Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術。

　　在藍牙技術的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍牙技術盡管有許多優(yōu)點，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)，家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領域而言，藍牙技術顯得太復雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈，而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長期努力，ZigBee協(xié)議在2003年正式問世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究過的面向家庭網(wǎng)絡的通信協(xié)議Home RF Lite。

　　長期以來，低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從Bluetooth出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是Bluetooth的售價一直居高不下，嚴重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組，負責制定ZigBee的物理層和媒體介質訪問層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的無線技術，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡。它是ZigBee應用層和網(wǎng)絡層協(xié)議的基礎。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它們的通信效率非常高。

　　當發(fā)射機與接收機之間沒有任何阻礙，并能直接看到對方時，就能利用自由空間傳播模型來預測接收訊號強度。自由空間傳播模型預測接收訊號強度會隨著發(fā)射機與接收機之間距離的n次方而衰減，這個函數(shù)關系又稱為冪次法則函數(shù)。當接收機天線與發(fā)射機天線之間有段距離時，它所接收的自由空間功率是由下列Friis自由空間方程式?jīng)Q定：

(1)

　　其中PT是發(fā)射功率；PR(d) 是接收功率，也是發(fā)射機與接收機距離d的函數(shù)；GT是發(fā)射機天線增益；GR是接收機天線增益；d是發(fā)射機與接收機的距離，單位為公尺；λ則是波長，單位也是公尺。

　　Friis自由空間方程式顯示接收功率隨著發(fā)射機與接收機距離的平方而減少；換言之，接收功率將隨著距離增加而以20dB/decade的速率下降。

　　路徑損耗對估算無線傳輸距離很重要，它等于發(fā)射功率與接收功率的相差值（以分貝為單位），代表訊號的衰減程度。從方程式(1)可導出路徑損耗等于發(fā)射功率除以接收功率，方程式(2)將路徑損耗定義為：

　　(2)

　　其中PL是路徑損耗。假設發(fā)射與接收天線都是單位增益，則方程式(2)可簡化為：

　　(3)

　　此方程式還能表示為以下有用形式：

　　PL = 20log10(fMHz) + 20log10(d) – 28(4)

　　或是

　　PR = PT – PL(5)

　　其中d是距離，單位公尺。

　　只有當d值在發(fā)射天線遠場時，F(xiàn)riis自由空間公式才能估算接收功率強度。發(fā)射天線的遠場又稱為Fraunhofer區(qū)域，是指天線遠場距離dF以外的區(qū)域。天線的dF等于2D2/λ，其中D是天線的實體線性尺寸；另外dF還必須大于D，而且要在遠場區(qū)內。這個路徑損耗公式僅適用于發(fā)射機與接收機在對方視線內的理想系統(tǒng)，而且只應用于初步估算。

　　傳播模型把近程距離(close-in distance) d0當成接收功率參考點，設計人員必須利用該參考點的接收功率PR(d0) 計算距離大于d0時的接收功率。設計人員可以利用方程式1和4預測PR(d0)，或是測量發(fā)射機附近許多點的接收功率，再把它們的平均值當成PR(d0)。設計人員選擇近程參考點時，必須確定遠場區(qū)在近程距離之外。

　　美國供應管理協(xié)會（the Institute for Supply Management , ISM）是、權威的采購管理、供應管理、物流管理等領域的組織。ISM成立于1915年，其前身是美國采購管理協(xié)會（the National Associate of Purchasing Management，NAP）, 它的目標是通過其長處，研究，推廣活動和教育來引領供應管理職業(yè)。目前擁有會員45000多名、179個分會，是受尊崇的團體之一。

　　ISM(Industrial Scientific Medical) Band，此頻段( 2.4~2.4835GHz)主要是開放給工業(yè)、科學、醫(yī)學三個主要機構使用，該頻段是依據(jù)美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)所定義出來，屬于Free License，并沒有所謂使用授權的限制。在美國有三個頻段902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz and 5725-5850 MHz，而在歐洲900MHz的頻段則有部份用于GSM通信。允許任何人隨意地傳輸數(shù)據(jù)，但是對所有的功率進行管制，使得發(fā)射臺只有很短的距離，因而不會相互干擾。因此大多數(shù)政府都已經(jīng)留出了這些頻段，用于非授權用途。車庫門控制器、無繩電話、無線鼠標，以及許多國家的無線家用設備都使用ISM頻段。

　　設計人員可利用這項信息和下列公式計算任何距離的接收功率：

　　(6)

　　對于在1-2GHz范圍操作的實際系統(tǒng)，室內環(huán)境的參考距離是1公尺，戶外環(huán)境則為100公尺。

　　常用的射頻功率強度單位是毫瓦分貝或瓦分貝，而不是功率強度。因此方程式(6)可表示為：

　　(7)

　　下例說明這些觀念。假設發(fā)射頻率900MHz，發(fā)射功率6.3mW (8dBm)，并且使用單位增益的發(fā)射和接收天線，則在戶外視線范圍1200公尺處的接收功率可計算如下：戶外環(huán)境的參考距離為100公尺，900MHz訊號的波長為0.33公尺，因此可先利用方程式(1)的值計算100公尺處的接收功率如下：

　　(8)

　　要計算毫瓦分貝功率值，就必須將功率表示為如下的毫瓦值：

　　PR(100) = 0.44 × 10-6mW.(9)

　　這可得到：

　　PR(100) = 10log(0.44 × 10-6mW) = -63.6dBm.(10)

　　利用方程式(7)可得到1200公尺處的接收功率為：

　　(11)

　　以及

　　PR(1200) = -63.6dBm – 21.58dB = -85dBm.(12)

　　您還可利用方程式(5)驗證接收功率就是這個值。

　　故在沒有障礙物且視線可及的理想環(huán)境里，當發(fā)射功率為8dBm時，距離1200公尺位置的接收功率約為-85dBm。當然，實際環(huán)境下的接收功率會低于該理想值，因為目標點與發(fā)射機之間可能有障礙物，或根本就在視線外。從前述例子得知路徑損耗為PT – PR，因此它等于8dBm – (-85dBm) = 93dB。

　　實際路徑損耗公式

　　任何實用的無線傳感器系統(tǒng)都必須知道其可靠傳輸距離。這個無線系統(tǒng)傳輸距離直接由鏈路預算參數(shù)決定：

　　LB = PT + GT + GR – RS(13)

　  其中LB是以分貝表示的鏈路預算，PT是以毫瓦或瓦分貝表示的發(fā)射功率，GT是以分貝表示的發(fā)射機天線增益，GR是以分貝表示的接收機天線增益，RS是接收機靈敏度，代表系統(tǒng)能夠偵測并提供適當訊號雜波比的射頻訊號。接收機靈敏度如方程式14所示：

　　S = -174dBm/Hz + NF + 10logB + SNRMIN(14)

　　其中-174dBm/Hz是熱噪聲基準，NF是以分貝表示的接收機總噪聲指數(shù)，B是接收機總頻寬，SNRMIN則是訊號雜波比。如果發(fā)射機與目標接收機之間的總路徑損耗大于鏈路預算，數(shù)據(jù)就會遺失，通訊也無法進行。因此，設計人員在發(fā)展終系統(tǒng)時必須分析路徑損耗特性，并與鏈路預算比較以獲得初步的距離估算值。

　　室內信道路徑損耗

　　室內無線電信道不同于戶外信道，這是因為室內通道的傳輸距離較短，通道損耗的變動也較大，所以接收訊號強度的變化較大。但對固定無線裝置而言，這個部分卻可忽略不計。建筑物的平面配置、類型和建筑材料都會對室內訊號傳播產(chǎn)生很大影響。研究人員將室內通道分為兩種，一種視線可及的信道，另一種是受到不同程度阻隔的通道（參考文獻1）。建筑物的內部與外部結構可能含有許多不同的隔間和障礙物，隔間方式取決于該建筑是在家庭或辦公室環(huán)境。建筑結構的隔間是固定隔間，活動隔間則能到處移動，而且隔間頂端不會碰到天花板。家庭通常采用木板隔間，辦公室建筑則會在樓層之間使用鋼筋混凝土，并且采用活動隔間方式。

　　建筑物有許多不同的隔間方式，它們的實體和電氣特性也差異很大，很難靠著通用模型來分析室內信道。但經(jīng)由廣泛的研究，業(yè)界已將常用材料的訊號損耗制成表格（表1）。

　　樓層衰減因子代表樓層之間的隔離損耗 （表2）。

　　方程式(15)是利用對數(shù)距離路徑損耗模型所得到的室內信道實際路徑損耗模型：

　　(15)

　　其中X是以分貝為單位的零平均值高斯隨機變量，σ則是標準差。如果為固定裝置，則可將Xσ的影響忽略不計。利用方程式(4)計算1公尺距離的路徑損耗值，再將結果代入方程式15即可得到：

　　PL(d) = 20log10(fMHz) + 10nlog10(d) – 28 + Xσ(16)

　　n的值不會隨頻率改變太多，但會受周圍環(huán)境和建筑物類型影響（表3）。

　　建筑物內的傳播模型包含建筑物類型和障礙物的影響。此模型不但有彈性，還能將路徑損耗測量值與預測值間的標準差減到4dB左右，勝過僅使用對數(shù)距離模型時的13dB。方程式17代表衰減因子模型：

　　PL(d) = 20log10(fMHz) + 10nSFlog10(d) – 28 + FAF(17)

　　其中nSF代表同樓層測量時的路徑損耗指數(shù)，F(xiàn)AF則是樓層衰減因子 （表3），設計人員可根據(jù)表2決定樓層衰減因子。下面的例子示范如何使用前述表格及方程式，它利用下式計算915MHz和2.4GHz訊號在戶外空曠環(huán)境中1200公尺距離的路徑損耗：

　　20log10(fMHz) + 20log10(d) – 28(18)

　　從上式可得到915MHz的路徑損耗為：

　　915MHz = 20log10(915) + 20log10(1200) – 28 = 92.8 dB(19)

　　2400MHz的路徑損耗則為：

　　2400MHz = 20log10(2400) + 20log10(1200) – 28 = 101.2 dB(20)

　　傳輸訊號的頻率越高，路徑損耗就越大，這會縮短高頻訊號的無線傳輸距離。例如在戶外空曠環(huán)境里，2.4GHz無線裝置就比915MHz裝置多出大約8.4dB的路徑損耗。

　　另一個例子則是以同一層樓和三個樓層的固定隔間辦公室環(huán)境為對象，利用表2的數(shù)據(jù)來計算915MHz和2.4GHz訊號在100公尺距離的路徑損耗。從表3可知同樓層的平均路徑損耗為3dBm，把這個n = 3的值代入下式：

　　20log10(fMHz) + 10log10(d) – 28 + Xσ(21)

　　即可得到915MHz的路徑損耗為：

　　915MHz = 20log10(915) + 10(3)log(100) – 28 + Xσ = 91.2dB(22)

　　其中σ = 7dB。2400MHz的路徑損耗則為：

　　2400MHz = 20log10(2400) + 10(3)log (100) – 28 + Xσ = 99.6dB(23)

　　其中σ=14dB。

　　從表2可算出三層樓傳播的樓層衰減因子約24dB，標準差則為5.6dB。把這項信息代入下式：

　　20log10(fMHz) + 10log10(d) – 28 + Xσ(24)

　　即可得到915MHz的路徑損耗為：

　　915MHz = 20log10(915) + 10(3)log10(100) – 28 + 24 = 115.2dB(25)

　　其中σ = 5.6dB。2400MHz的路徑損耗則為：

　　2400MHz = 20log10(2400) + 10(3)log10(100) – 28 + 24 = 123.6dB,(26)

　　其中σ = 5.9dB。

　　第三個例子則假設系統(tǒng)使用單位增益發(fā)射與接收天線、發(fā)射功率為8dBm、以及接收機靈敏度為-100dBm，然后估算915MHz訊號在前兩個例子里的傳輸距離。注意此時的系統(tǒng)鏈路預算為8 – (-100) = 108dB。

　　為了說明路徑損耗公式里的標準差，鏈路預算預留10dB左右的邊限。這表示可供使用的鏈路預算為98dB，超過了個例子92.8dB路徑損耗；因此，設計人員可將系統(tǒng)的戶外傳輸距離視為1200公尺。在室內環(huán)境里，路徑損耗為91.2dB，預留10dB邊的可用鏈路預算約為98dB，這同樣超過路徑損耗。因此，設計人員可將系統(tǒng)的室內傳輸距離視為100公尺。