ZigBee 在單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

ZigBee 是一種新興的短距離、低速率、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),他是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。他此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無(wú)線技術(shù),主要用于近距離無(wú)線連接。ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802. 15 工作組負(fù)責(zé)制定,ZigBee 是IEEE 802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)在商業(yè)推廣上的名稱。802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍非常貼近生產(chǎn)和生活,對(duì)數(shù)據(jù)速率和QoS 的要求不高,目標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè),家庭以及醫(yī)療等需要低功耗低成本以及大面積使用無(wú)線監(jiān)控設(shè)備的領(lǐng)域。其基本技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

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(kuò)頻方式 直接序列擴(kuò)頻
接入方式 CSMA/ CA
調(diào)制方式 BPSK/ O QPSK
糾錯(cuò)方式 CRC ,ARQ
安全機(jī)制 分級(jí)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(duì)等網(wǎng)
網(wǎng)絡(luò)容量 256 個(gè)終端　最多可達(dá)65 536 個(gè)
協(xié)議堆棧 28 kB
響應(yīng)時(shí)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(jī)環(huán)境統(tǒng)籌考慮,應(yīng)用多種先進(jìn)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(gè)有機(jī)的整體,從而全面增強(qiáng)單兵的火力、機(jī)動(dòng)、通信、觀瞄和防護(hù)能力,使每一個(gè)士兵都成為有效的火力攻擊單位,既能獨(dú)立作戰(zhàn),又能協(xié)調(diào)行動(dòng),全面提高單兵作戰(zhàn)效能,使士兵有條件在未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)上贏得優(yōu)勢(shì)。
單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)一般分為5 個(gè)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(hù)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(qiáng)、能對(duì)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(cè)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(duì)之間、單兵與后方指揮員之間的聯(lián)系及情報(bào)交換能力。他包括分隊(duì)內(nèi)部成員之間短距離通信設(shè)備以及分隊(duì)與后方指揮員之間長(zhǎng)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(zhǎng)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(lái)的不方便,可設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)士兵各種生命體征以及周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析,由單兵穿戴式計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,得出一個(gè)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(duì)傷病員的及時(shí)救護(hù)、給養(yǎng)的供應(yīng)提供了客觀依據(jù),并使指揮員對(duì)部隊(duì)的戰(zhàn)斗力有一個(gè)準(zhǔn)確的判斷。ZigBee 短距離、低成本、低功耗、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)非常適合作為生命子系統(tǒng)的組成部件。
(5) 防護(hù)子系統(tǒng)　
主要采用各種新材料以達(dá)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(hù)能力,他包括多功能頭盔和防護(hù)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(gè)單兵小分隊(duì)中,每個(gè)分隊(duì)成員佩戴一個(gè)ZigBee生物傳感器節(jié)點(diǎn),他是集ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊與生物傳感器模塊為一體的,可以對(duì)士兵生命體征諸如脈搏、血壓、呼吸、體溫等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并通過(guò)ZigBee 方式無(wú)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(hào)放大器、A/ D 轉(zhuǎn)換器、電平比較器、信號(hào)存儲(chǔ)器和ZigBee 無(wú)線收發(fā)器及相關(guān)軟件組成。位于小分隊(duì)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)這一過(guò)程設(shè)置參數(shù),其中包括選擇一個(gè)射頻信道、惟一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符以及一系列操作參數(shù)。每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)都必須包括一臺(tái)主協(xié)調(diào)器,在本應(yīng)用中,由于小分隊(duì)成員的活動(dòng)范圍非常接近,所以無(wú)需中繼設(shè)備,可以直接將終端無(wú)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(gè)64 位的IEEE 地址,也可以使用16 位短地址來(lái)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(rèn)時(shí)使用樹形路由選擇,即在做路由選擇策略時(shí)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(jìn)行任何額外的空中下載技術(shù)(over the air) 操作來(lái)發(fā)現(xiàn)路徑,因此最小化了網(wǎng)絡(luò)流量,同時(shí)簡(jiǎn)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(guò)接口模塊與單兵穿戴式計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)能識(shí)別處理生物傳感器收集來(lái)的各種參數(shù)。穿戴式計(jì)算機(jī)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(dòng)關(guān)閉、終端地址分配、差錯(cuò)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(lái)的各種參數(shù)進(jìn)行波形分析、頻率分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(wú)線電臺(tái)加衛(wèi)星天線組成。電臺(tái)用金屬包裝,經(jīng)久耐用,能夠抗得住野戰(zhàn)暴露或在機(jī)動(dòng)部隊(duì)使用時(shí)所處的惡劣環(huán)境。背負(fù)式電臺(tái)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(jì)算機(jī)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(xiàn)中已有大量論述,本文不再討論。
ZigBee 采用了分級(jí)的安全性策略:無(wú)安全性、接入控制表、32 b AES 和128 b AES。如果對(duì)系統(tǒng)安全性要求不高,可以選擇級(jí)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(shí),可以選擇較高的安全級(jí)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(jí)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(guò)一跳就到達(dá)目的地時(shí),ZigBee 只用MAC 層提供的安全機(jī)制;當(dāng)在多跳的情況下,ZigBee 就要依賴高層來(lái)保證安全。
MAC 層安全套件基于以下3 種操作模式:計(jì)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(hù)MAC 命令、信標(biāo)、信息幀和應(yīng)答幀的秘密性、完整性和真實(shí)性。MAC 幀的頭部有一個(gè)比特用來(lái)指示MAC 幀是否加密。每一個(gè)密鑰只與一個(gè)安全套件相關(guān)聯(lián)。為了保證數(shù)據(jù)完整性,MAC 層計(jì)算頭部和凈荷數(shù)據(jù)得到一個(gè)消息完整碼,其長(zhǎng)度為4 ,8 或16 B。同時(shí),在每個(gè)MAC 幀頭也都有一個(gè)幀編號(hào),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(duì)處理過(guò)程的控制則由高層來(lái)負(fù)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(shí)提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM 3 允許單個(gè)密鑰用于不同的安全套件。因此一個(gè)密鑰并不只屬于單個(gè)安全套件,一個(gè)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(fù)責(zé)安全處理,但對(duì)處理過(guò)程的控制則由高層通過(guò)建立密鑰和決定使用哪一種CCM 3 安全套件來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外,幀序號(hào)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(kuò)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(gè)措施:自動(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ 和幀緩存。當(dāng)一幀傳給一個(gè)設(shè)備時(shí),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(shí)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(yǔ)
ZigBee 所具有的短距離、低成本、低功耗、易實(shí)現(xiàn)、安全可靠的特點(diǎn)非常適合作為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)中生命子系統(tǒng)的組成部件。不僅能對(duì)士兵生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸,后續(xù)的技術(shù)開發(fā)還可以對(duì)敵核、生、化武器污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。當(dāng)傳感器的檢測(cè)信號(hào)表明敵方施放了核、生、化武器,就會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào),同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)ZigBee發(fā)送裝置傳輸?shù)街笓]部,為己方贏得較長(zhǎng)的預(yù)警時(shí)間ZigBee 的應(yīng)用為指揮人員提供了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的客觀依據(jù),提高了部隊(duì)裝備的信息化含量,從而使我軍在未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中處于有利地位。