表1 　ZigBee 基本技術(shù)參數(shù)
工作頻率                2. 4 GHz ISM              868 MHz                915 MHz
傳輸速率                  250 kb/ s                  20 kb/ s                40 kb/ s
信道數(shù)量                      16                             1                          10
覆蓋范圍                                               10～75 m
擴頻方式                                             直接序列擴頻
接入方式                                               CSMA/ CA
調(diào)制方式                                           BPSK/ O QPSK
糾錯方式                                              CRC ,ARQ
安全機制                               分級安全控制以及MAC 和NWK ,AES
業(yè)務(wù)類型                                                 分組交換
功率消耗                                                    極低
狀態(tài)模式                                               激活/ 休眠
網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)                                       星型網(wǎng)/ 網(wǎng)狀網(wǎng)/ 對等網(wǎng)
網(wǎng)絡(luò)容量                                  256 個終端　最多可達65 536 個
協(xié)議堆棧                                                 28 kB
響應(yīng)時間                                             15～30 ms

1 　單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)
    單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)是以單兵為基本單元,人機環(huán)境統(tǒng)籌考慮,應(yīng)用多種先進技術(shù)的高技術(shù)士兵裝備系統(tǒng),他使士兵,、武器、裝備間形成了一個有機的整體,從而全面增強單兵的火力,、機動,、通信、觀瞄和防護能力,使每一個士兵都成為有效的火力攻擊單位,既能獨立作戰(zhàn),又能協(xié)調(diào)行動,全面提高單兵作戰(zhàn)效能,使士兵有條件在未來信息化戰(zhàn)場上贏得優(yōu)勢,。
單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)一般分為5 個子系統(tǒng): 武器子系統(tǒng),、通訊子系統(tǒng)、觀瞄子系統(tǒng),、生命子系統(tǒng),、防護子系統(tǒng)。
(1) 武器子系統(tǒng)　
    必須做到系統(tǒng)重量輕,、持續(xù)作戰(zhàn)能力強,、能對付多種目標(biāo),可安裝一系列的附件,如光學(xué)瞄具、激光瞄具,、激光測距儀等,。
(2) 通訊裝備子系統(tǒng)　
    主要是提高單兵的全天候作戰(zhàn)能力及單兵之間、分隊之間,、單兵與后方指揮員之間的聯(lián)系及情報交換能力,。他包括分隊內(nèi)部成員之間短距離通信設(shè)備以及分隊與后方指揮員之間長距離通信設(shè)備。
(3) 觀瞄子系統(tǒng)　
    主要為士兵提供觀察敵情,瞄準(zhǔn)射擊的裝備,。他主要由夜視,、夜瞄以及長距離瞄準(zhǔn)裝置組成,并為消除帶頭盔后給士兵瞄準(zhǔn)帶來的不方便,可設(shè)計武器瞄準(zhǔn)具與頭盔正前方的顯示屏相連,士兵平視就能實施瞄準(zhǔn)及觀察。
(4) 生命子系統(tǒng)　
    主要是利用各種傳感器對士兵各種生命體征以及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集分析,由單兵穿戴式計算機對傳感器的監(jiān)測結(jié)果進行分析,得出一個數(shù)值代碼并將其發(fā)送到后方指揮部,指揮員就可判斷出前線作戰(zhàn)士兵的生理狀態(tài):是否受傷,傷情如何;是否處于疲勞,、寒冷,、疾病、恐懼等不良狀態(tài)等,。這對傷病員的及時救護,、給養(yǎng)的供應(yīng)提供了客觀依據(jù),并使指揮員對部隊的戰(zhàn)斗力有一個準(zhǔn)確的判斷。ZigBee 短距離,、低成本,、低功耗、易實現(xiàn)的特點非常適合作為生命子系統(tǒng)的組成部件,。
(5) 防護子系統(tǒng)　
    主要采用各種新材料以達到防襲擊,、防激光致盲、防噪聲及防水、防潮和防寒等全環(huán)境防護能力,他包括多功能頭盔和防護服,。

2 　ZigBee 在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用
ZigBee 在生命子系統(tǒng)中的應(yīng)用工作流程如圖1 所示,。
 
2. 1 　工作原理
    在一個單兵小分隊中,每個分隊成員佩戴一個ZigBee生物傳感器節(jié)點,他是集ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)模塊與生物傳感器模塊為一體的,可以對士兵生命體征諸如脈搏、血壓,、呼吸,、體溫等進行數(shù)據(jù)采集,并通過ZigBee 方式無線傳輸至主協(xié)調(diào)器。他主要由脈搏傳感器,、溫度傳感器,、狀態(tài)傳感器、模擬信號放大器,、A/ D 轉(zhuǎn)換器,、電平比較器、信號存儲器和ZigBee 無線收發(fā)器及相關(guān)軟件組成,。位于小分隊中心位置的成員身上攜帶有ZigBee 主協(xié)調(diào)器,。主協(xié)調(diào)器的主要功能是為建立和啟動網(wǎng)絡(luò)這一過程設(shè)置參數(shù),其中包括選擇一個射頻信道、惟一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符以及一系列操作參數(shù),。每個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺主協(xié)調(diào)器,在本應(yīng)用中,由于小分隊成員的活動范圍非常接近,所以無需中繼設(shè)備,可以直接將終端無線接入主協(xié)調(diào)器,。
    網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都擁有一個64 位的IEEE 地址,也可以使用16 位短地址來減少數(shù)據(jù)包大小,這樣只要記錄下終端地址就可以很容易確定士兵身份。路由選擇在默認時使用樹形路由選擇,即在做路由選擇策略時利用樹形結(jié)構(gòu)選址,。有了樹形路由選擇,設(shè)備不必保存占用龐大內(nèi)存的路由表或進行任何額外的空中下載技術(shù)(over the air) 操作來發(fā)現(xiàn)路徑,因此最小化了網(wǎng)絡(luò)流量,同時簡化了設(shè)備結(jié)構(gòu),降低了成本和設(shè)備功耗,適合在軍事上大面積裝備。主協(xié)調(diào)器通過接口模塊與單兵穿戴式計算機相聯(lián),接口模塊的主要作用是完成數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換,去除各種干擾,以便讓計算機能識別處理生物傳感器收集來的各種參數(shù),。穿戴式計算機內(nèi)部軟件要具備3 種功能:ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制功能,、數(shù)據(jù)分析處理轉(zhuǎn)換功能、衛(wèi)星通信設(shè)備管理功能,。
    ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制主要包括系統(tǒng)啟動關(guān)閉,、終端地址分配、差錯控制,、各種參數(shù)設(shè)定等,。數(shù)據(jù)分析處理轉(zhuǎn)換主要是將終端收集來的各種參數(shù)進行波形分析、頻率分析,、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等,得出士兵所處狀態(tài)結(jié)論,將之轉(zhuǎn)換成特殊編碼格式,加載到衛(wèi)星上傳回后方指揮中心,。
衛(wèi)星通信設(shè)備管理功能包括系統(tǒng)啟動與否、接口控制,、數(shù)據(jù)格式選擇等,。
單兵衛(wèi)星系統(tǒng)由輕型便攜式無線電臺加衛(wèi)星天線組成。電臺用金屬包裝,經(jīng)久耐用,能夠抗得住野戰(zhàn)暴露或在機動部隊使用時所處的惡劣環(huán)境,。背負式電臺易于攜帶,包括天線和電池組在內(nèi)僅十幾kg ,體積不到0102 m3 ,可以在任何天氣條件下使用,。
2. 2 　系統(tǒng)安全性可靠性
    本應(yīng)用中的安全可靠性分為3 步分:ZigBee傳輸?shù)陌踩煽啃?穿戴式計算機數(shù)據(jù)處理的安全可靠性,衛(wèi)星傳輸?shù)陌踩煽啃浴Ｆ渲泻髢煞矫嬖谄渌墨I中已有大量論述,本文不再討論。
    ZigBee 采用了分級的安全性策略:無安全性,、接入控制表,、32 b AES 和128 b AES。如果對系統(tǒng)安全性要求不高,可以選擇級別較低的安全措施,從而換取系統(tǒng)成本和功耗的降低;反之,在安全性要求較高時,可以選擇較高的安全級別,。由于本例應(yīng)用于軍事領(lǐng)域,所以應(yīng)采用較高的安全級別,。
ZigBee 分別在MAC 層和網(wǎng)絡(luò)層采取了安全策略。在數(shù)據(jù)經(jīng)過一跳就到達目的地時,ZigBee 只用MAC 層提供的安全機制;當(dāng)在多跳的情況下,ZigBee 就要依賴高層來保證安全,。
    MAC 層安全套件基于以下3 種操作模式:計數(shù)器模式的AES 加密,、密碼塊鏈接模式的數(shù)據(jù)完整性、二者相結(jié)合的加密和完整性(CCM 模式) ,。MAC 層的AES 加密算法可以保護MAC 命令,、信標(biāo)、信息幀和應(yīng)答幀的秘密性,、完整性和真實性,。MAC 幀的頭部有一個比特用來指示MAC 幀是否加密。每一個密鑰只與一個安全套件相關(guān)聯(lián),。為了保證數(shù)據(jù)完整性,MAC 層計算頭部和凈荷數(shù)據(jù)得到一個消息完整碼,其長度為4 ,8 或16 B,。同時,在每個MAC 幀頭也都有一個幀編號,用于防止幀丟失和幀重傳。密鑰的建立,、安全操作模式的選擇和對處理過程的控制則由高層來負責(zé),。
    網(wǎng)絡(luò)層也使用AES ,他的安全套件是基于CCM 3 操作模式。CCM 3 包括所有CCM 的功能,同時提供只加密和只保證完整性的功能,。使用CCM 3 允許單個密鑰用于不同的安全套件,。因此一個密鑰并不只屬于單個安全套件,一個高層應(yīng)用可以靈活地指定網(wǎng)絡(luò)層所用的安全套件。網(wǎng)絡(luò)層負責(zé)安全處理,但對處理過程的控制則由高層通過建立密鑰和決定使用哪一種CCM 3 安全套件來實現(xiàn),。此外,幀序號和消息完整碼也可以加在網(wǎng)絡(luò)層幀中,。
    ZigBee 的信道接入方式采用CSMA/ CA(載波偵聽多址/ 沖突避免) ,能有效地減少幀的沖突。為抗干擾和多徑衰落,ZigBee 在物理層采用直接序列擴頻和頻率捷變FA技術(shù),。為了保證幀的正確傳輸,ZigBee 在MAC 層采用了兩個措施:自動請求重傳ARQ 和幀緩存,。當(dāng)一幀傳給一個設(shè)備時,如果接受設(shè)備處于忙或者休眠狀態(tài)而不能接收該幀,那么網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)設(shè)備就暫時緩存該幀,直到收端能接收該幀。在網(wǎng)絡(luò)層,ZigBee 支持網(wǎng)狀網(wǎng),存在冗余路由,保證了網(wǎng)絡(luò)的健壯性,。

3 　結(jié)　語
    ZigBee 所具有的短距離,、低成本、低功耗,、易實現(xiàn),、安全可靠的特點非常適合作為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)" title="單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)">單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中生命子系統(tǒng)的組成部件。不僅能對士兵生命體征數(shù)據(jù)進行傳輸,后續(xù)的技術(shù)開發(fā)還可以對敵核,、生,、化武器污染監(jiān)測數(shù)據(jù)進行傳輸,。當(dāng)傳感器的檢測信號表明敵方施放了核、生,、化武器,就會自動發(fā)出報警信號,同時將檢測結(jié)果通過ZigBee發(fā)送裝置傳輸?shù)街笓]部,為己方贏得較長的預(yù)警時間ZigBee 的應(yīng)用為指揮人員提供了準(zhǔn)確評價部隊?wèi)?zhàn)斗力的客觀依據(jù),提高了部隊裝備的信息化含量,從而使我軍在未來信息化戰(zhàn)爭中處于有利地位,。