ZigBee無線網絡星載應用可行性研究

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

1 引言

針對當前衛星上存在電纜多、電氣系統連接關系復雜、衛星總裝繁瑣等問題，各國航天界都在關注采用無線網絡技術取代傳統總線進行衛星電氣系統互連的星上無線網絡技術［1］。采用無線網絡技術，不但使星上設備或部組件的通信不需要電纜，減輕了衛星質量，而且使星上各個設備可以實現靈活組網和信息的多路徑傳輸，提高信息傳輸的可靠性。

目前，常用的無線網絡有藍牙（Blue Tooth）、紅外線數據協會（Infrared Data Association，IrDA）、無線保真度（Wireless Fidelity，Wi-Fi）、以及紫蜂（ZigBee）（短距離無線通信方式）等。藍牙技術僅支持8個網絡節點通信，而在衛星系統中，網絡節點有十幾個甚至幾十個，藍牙在網絡容量方面的局限性，限制了其在星載網絡中的應用；IrDA 是一種利用紅外進行點對點的通信技術，只能在2臺設備之間連接，并且存在視距角度等問題，不適合多點組網；Wi-Fi雖然可以支持30個網絡節點，但是其功耗較大，協議復雜［2］，軟硬件的開銷較大，國內外航天工作者也在關注，但主要考慮將其應用到星間網絡通信中。

ZigBee是一種短距離無線通信技術，具有組網靈活、數據傳輸可靠、網絡容量大（可以容納65 535個節點）、功耗低、應用方便等特點，可實現星上設備間靈活可靠的無線信息交互等特點［3-4］，該技術已經在物聯網領域中廣泛應用。本文首先介紹了ZigBee網絡靈活性對星載應用的優勢；其次，將它引進星載應用的可行性進行了研究，提出了ZigBee星載應用的系統組成、網絡拓撲等方面的可行性建議。

2 ZigBee網絡靈活性對星載應用的優勢

ZigBee網絡傳輸速率為250kbit／s，傳輸距離通常為10m～100m，另外，具有低延時、低功耗的特點，尤其是其協議完善具有良好的組網能力，可以實現通信節點的靈活加入或退出，同時支持單播、多播、組播等通信形式，特別適合小衛星星上信息流廣播輪詢的通信模式。ZigBee也支持路由自修復，可以實現信息的多路徑傳輸，有利于提高航天器信息傳輸的可靠性。

ZigBee網絡有3 種類型的設備：ZigBee 協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備［5-6］。其中除了協調器需要負責網絡的初始化外，其他網絡節點可以隨時關機退出網絡，也可以隨時開機加入網絡，相比傳統的網絡具有較強的靈活性［7］。

網絡節點的加入、退出過程如圖1所示。新節點加入網絡首先進行網路發現，調用媒介訪問控制層（Media Access Control，MAC）的主動掃描，發送MAC層信標請求命令，然后監聽一段時間進行信標的收集，如果收到信標，新加入節點對信標進行解析。當確定加入網絡時，則確定以路由器或終端設備的身份加入，以及確定通過哪個節點加入網絡。選擇好后，新節點向選擇的父節點發送加入網絡請求，父節點同意新節點加入并分配網絡地址給新加入節點，完成網絡新節點的加入。如果網絡中的節點退出網絡，同樣需要向其父節點發送退出網絡請求，當收到父節點退出網絡應答后，便可以成功離開網絡。但如果此節點有一個或多個子節點，在其離開網絡之前，首先要解除所有子節點與本節點的關聯。

依靠該協議支持，在衛星應用中，星上設備開機以后可以自主完成組網，實現與星上其他設備的互聯。

ZigBee網絡支持按需路由協議（Ah hoc on Demand Vector，AODV），即只有當源節點需要到目的節點的路由或者當某個節點希望加入一個多播組時才尋找路徑，AODV 多跳和中間節點的轉發特性可以在不降低網絡覆蓋范圍的條件下減少每個終端的發射范圍，降低了設備的功耗。

根據按需路由協議，在衛星應用中可以根據信息傳遞需要進行路徑尋找，降低設備的發射功耗，并可以實現信息的多播傳輸，同時可以實現信息的多路徑傳輸，提高星載網絡的抗毀性能力。

通過以上分析，可以更清楚地看出ZigBee網絡由于它的靈活性在星載應用中具有突出的優勢。

圖1 節點加入與退出網絡Fig.1 Diagram of nodes join and exit network

3 ZigBee星載應用可行性設計

3.1 ZigBee星載應用的配置方案

ZigBee協調器在網絡中作為整個網絡的管理中心，它負責發起建立新的網絡、設定網絡參數、管理網絡中的節點以及收集網絡信息等。在衛星應用中，星務系統是星上信息資源的匯集中心，負責管理星上資源，和協調器的作用一致，所以在網絡設計中，選擇將星務系統作為網絡協調器。

ZigBee路由節點參與路由發現、消息轉發、通過連接別的節點來擴展網絡的覆蓋范圍等。在衛星應用中，考慮到艙段的物理屏蔽、信息的多路徑傳輸等因素，網絡節點均設計具有路由的功能，實現信息的轉發。

ZigBee終端節點作為信息終端，負責節點自身配置、加入或退出網絡、設備信息的采集和發送，以及命令的接收和執行。在衛星應用中，除了星務系統之外的其他分系統下位機、科學任務載荷以及姿控敏感器和執行部件等都可以作為終端設備節點。

根據設備功能不同，ZigBee網絡中的設備分為全功能設備（Full Function Device，FFD）和簡化功能設備（Reduced Function Device，RFD）［8］。在衛星應用中建議采用全功能設備，因為全功能設備可以工作在所有類型的網絡拓撲中，可以實現與網絡任何節點的通信，并可以作為網絡協調器和路由器實現網絡管理和信息傳輸，而簡化功能設備只能與全功能設備通信，作為網絡的終端節點，無法作為網絡的協調器和路由器。

3.2 ZigBee星載應用的拓撲選擇

如圖2所示，ZigBee網絡中定義了3種拓撲結構：星型結構（Star Structure）、樹結構（Cluster Tree）和網狀結構（Mesh）。

圖2 網絡拓撲結構Fig.2 Network topology

考慮到航天器內部設備間信息的靈活交互、網絡冗余、信息多路徑傳輸、通信的高可靠等需求，采用網狀型網絡拓撲結構設計較適合。在網狀型網絡拓撲中，一個節點失效，網絡會重新尋找并建立路由，被傳送信息會自動繞過該故障節點，通過其他路徑到達目的節點，可以有效提高信息傳輸的可靠性，保證網絡的穩定性。

在衛星設計中，沒有物理屏蔽的整星或艙段均可以看成一個理想的通信空間，在這種理想的通信空間中采用平面式網絡拓撲，如圖3所示。網絡中所有節點可以相互通信，原則上不存在瓶頸，網絡健壯性較好。

圖3 平面式網狀拓撲Fig.3 Plane network topology

如果衛星設計采用有屏蔽的分艙式設計，存在阻礙信息通信的問題，可以采用多級網絡拓撲結構。如圖4所示，每個艙段可以看成一個簇，網關看成簇頭，艙段內的其他節點為簇的成員，各個艙段中的簇頭又形成高一級的網絡，實現艙段間數據轉發。

圖4 分級網絡拓撲結構Fig.4 Hierarchical network topology

3.3 ZigBee星載應用的幀結構

在星上ZigBee網絡中物理層、鏈路層和網絡層可以直接采用ZigBee的協議，應用層針對輪詢、廣播、校驗等星上設備信息交互特點需要做適應性修改。應用層的幀結構如圖5所示，其中幀控制域為1個字節（Byte），比特位（bit）0～1 表示幀類型，0b00表示數據幀，0b01表示命令幀，0b10表示應答幀，0b11為預留；比特位2～3表示數據發送方式，0b00表示單播，0b01 表示間接尋址，0b10 表示廣播，0b11為組播；比特位4表示應答幀格式，置1表示目的端點號、簇標識、子集標識、源端點號等都不需要攜帶，是針對命令幀的應答，置0表示這些域都要攜帶，是針對數據幀的應答。比特位5表示是否使用安全機制。比特位6表示是否需要應答，置1表示需要，置0表示不需要。比特位7表示是否攜帶擴展幀頭，用于分片機制［9］。

幀控制域后面依次是1 字節的目的端點號、2字節的組地址、2字節的簇標識、2字節的子集標識、1字節的源端點，這些都是可選的。目的端點只在發送模式為單播或廣播的時候攜帶，組地址只在組播的情況下攜帶，簇標識和子集標識只在數據幀或應答幀當中攜帶。另外，在應答幀當中是否攜帶目的端點號和源端點號也依賴于幀控制域的應答幀格式位。序號計數是為了防止重復接收，每發送一幀這個域就會增加1，載荷段字節數是可變的。

ZigBee網絡物理層最大凈荷為127字節，MAC層的開銷為11字節，網絡層最小開銷為8字節，應用層開銷為10字節。由于ZigBee載荷段長度是可變的，根據星上信息流特點可以將星上ZigBee載荷數據長度選擇為32字節。

建議星載ZigBee應用層幀格式如圖6所示，星上通信系統采用廣播、組播和單播的形式，幀類型、發送方式、應答幀格式、安全機制都可以在幀控制域設置。在有效載荷域中，設置前2個字節為數據包類型，最后1字節為累加和，中間為要傳輸的有用數據信息。

圖5 ZigBee應用層幀結構Fig.5 ZigBee application layer frame format

圖6 星載ZigBee幀格式Fig.6 ZigBee frame format for satellite

ZigBee幀格式在通信應用上比現在用的控制局域網（Control Area Network，CAN）總線和1553B總線更加方便。ZigBee不但定義了常用目的端點地址、源端點地址、周期計數等，還定義了幀類型、發送方式、是否需要應答、安全機制等參數，用戶不需要定義應答命令、發送方式等。同時ZigBee可以傳遞更長的有效載荷數據，一方面可以大幅提高總線數據傳輸的利用率，另一方面也減少了傳遞數據的分幀／組幀過程。

3.4 ZigBee星載節點的實現方案

ZigBee網絡節點的實現方案主要有兩種形式：一種是采用集成微處理器和ZigBee協議處理通信控制器的系統芯片（System on a Chip，SoC）或系統集成（System in Package，SiP）電路實現；另一種是采用微處理器和獨立的ZigBee協議處理通信控制器實現［10-11］。目前，常用的集成ZigBee協議處理模塊的微處理器有Freescale 公司的 MC1321l、MC13212、MCl3213，TI公司的CC2430、CC2530、CC2531等；獨立的ZigBee協議處理通信控制器有CC2420、CC2520等；CC2420通信控制器是一款技術成熟的產品，工作于2.4GHz頻段，可實現可靠有效的信息傳輸。為了適用于星上多種類型處理器的通信需求，設計中建議采用CC2420 通信控制器來實現星上網絡節點。

4 結束語

本文提出了采用ZigBee無線網絡實現星上設備間信息交互，并在成熟物聯網無線通信技術基礎上，結合星上應用特點，對ZigBee網絡進行了可行性設計和分析。研究結果表明，針對星載應用，Zig-Bee不但網絡拓撲靈活，而且網絡自適應性好，在省去通信電纜的同時實現設備間信息的多路徑冗余傳輸，提升了通信可靠性和靈活性，適合作為星載網絡，實現信息的無線傳輸。根據空間環境的要求，后續還需要進一步開展針對該協議芯片的空間環境適應性研究工作。

（References）

［1］V Lappas，G Prassinos，A Baker，et al.Wireless sensor motes for small satellite applications［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2006，48（5）

［2］R Challoo，A Oladeinde，N Yilmazer，et al.An overview and assessment of wireless technologies and co-existence of ZigBee，Bluetooth and Wi-Fi devices［J］.Procedia Computer Science，2012，12：386-391

［3］ZigBee Alliance.ZigBee Alliance［EB／OL］.［2013-05-10］.http：／／www.zigbee.org

［4］Liu Yanhua，Zhang Jixiang.Smart home based on the ZigBee wireless［C］／／Intelligent Networks and Intelligent Systems，2012 Fifth International Conference.Tianjin：Tianjin University of Technology and Education，2012：122-125

［5］Liguo Qu，Yourui Huang，Chaoli Tang，et al.Node design of internet of things based on ZigBee multichannel［J］.Procedia Engineering，2012，29：1516-1520

［6］Kuang-Yow Lian，Sung-Jung Hsiao，Wen-Tsai Sung.Intelligent multi-sensor control system based on innova-tive technology integration via ZigBee and Wi-Fi networks［J］.Journal of Network and Computer Applications，2013，36（2）：756-767

［7］Francesca Cuomo，Anna Abbagnale，Emanuele Cipollone.Cross-layer network formation for energy-efficient IEEE 802.15.4／ZigBee Wireless Sensor Networks［J］，Ad Hoc Networks，2013，11（2）：672-686

［8］Kun-Yung Lu.A plug-and-play data gathering system using ZigBee-based sensor network sensor network［J］.Computers in Industry，2011，62（7）：719-728

［9］鐘永鋒，劉永俊.Zigbee無線傳感器網絡［M］.北京：北京郵電大學出版社，2011 ZhongYongfeng，Liu Yongjun.Zigbee wireless sensor networks［M］.Beijing：Publishing Company of Beijing University of Posts and Telecommunications，2011（in Chinese）

［10］Qi Zixin，Zhang Yunzhou，Zhao Limeng，et al.A new wireless communication system based on ZigBee technology［C］／／Intelligent Information，Control，and Communication Technology for Agricultural Engineering.Wuhan：Wuhan Institute of Technology，2009：7490

［11］Dong-Hoon Kim，Jun-Yeob Song，Seung-Ho Lee，et al.Development and evaluation of ZigBee node module for USN［J］.International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2009，10（5）：53-57