ZigBee无线网络星载应用可行性研究

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

1 引言

针对当前卫星上存在电缆多、电气系统连接关系复杂、卫星总装繁琐等问题，各国航天界都在关注采用无线网络技术取代传统总线进行卫星电气系统互连的星上无线网络技术［1］。采用无线网络技术，不但使星上设备或部组件的通信不需要电缆，减轻了卫星质量，而且使星上各个设备可以实现灵活组网和信息的多路径传输，提高信息传输的可靠性。

目前，常用的无线网络有蓝牙（Blue Tooth）、红外线数据协会（Infrared Data Association，IrDA）、无线保真度（Wireless Fidelity，Wi-Fi）、以及紫蜂（ZigBee）（短距离无线通信方式）等。蓝牙技术仅支持8个网络节点通信，而在卫星系统中，网络节点有十几个甚至几十个，蓝牙在网络容量方面的局限性，限制了其在星载网络中的应用；IrDA 是一种利用红外进行点对点的通信技术，只能在2台设备之间连接，并且存在视距角度等问题，不适合多点组网；Wi-Fi虽然可以支持30个网络节点，但是其功耗较大，协议复杂［2］，软硬件的开销较大，国内外航天工作者也在关注，但主要考虑将其应用到星间网络通信中。

ZigBee是一种短距离无线通信技术，具有组网灵活、数据传输可靠、网络容量大（可以容纳65 535个节点）、功耗低、应用方便等特点，可实现星上设备间灵活可靠的无线信息交互等特点［3-4］，该技术已经在物联网领域中广泛应用。本文首先介绍了ZigBee网络灵活性对星载应用的优势；其次，将它引进星载应用的可行性进行了研究，提出了ZigBee星载应用的系统组成、网络拓扑等方面的可行性建议。

2 ZigBee网络灵活性对星载应用的优势

ZigBee网络传输速率为250kbit／s，传输距离通常为10m～100m，另外，具有低延时、低功耗的特点，尤其是其协议完善具有良好的组网能力，可以实现通信节点的灵活加入或退出，同时支持单播、多播、组播等通信形式，特别适合小卫星星上信息流广播轮询的通信模式。ZigBee也支持路由自修复，可以实现信息的多路径传输，有利于提高航天器信息传输的可靠性。

ZigBee网络有3 种类型的设备：ZigBee 协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备［5-6］。其中除了协调器需要负责网络的初始化外，其他网络节点可以随时关机退出网络，也可以随时开机加入网络，相比传统的网络具有较强的灵活性［7］。

网络节点的加入、退出过程如图1所示。新节点加入网络首先进行网路发现，调用媒介访问控制层（Media Access Control，MAC）的主动扫描，发送MAC层信标请求命令，然后监听一段时间进行信标的收集，如果收到信标，新加入节点对信标进行解析。当确定加入网络时，则确定以路由器或终端设备的身份加入，以及确定通过哪个节点加入网络。选择好后，新节点向选择的父节点发送加入网络请求，父节点同意新节点加入并分配网络地址给新加入节点，完成网络新节点的加入。如果网络中的节点退出网络，同样需要向其父节点发送退出网络请求，当收到父节点退出网络应答后，便可以成功离开网络。但如果此节点有一个或多个子节点，在其离开网络之前，首先要解除所有子节点与本节点的关联。

依靠该协议支持，在卫星应用中，星上设备开机以后可以自主完成组网，实现与星上其他设备的互联。

ZigBee网络支持按需路由协议（Ah hoc on Demand Vector，AODV），即只有当源节点需要到目的节点的路由或者当某个节点希望加入一个多播组时才寻找路径，AODV 多跳和中间节点的转发特性可以在不降低网络覆盖范围的条件下减少每个终端的发射范围，降低了设备的功耗。

根据按需路由协议，在卫星应用中可以根据信息传递需要进行路径寻找，降低设备的发射功耗，并可以实现信息的多播传输，同时可以实现信息的多路径传输，提高星载网络的抗毁性能力。

通过以上分析，可以更清楚地看出ZigBee网络由于它的灵活性在星载应用中具有突出的优势。

图1 节点加入与退出网络Fig.1 Diagram of nodes join and exit network

3 ZigBee星载应用可行性设计

3.1 ZigBee星载应用的配置方案

ZigBee协调器在网络中作为整个网络的管理中心，它负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及收集网络信息等。在卫星应用中，星务系统是星上信息资源的汇集中心，负责管理星上资源，和协调器的作用一致，所以在网络设计中，选择将星务系统作为网络协调器。

ZigBee路由节点参与路由发现、消息转发、通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。在卫星应用中，考虑到舱段的物理屏蔽、信息的多路径传输等因素，网络节点均设计具有路由的功能，实现信息的转发。

ZigBee终端节点作为信息终端，负责节点自身配置、加入或退出网络、设备信息的采集和发送，以及命令的接收和执行。在卫星应用中，除了星务系统之外的其他分系统下位机、科学任务载荷以及姿控敏感器和执行部件等都可以作为终端设备节点。

根据设备功能不同，ZigBee网络中的设备分为全功能设备（Full Function Device，FFD）和简化功能设备（Reduced Function Device，RFD）［8］。在卫星应用中建议采用全功能设备，因为全功能设备可以工作在所有类型的网络拓扑中，可以实现与网络任何节点的通信，并可以作为网络协调器和路由器实现网络管理和信息传输，而简化功能设备只能与全功能设备通信，作为网络的终端节点，无法作为网络的协调器和路由器。

3.2 ZigBee星载应用的拓扑选择

如图2所示，ZigBee网络中定义了3种拓扑结构：星型结构（Star Structure）、树结构（Cluster Tree）和网状结构（Mesh）。

图2 网络拓扑结构Fig.2 Network topology

考虑到航天器内部设备间信息的灵活交互、网络冗余、信息多路径传输、通信的高可靠等需求，采用网状型网络拓扑结构设计较适合。在网状型网络拓扑中，一个节点失效，网络会重新寻找并建立路由，被传送信息会自动绕过该故障节点，通过其他路径到达目的节点，可以有效提高信息传输的可靠性，保证网络的稳定性。

在卫星设计中，没有物理屏蔽的整星或舱段均可以看成一个理想的通信空间，在这种理想的通信空间中采用平面式网络拓扑，如图3所示。网络中所有节点可以相互通信，原则上不存在瓶颈，网络健壮性较好。

图3 平面式网状拓扑Fig.3 Plane network topology

如果卫星设计采用有屏蔽的分舱式设计，存在阻碍信息通信的问题，可以采用多级网络拓扑结构。如图4所示，每个舱段可以看成一个簇，网关看成簇头，舱段内的其他节点为簇的成员，各个舱段中的簇头又形成高一级的网络，实现舱段间数据转发。

图4 分级网络拓扑结构Fig.4 Hierarchical network topology

3.3 ZigBee星载应用的帧结构

在星上ZigBee网络中物理层、链路层和网络层可以直接采用ZigBee的协议，应用层针对轮询、广播、校验等星上设备信息交互特点需要做适应性修改。应用层的帧结构如图5所示，其中帧控制域为1个字节（Byte），比特位（bit）0～1 表示帧类型，0b00表示数据帧，0b01表示命令帧，0b10表示应答帧，0b11为预留；比特位2～3表示数据发送方式，0b00表示单播，0b01 表示间接寻址，0b10 表示广播，0b11为组播；比特位4表示应答帧格式，置1表示目的端点号、簇标识、子集标识、源端点号等都不需要携带，是针对命令帧的应答，置0表示这些域都要携带，是针对数据帧的应答。比特位5表示是否使用安全机制。比特位6表示是否需要应答，置1表示需要，置0表示不需要。比特位7表示是否携带扩展帧头，用于分片机制［9］。

帧控制域后面依次是1 字节的目的端点号、2字节的组地址、2字节的簇标识、2字节的子集标识、1字节的源端点，这些都是可选的。目的端点只在发送模式为单播或广播的时候携带，组地址只在组播的情况下携带，簇标识和子集标识只在数据帧或应答帧当中携带。另外，在应答帧当中是否携带目的端点号和源端点号也依赖于帧控制域的应答帧格式位。序号计数是为了防止重复接收，每发送一帧这个域就会增加1，载荷段字节数是可变的。

ZigBee网络物理层最大净荷为127字节，MAC层的开销为11字节，网络层最小开销为8字节，应用层开销为10字节。由于ZigBee载荷段长度是可变的，根据星上信息流特点可以将星上ZigBee载荷数据长度选择为32字节。

建议星载ZigBee应用层帧格式如图6所示，星上通信系统采用广播、组播和单播的形式，帧类型、发送方式、应答帧格式、安全机制都可以在帧控制域设置。在有效载荷域中，设置前2个字节为数据包类型，最后1字节为累加和，中间为要传输的有用数据信息。

图5 ZigBee应用层帧结构Fig.5 ZigBee application layer frame format

图6 星载ZigBee帧格式Fig.6 ZigBee frame format for satellite

ZigBee帧格式在通信应用上比现在用的控制局域网（Control Area Network，CAN）总线和1553B总线更加方便。ZigBee不但定义了常用目的端点地址、源端点地址、周期计数等，还定义了帧类型、发送方式、是否需要应答、安全机制等参数，用户不需要定义应答命令、发送方式等。同时ZigBee可以传递更长的有效载荷数据，一方面可以大幅提高总线数据传输的利用率，另一方面也减少了传递数据的分帧／组帧过程。

3.4 ZigBee星载节点的实现方案

ZigBee网络节点的实现方案主要有两种形式：一种是采用集成微处理器和ZigBee协议处理通信控制器的系统芯片（System on a Chip，SoC）或系统集成（System in Package，SiP）电路实现；另一种是采用微处理器和独立的ZigBee协议处理通信控制器实现［10-11］。目前，常用的集成ZigBee协议处理模块的微处理器有Freescale 公司的 MC1321l、MC13212、MCl3213，TI公司的CC2430、CC2530、CC2531等；独立的ZigBee协议处理通信控制器有CC2420、CC2520等；CC2420通信控制器是一款技术成熟的产品，工作于2.4GHz频段，可实现可靠有效的信息传输。为了适用于星上多种类型处理器的通信需求，设计中建议采用CC2420 通信控制器来实现星上网络节点。

4 结束语

本文提出了采用ZigBee无线网络实现星上设备间信息交互，并在成熟物联网无线通信技术基础上，结合星上应用特点，对ZigBee网络进行了可行性设计和分析。研究结果表明，针对星载应用，Zig-Bee不但网络拓扑灵活，而且网络自适应性好，在省去通信电缆的同时实现设备间信息的多路径冗余传输，提升了通信可靠性和灵活性，适合作为星载网络，实现信息的无线传输。根据空间环境的要求，后续还需要进一步开展针对该协议芯片的空间环境适应性研究工作。

（References）

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