率、数据速率、接收器敏感度需求和设备类型等参数。这本书涉及到了 IEEE 802.15.4 标准层，并以同样的详细程度描述了具体的 ZigBee 层。书中给出的例子通常都是 ZigBee 无线网络的例子，然而，即使只使用了 IEEE 802.15.4 的 PHY 层和 MAC 层，大部分讨论的内容都是可以使用的。
1.5 操作频率和数据速率
最新版本的 IEEE 802.15.4 发布于 2006 年 9 月，该版本共中有三种频率带：
868~868.6 MHz (868 MHz band)
902~928 MHz (915 MHz band)
2400~2483.5 MHz (2.4 GHz band)
868 MHz 频带应用于欧洲，有大量的应用，包括短距离无线网络。另外两个
频带（915 MHz 和 2.4 GHz）是工业、科研、医学（ISM）频带的一部分。915 MHz 频带主要用于北美，而 2.4 GHz 则是全国通用。
表 1.1 提供了这三种频带在 IEEE802.15.4 标准中使用方式的更加详细的内容，IEEE802.15.4 规定如果一个收发器支持 868MHz 频带，那么它同样也要支持 915MHz，反之亦然。因此，这两个频带总是被绑定在一起，称为 868/915 MHz 操作频带。
IEEE802.15.4 为 868/915 MHz 规定了一条强制和两条可选规范。强制规范更加容易实现，但却牺牲了数据速率（分别为 20Kbps 和 40Kbps）。在介绍 2006 中两种可选的 PHY 操作模式之前，将数据速率提高到 40Kbps 以上的唯一方法就是使用 2.4 GHz 频带。对于这新增的两条 PHY 操作模式，如果因为任何原因（例如在2.4GHz频带中存在强烈的干扰），都是不能在2.4 GHz频带进行操作的，或者 40Kbps 的数据速率不够使用，用户可以选择 868/915MHz 频带来获取250Kbps 的数据速率。 如果用户选择使用可选的操作模式，IEEE 802.15.4 仍然要求它能兼容 868MHz/915MHz 频带的低数据速率强制操作模式。此外，在 868MHz/91MHz 频带中，收发器还必须能在强制和可选操作模式之间动态转换。
2.4 GHz 的收发器可能会支持 868MHz/915MHz 频带，但在 IEEE 802.15.4 中这不是必须的。在 868MHz 频带中仅有一个通道的空间，915MHz 频带则有 10 个（不包括可选通道），而 2.4 GHz 频带的通道数则多达 16 个。
2.4 GHz ISM 频带全球通用，并且有最大的数据速率和最多的通道数。由于这些原因，对很多制造商来说，开发 2.4 GHz 频带的收发器是很流行的。然而， IEEE 802. 11b 也工作在 2.4 GHz 频带，因此在某些应用中两者共存是个问题（详细的共存问题在第八章中有描述）。此外，频带越低，信号穿透墙和其他各种物体的能力就越强。因此，一些用户可能觉得 868MHz/915MHz 更适合他们的应用。
IEEE 802.15.4 有三种调制方式：二进制相移键控（BPSK）、振幅键控（ASK）和偏移正交相移键控（O-QPSK）。在 BPSK 和
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