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文檔簡介

1、1. 無線Mesh網(wǎng)絡(luò)什么是無線Mesh網(wǎng)絡(luò)無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)(Wireless Mesh Network, WMN)是移動 Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的一種 特殊形態(tài),它的早期研究均源于移動 Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的研究與開發(fā)。它是一種高容 量高速率的分布式網(wǎng)絡(luò),不同于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò),可以看成是一種WLAN和Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的融合,且發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢,作為一種可以解決“最后一公里”瓶頸問題 的新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中,任何無線設(shè)備節(jié)點都可以同時作為 AP和路由器,網(wǎng)絡(luò)中 的每個節(jié)點都可以發(fā)送和接收信號,每個節(jié)點都可以與一個或者多個對等節(jié)點進 行直接通信。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是多跳網(wǎng)絡(luò),節(jié)點間可進行多

2、跳訪問。即如果最近的AP由于流量過大而導(dǎo)致?lián)砣脑挘敲磾?shù)據(jù)可以自動重新路由到一個通信流 量較小的鄰近節(jié)點進行傳輸。依此類推,數(shù)據(jù)包還可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況,繼續(xù)路 由到與之最近的下一個節(jié)點進行傳輸, 直到到達最終目的地為止。這樣的訪問方 式就是多跳訪問。與傳統(tǒng)的交換式網(wǎng)絡(luò)相比,無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)去掉了節(jié)點之間的布線需求,但 仍具有分布式網(wǎng)絡(luò)所提供的冗余機制和重新路由功能 。在無線Mesh網(wǎng)絡(luò)里,如 果要添加新的設(shè)備,只需要簡單接上電源就可以自動進行自我配置,并確定最佳的多跳傳輸路徑。添加或移動設(shè)備時,網(wǎng)絡(luò)能夠自動發(fā)現(xiàn)拓撲變化,并自動調(diào)整 通信路由,以獲取最有效的傳輸路徑。無線Mesh是一種非常適

3、合于覆蓋大面積開放區(qū)城(包括室外和室內(nèi))的無線 區(qū)域網(wǎng)絡(luò)解決方案。無線Mesh網(wǎng)的特點是:由包括一組呈網(wǎng)狀分布的無線 AP 構(gòu)成,AP均采用點對點方式通過無線中繼鏈路互聯(lián),將傳統(tǒng) WLA中的無線“熱 點”擴展為真正大面積覆蓋的無線“熱區(qū)”。此外,因為每個短跳的傳輸距離短,傳輸數(shù)據(jù)所需要的 功率也較小。既然多 跳網(wǎng)絡(luò)通常使用較低功率將數(shù)據(jù)傳輸?shù)洁徑墓?jié)點, 節(jié)點之間的無線信號干擾也 較小,網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量和信道利用效率大大提高,因而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)容量。 比如在高密度的城市網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,Mesh網(wǎng)絡(luò)能夠減少使用無線網(wǎng)絡(luò)的相鄰用戶 的相互干擾,大大提高信道的利用效率。自組網(wǎng)純粹Mesh網(wǎng)絡(luò)的特點4冃

4、 參量特點自組織無需規(guī)劃。因此,與典型的蜂窩網(wǎng)剛好相反,無法控制覆蓋范圍和干擾環(huán)境。這直接會導(dǎo)致一些服務(wù)質(zhì)量問題?;A(chǔ)設(shè)施所提供的功能都在Mesh網(wǎng)內(nèi),這包括功率控制、路由、計費、管理、安全等。 沒有像基站那樣的中心控制單元,也沒有蜂窩網(wǎng)中的安全和認證中心。移動性節(jié)點可以自由移動,甚至消失。網(wǎng)絡(luò)連接動態(tài)。無線對于有線而言中繼所有節(jié)點可能需要中繼其匕節(jié)點的信息。 這將減少每個節(jié)點用戶的可用帶寬。路由所有節(jié)點都需要參與路由??勺詣泳S護路由表,或者按需創(chuàng)建路由。多跳中繼和路由的必然結(jié)果,多跳可以擴大覆蓋,特別實在傳播環(huán)境復(fù)雜的場景。異構(gòu)性除了 Mesh網(wǎng)基本操作外,所有節(jié)點的性能并非全部相同。一些節(jié)

5、點可能有額 外的網(wǎng)絡(luò)連接(即接入 Mesh網(wǎng)中的外部連接)。WM的迅速發(fā)展得益于它可以發(fā)展和改進現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的很多協(xié)議,尤其是IEEE、Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。Mesh WiFi的標準仍在制定中。制定mesh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標準的組織主要是Wi-Mesh聯(lián)盟和SEEMes組織,并且標準化工作主要集中在 IEEE的工作組中。Wi-Mesh聯(lián)盟的主要成員包括北電網(wǎng)絡(luò)、 Accton和ComNetsAachen等。SEEMesh 組織的成員包括英特爾、德州儀器和諾基亞等。WM標準已經(jīng)出現(xiàn)在、中。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)別 可靠性提高,自愈性強(網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) VS星型結(jié)構(gòu)); 傳輸速率大大提

6、高(可融合其他網(wǎng)絡(luò)或技術(shù)); 投資成本降低; 網(wǎng)絡(luò)配置和維護簡便快捷;無線Mesh網(wǎng)絡(luò)與WLAN(Wi-Fi)的主要區(qū)別 對點多跳網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)發(fā); 可在大范圍內(nèi)實現(xiàn)高速通信,即通過WR對數(shù)據(jù)進行智能轉(zhuǎn)發(fā)(需要對WLAI傳統(tǒng)的AP功能進行擴展和改進),把接入點服務(wù)的覆蓋延伸到幾公里遠; MAC協(xié)議完成的不僅有本地業(yè)務(wù)的接入,還有其他節(jié)點業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā); 對于路由協(xié)議,WLAN是靜態(tài)的因特網(wǎng)路由協(xié)議+移動IP,WMI主要是動 態(tài)的按需發(fā)現(xiàn)的路由協(xié)議,只具有較短暫的生命周期。無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)與 Ad hoc網(wǎng)的主要區(qū)別 均是P2P的自組織的多跳網(wǎng)絡(luò), WM由無線路由器構(gòu)成的骨干網(wǎng)組成,Ad hoc網(wǎng)

7、絡(luò)的節(jié)點都建有獨立路由和主機功能,節(jié)點地位平等,接通性是依賴 端節(jié)點的平等合作實現(xiàn)的,健壯性比 WM差; WMF節(jié)點移動性低于移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點,故WM注重的是“無線”, 而移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)更強調(diào)的是“移動”; 從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看,WM多為靜態(tài)或弱移動的拓撲,而移動 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)多 為隨意移動(包含高速移動)的網(wǎng)絡(luò)拓撲; WMN與移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)模式不同,前者節(jié)點的主要業(yè)務(wù)是來往于 因特網(wǎng)的業(yè)務(wù),后者節(jié)點的業(yè)務(wù)是任意一對節(jié)點之間的業(yè)務(wù)流; 從應(yīng)用來看,WMF主要是因特網(wǎng)或?qū)拵Ф嗝襟w通信業(yè)務(wù)的接入,而移動 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)主要用于軍事或其他專業(yè)通信。研究Ad Hoc網(wǎng)絡(luò),

8、需解決隱終端冋題和暴露終端冋題。WMN勺優(yōu)勢 可靠性大大增強 具有沖突保護機制 簡化鏈路設(shè)計 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍增大 組網(wǎng)靈活、維護方便 投資成本低、風(fēng)險小無線mesh網(wǎng)構(gòu)建無線城市saw2. IEEE 802 系列協(xié)議簡介IEEEIEEE是IEEE在1997年制定的一個 無線局域網(wǎng)標準,用于解決辦公室局域 網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶終端之間的無線接入。為了將其商用,IEEE新建立了一個子工作組,制定標準化的擴展服務(wù)集 (ESS),即專門為WM定義了 MAC和PHY層協(xié)議,WLAN接入點可以像路由器一樣 轉(zhuǎn)發(fā)信息。IEEEIEEE提供了簡單、低耗能無線連接的標準,由 IEEE工作組為無線個域網(wǎng) (WPAN開

9、發(fā),正發(fā)展成為包括便攜式和移動計算設(shè)備的個域網(wǎng) (PAN)或短距離無 線網(wǎng)絡(luò)的標準。其中,IEEE標準是為低數(shù)據(jù)速率、長電池壽命和低設(shè)備開銷要求的遙測技 術(shù)制定的。ZigBee聯(lián)盟正在制定運行在IEEE的MAC和物理層以上的高層協(xié)議。 它的網(wǎng)絡(luò)層支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),如星形、簇形和MeshIEEEIEEE標準定義了無線MAN城域網(wǎng))空中接口規(guī)范,為無線 MAN提供“最后 一公里”接入。它支持點到多點的連接,無線接入系統(tǒng)覆蓋范圍可達50km大大延伸了光纖骨干網(wǎng)。IEEEEEE 即移動寬帶無線接入 MBWA(Mobile Broadband Wireless Access) 工作 組成立于2002

10、年12月,致力于為移動用戶開發(fā)一個標準,支持在 3GHz頻帶可 靠地進行高速無線數(shù)據(jù)傳輸。3. IEEE802系列中關(guān)于Mesh網(wǎng)絡(luò)的標準Mesh網(wǎng)絡(luò)標準1、發(fā)展最早開始于2003年9月成立的IEEE Mesh研究組,2004年7月成立任務(wù) 組。由于許多公司早已成立了研究組來推動網(wǎng)絡(luò)標準化工作,因此在 2005年中 期收到大量提出問題并給出解決方案的提案。經(jīng)過一系列的刪減和合并之后形成 兩份提案,即“SEE-Mesh和“Wi-Mesh”提案,并于2006年1月形成聯(lián)合提案, 從而確定了現(xiàn)在標準草案的基本框架。2006年6月,經(jīng)過無爭議的投票確認后, 聯(lián)合提案成為的最初草案draft 。經(jīng)過多次

11、非正式的評論決議(commentresolution ),2006年11月形成draft 并進行信件投票(Letter Ballot ),由于僅有服持(低于要求的75%而未能 通過。在2008年5月的信件投票中,Draft僅有61%£持而再次未能通過。由 于草案中許多問題未能取得實質(zhì)性進展,標準的發(fā)布日期不可預(yù)知。2、目標任務(wù)組,主要研究支持無線分布式系統(tǒng)(WDS的協(xié)議,為WM定義媒體接入 控制(MAC層和物理層協(xié)議,以實現(xiàn) WLAF在多個AP之間通過自配置多跳的方式 組網(wǎng),提高WLAN勺覆蓋范圍。的目標是突破傳統(tǒng)AP功能上的限制,使之具有Mesh路由器的功能,業(yè)務(wù)流 轉(zhuǎn)發(fā)給鄰近的A

12、P進行的多跳傳輸。這種方式?jīng)Q定了 WM具有較高的可靠性、較 大的伸縮性和較低的投資成本等特點。這樣,在新的WLAh架構(gòu)中,WLAN勺AP自動形成 WLAN勺WM骨干網(wǎng)。IEEE Mesh網(wǎng)絡(luò)可以是骨干網(wǎng) Mesh結(jié)構(gòu),也可以是客戶端 Mesh結(jié)構(gòu)???戶端Mesh結(jié)構(gòu)中,所有設(shè)備工作在 WLAN勺Ad hoc網(wǎng)絡(luò)模式下,WM通過自動 配置實現(xiàn)節(jié)點間的互聯(lián),擺脫了以往對 AP的依賴。3、需解決問題標準涉及Mesh拓撲發(fā)現(xiàn)和形成、Mesh路徑選擇和轉(zhuǎn)發(fā)、MAC接入相關(guān)機制、 信標與同步、In tra-mesh擁塞控制、功率控制、交互工作、安全和幀格式等內(nèi) 容。!注:由于草案中許多問題未能取得實質(zhì)性

13、進展,標準的發(fā)布日期不可預(yù)知。Mesh網(wǎng)絡(luò)標準IEEE提供了簡單、低耗能無線連接的標準,是IEEE工作組針對無線個域網(wǎng) 開發(fā)的,正發(fā)展成為包括便攜式和移動計算設(shè)備的個域網(wǎng)或短距離無線網(wǎng)絡(luò)的標 準。該標準定義了 WPA的物理層(PHY和媒體接入控制層(MAC。各子工作組定義內(nèi)容IEEE子工作組定義內(nèi)容IEEE藍牙版IEEE藍牙版IEEE與WPAI的共存IEEE咼數(shù)據(jù)速率IEEE低數(shù)據(jù)速率及ZigBeeIEEE網(wǎng)絡(luò)(下一代無線因特網(wǎng)技術(shù):無線 Mesh網(wǎng)絡(luò)方旭明等P23)IEEE 802. 15. 4IEEE 802. 15. 4標準是為低數(shù)據(jù)速率、長電池壽命和低設(shè)備開銷要求的遙測技術(shù)制定的。Zi

14、gBee聯(lián)盟正在制定運行在IEEE 802. 15. 4 的MAC和物理層 以上的高層協(xié)議。它的網(wǎng)絡(luò)層支持多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),如星形、簇形和 Mesh 在Mesh拓撲中,定義了一個協(xié)調(diào)節(jié)點,負責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)和選擇一些關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參 數(shù)。在路由協(xié)議中使用了 “請求-應(yīng)答”算法來排除非最佳路徑。(無線Mesh網(wǎng) 絡(luò)的組網(wǎng)及其相關(guān)標準.pdf范濤,張燕數(shù)據(jù)通信)ZigBee協(xié)議的Mesh結(jié)構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)中的所有無線節(jié)點都相同,可以直接互相通信,每一次網(wǎng)絡(luò)都會選擇一條或者多條路由進行多跳傳輸,將所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息傳給中心節(jié)點。Mesh網(wǎng)的每個節(jié)點都有多條路徑到達中心節(jié)點,因此它的 容故障能力較強,而且這種多跳系統(tǒng)

15、以多跳代替了單跳的傳輸距離,減小了源節(jié) 點所需要的發(fā)送功率。IEEE 802. 15. 5IEEE 802. 15. 5目前還在開發(fā)中,定位于WMN勺MAC層,不需要ZigBee或 IP路由支持。IEEE繼承了的一些基本思想,但完全支持Mesh結(jié)構(gòu)。在標準中, Mesh網(wǎng)絡(luò)被定義為一個個域網(wǎng)(PAN),有兩種組網(wǎng)方式:全網(wǎng)狀拓撲和部分網(wǎng)狀 拓撲。在全網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)中,每一個節(jié)點直接與其他任何一個節(jié)點相連;在部分 網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)中,只有部分節(jié)點與其他所有節(jié)點相連,而其他節(jié)點則只是與交換 較多數(shù)據(jù)的節(jié)點相連。標準主要涉及的問題包括:碰撞避免的信標調(diào)度策略、路 由算法、分布式安全問題、能效操作模式、對于

16、網(wǎng)狀節(jié)點和網(wǎng)狀PAN移動性的支802. 15. 6802. 15. 6為非官方標準,采用的頻段將是太赫茲級,組合了光和無線電技 術(shù),理論速率每秒達數(shù)太比特。Mesh網(wǎng)絡(luò)標準標準定義了無線城域網(wǎng)空中接口規(guī)范,為無線城域網(wǎng)(WMAN提供“最后一公 里”接入,是一種點對多點技術(shù)。鑒于無線Mesh網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,標準工作組將 Mesh結(jié)構(gòu)納入最近推出 的e標準中。無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是對標準中的點到多點(P2MP)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的補充。網(wǎng) 絡(luò)中的每個節(jié)點都與周圍鄰居節(jié)點形成多條鏈路,并且可以選擇其中的一條鏈 路,用來傳輸來自本節(jié)點或其他節(jié)點的信息。這樣,連接斷開的可能性要遠低于P2MP莫式。同時,隨著節(jié)點數(shù)的

17、增加,Mesh網(wǎng)絡(luò)的健壯性加強,覆蓋范圍擴大。 IEEE 802. 16協(xié)議標準草案中雖然有對 Mesh的支持,但仍然存在以下問題: 由于中心調(diào)度信息結(jié)構(gòu)僅支持大約 100個用戶,所以IEEE 802. 16 Mesh 的可升級性受到限制; IEEE802. 16 Mesh是基于無連接的 MAC其實時業(yè)務(wù)的 QoS難以保證; 假定兩跳以外的節(jié)點之間沒有干擾,則 IEEE 802. 16 Mesh存在隱藏終 端沖突; IEEE802. 16 Mesh的MAC協(xié)議存在鏈路選擇、同步、功率和數(shù)據(jù)速率的 平衡,以及路由和MAC相互依賴等冋題。802. 16Mesh網(wǎng)絡(luò)在安全性方面還有很多需要改進的地方

18、,關(guān)鍵問題在于網(wǎng) 絡(luò)配置信息在傳輸過程中未經(jīng)加密,可以被截獲、篡改、偽造。要想較好地解決 802. 16Mesh網(wǎng)絡(luò)的安全性問題。需要解決配置信息加密、節(jié)點之間雙向認證以 及Oss的安全分發(fā)等問題。在提高安全性的同時,不可避免地帶來傳輸效率的降低。因此還需要構(gòu)建靈 活、完善的分級安全體制來兼顧安全和效率。Mesh網(wǎng)絡(luò)標準,即移動寬帶無線接入(MBWA工作組,主要研究為移動用戶開發(fā)的標準。填補了當(dāng)前的低移動性高數(shù)據(jù)速率與蜂窩網(wǎng)高移動性低數(shù)據(jù)速率之間的性 能空間。網(wǎng)絡(luò)是一個基于純IP的網(wǎng)絡(luò)。在室內(nèi)、外環(huán)境中,均支持 WM結(jié)構(gòu)。 在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,移動節(jié)點之間可以直接或間接通信,避免“三角路由”的出

19、 現(xiàn),改善移動網(wǎng)絡(luò)性能,同時能迅速地接入主干網(wǎng)絡(luò),為移動用戶提供快捷準確 的服務(wù)。問題:802. 20是一個全新的技術(shù)標準,有很多具體的技術(shù)問題有待解決,而且它同現(xiàn)在的移動通信網(wǎng)絡(luò)不兼容,利用它實現(xiàn)通信需要有巨大的投入。資料較少IEEE802系列無線mesh網(wǎng)絡(luò)標準比較內(nèi)容頻帶5GHz902928MHz/2400266GHz<物理層標準b/g覆蓋范圍幾百米10m以內(nèi)5km約15km,視情況對象WLANPANMANMBWAMesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施,終端設(shè)備樹型,微微網(wǎng)PMP結(jié)構(gòu),結(jié)合基 于回程的WiMAX勺 mesh結(jié)構(gòu)Mesh路由協(xié)議混合無線網(wǎng)狀網(wǎng)協(xié) 議HWMP無線感知 優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由

20、協(xié)議 RA-OLSR樹路由,mesh路由路由集中調(diào)度和路由分布式調(diào)度4. 選擇 ZigBee 走進 mesh利用現(xiàn)有的ZigBee協(xié)議棧,組mesh網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)和自路由。ZigBee簡介ZigBee是一種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)定,主要由 ZigBee Allianee 制定,底層是采用 IEEE標準規(guī)范的媒體存取層與實體層。Zigbee是基于標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種 短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、 低數(shù)據(jù)速率、低成本、大網(wǎng)絡(luò)容量、高可靠性。主要適合用于自動控制和遠程控 制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之,ZigBee就是一種便

21、宜的,低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。技術(shù)特點ZigBee是一種無線連接,可工作在(全球流行)、868MHz歐洲流行)和915 MHz美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s 和40kbit/s 的 傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。作為一種無線 通信技術(shù),ZigBee具有如下特點: 低功耗:由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休 眠模式,功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算,ZigBee設(shè)備僅 靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它 無線設(shè)備望塵莫及的。 成本低:ZigBee模

22、塊的初始成本在6美元左右,估計很快就能降到美元, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于 ZigBee也是一個關(guān)鍵的因 素。 時延短:通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,典型的搜索設(shè)備 時延30ms休眠激活的時延是15ms活動設(shè)備信道接入的時延為15ms 因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等) 應(yīng)用。 網(wǎng)絡(luò)容量大:一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和 一個主設(shè)備,一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多 100個ZigBee網(wǎng)絡(luò),而且網(wǎng) 絡(luò)組成靈活。 可靠:采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸 過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。 安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能, 支持鑒權(quán)和認證,采用了 AES-128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定 其安全屬性。ZigBee的優(yōu)點: 終端節(jié)點非常省電 Cluster-Tree拓撲結(jié)構(gòu)提供非常有效的路由 支持大規(guī)模大組網(wǎng) ZigBee是一個業(yè)界的標準,不同廠家的設(shè)備可進行通信多家公司提供了 zigbee協(xié)

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