ZigBee與藍(lán)牙的分析與比較
 ZigBee與藍(lán)牙的分析與比較 1 引言 ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制、傳感、監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。IEEE802.15.4工作組定義了一種廉價的供固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee標(biāo)準(zhǔn)時，采用了IEEE802.15.4作為其物理層和媒體接入層規(guī)范。在其基礎(chǔ)之上，ZigBee聯(lián)盟制定了數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用編程接口（API）規(guī)范，并負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作。 藍(lán)牙也是一種短距離無線通信技術(shù)，自藍(lán)牙規(guī)范發(fā)布以來，它在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。比如工業(yè)自動控制、家庭自動化、電信級的音頻傳輸、PDA、手機(jī)和PC機(jī)外設(shè)等。 在ZigBee和藍(lán)牙的關(guān)系上，ZigBee聯(lián)盟認(rèn)為ZigBee和藍(lán)牙是互為補(bǔ)充，而不是互相競爭。本文將圍繞技術(shù)和市場這兩個方面來分析ZigBee和藍(lán)牙這兩種短距離無線通信技術(shù)，證明藍(lán)牙將在某些應(yīng)用方面面臨極低功耗、低成本ZigBee技術(shù)的競爭。最后， 對ZigBee和藍(lán)牙的應(yīng)用和發(fā)展提出了建議。 2 系統(tǒng)復(fù)雜性 ZigBee的系統(tǒng)復(fù)雜性要遠(yuǎn)小于藍(lán)牙的系統(tǒng)復(fù)雜性。這可以從它們的協(xié)議棧的參考模型（圖1）中看出。ZigBee協(xié)議棧簡單，實現(xiàn)相對容易，需要的系統(tǒng)資源也較少，據(jù)估計運(yùn)行ZigBee需要系統(tǒng)資源約28Kb；藍(lán)牙協(xié)議棧相對復(fù)雜，它需要系統(tǒng)資源約為250Kb。ZigBee定義了兩種類型的設(shè)備：全功能設(shè)備FFD（Full Functional Device）和簡化功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device)。網(wǎng)絡(luò)為主從結(jié)構(gòu)，一個網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者(Coordinator)和最多可達(dá)65535個從屬設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者必須是FFD，它負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，包括路由、安全性、節(jié)點的附著與離開等。一個網(wǎng)絡(luò)只需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，其他終端設(shè)備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價格要比FFD便宜得多，其占用系統(tǒng)資源僅約為4Kb，因此網(wǎng)絡(luò)的整體成本比較低。從這一點來說，ZigBee非常適合有大量終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，如傳感網(wǎng)絡(luò)、樓宇自動化等。 3 安全性 ZigBee采用了分級的安全性策略：無安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果系統(tǒng)是用于安全性要求不高的場景，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，在安全性要求較高的應(yīng)用場景（如軍事），可以選擇較高的安全級別。這樣，廠商可以綜合考慮功耗、系統(tǒng)處理能力、成本和應(yīng)用環(huán)境等方面因素而采取適當(dāng)?shù)陌踩墑e。 ZigBee分別在MAC層和NWK層采取了安全策略。在數(shù)據(jù)經(jīng)過一跳就到達(dá)目的地時，ZigBee只用MAC層提供的安全機(jī)制；當(dāng)在多跳的情況下，ZigBee就要依賴高層來保證安全。下面分述MAC層和NWK層的安全性。 MAC層安全套件（Security Suites）基于以下三種操作模式：計數(shù)器（CTR，Counter）模式的AES加密、密碼塊鏈接模式（CBC-MAC,Cipher Block Chaining）的數(shù)據(jù)完整性、CTR和CBC-MAC相結(jié)合的加密和完整性，叫做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（MIC，Message Integrity Code）,其長度為4，8或16字節(jié)。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(fù)責(zé)。 NWK層也使用AES，它的安全套件是基于CCM﹡操作模式。CCM﹡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﹡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NWK所用的安全套件。NWK層負(fù)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﹡安全套件來實現(xiàn)。此外，幀序號和MIC也可以加在NWK幀中。 藍(lán)牙協(xié)議在基帶部分定義了設(shè)備鑒權(quán)和鏈路數(shù)據(jù)流加密所需要的安全算法和處理過程。設(shè)備的鑒權(quán)是強(qiáng)制性的，所有的藍(lán)牙設(shè)備均支持鑒權(quán)過程，而鏈路的加密則是可選擇的。藍(lán)牙設(shè)備的鑒權(quán)過程是基于問詢－響應(yīng)模式和共享的加密方式。為了使藍(lán)牙鏈路的數(shù)據(jù)流具有隱蔽性，可以使用1比特的流密碼對鏈路進(jìn)行加密。密鑰大小隨著每個基帶分組數(shù)據(jù)單元（BB_PDU）傳輸而改變。加密密鑰可以從對設(shè)備鑒權(quán)中得到。這意味著，在使用鏈路加密之前，兩個設(shè)備之間至少已經(jīng)進(jìn)行了一次鑒權(quán)。密鑰的******長度為128比特。 從以上分析可以看出，ZigBee和藍(lán)牙在一定程度上都能夠保證安全性。但ZigBee比藍(lán)牙更為靈活，這更有利于控制系統(tǒng)成本。 4 可靠性 信號在無線環(huán)境中傳輸，必然存在大尺度衰落、陰影衰落、多徑和干擾等問題。ZigBee、藍(lán)牙和WLAN(IEEE802.11b)都是工作于2.4GHzISM頻段，相互間的干擾是不可避免的，因此保證可靠性尤為重要。下面分別討論ZigBee和藍(lán)牙為保證可靠性所采取的措施。 ZigBee有三個工作頻段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz，共27個信道。信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地減少了幀的沖突。 為抗干擾和多徑，ZigBee在物理層采用直接序列擴(kuò)頻DSSS和頻率捷變FA技術(shù) 。ZigBee的DSSS在900MHz頻段采用了每符號15個碼片，在2.4GHz頻段采用了每符號32個碼片，這比IEEE802.11b的DSSS所采用的每符號11個碼片有更強(qiáng)的抗干擾和多徑的能力。 為了保證幀的正確傳輸，ZigBee在MAC層采用了兩個措施：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)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。 藍(lán)牙的工作在2.402～2.480GHz頻段，它采用了跳頻擴(kuò)頻FHSS,在79個信道上每秒鐘1600次跳頻，查尋狀態(tài)時，跳變速率為每秒3200跳，有效地降低了干擾。 在差錯控制方面，基帶控制器采用三種檢糾錯方式：1/3前向糾錯編碼（FEC）、2/3前向糾錯編碼和自動請求重傳（ARQ）。分組報頭含有重要的連接信息和糾錯信息，始終采用1/3FEC方式保護(hù)性傳輸。 5 功耗 低功耗是ZigBee的一個重要特征。在一個典型的ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)中，一塊普通堿性電池可以供ZigBee設(shè)備工作六個月到兩年！下面討論ZigBee獲得低功耗的方法。 ZigBee的MAC信道接入機(jī)制有兩種：無信標(biāo)（Beacon）模式和有信標(biāo)模式。 無信標(biāo)模式就是標(biāo)準(zhǔn)的ALOHACSMA-CA的信道接入機(jī)制，終端節(jié)點只在有數(shù)據(jù)要收發(fā)的時候才和網(wǎng)絡(luò)會話，其余時間都處于休眠模式，這樣低平均功耗非常低。 有信標(biāo)模式下，終端設(shè)備可以只在信標(biāo)被廣播時醒來，并偵聽地址，如果沒有偵聽到自己的地址，則又轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。信標(biāo)對簇形網(wǎng)絡(luò)（Clustertree network）和網(wǎng)狀網(wǎng)（mesh network）的節(jié)點同步尤為重要，節(jié)點不用長時間偵聽信道而消耗能量。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對功率節(jié)省也有很重要的關(guān)系。星形和簇形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)更有利于功率節(jié)省。因為前者的終端節(jié)點不充當(dāng)路由器的功能，只收發(fā)自己的數(shù)據(jù)，這樣可以更節(jié)省更多功率。 藍(lán)牙主要采用兩種方式來控制功率：自適應(yīng)發(fā)射功率和調(diào)整基帶鏈接模式。 在自適應(yīng)發(fā)射功率控制方式中，當(dāng)從屬設(shè)備檢測到接收信號強(qiáng)度指示值（RSSI，Receive Signal Strength Indicator）小于最低閾值時，從屬設(shè)備可以請求主控設(shè)備增大的發(fā)射功率，反之，當(dāng)RSSI大于某個規(guī)定的閾值時，從屬設(shè)備也可以請求主控設(shè)備降低發(fā)射功率。 藍(lán)牙基帶有四種鏈接模式：活躍（Active）、呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）。通過調(diào)節(jié)基帶鏈接模式，也可以實現(xiàn)節(jié)約功率的目的?；钴S、呼吸、保持、休眠這四個狀態(tài)消耗的平均功率依次減小，但設(shè)備響應(yīng)時間也依次增加。 6 主要技術(shù)及性能參數(shù)比較 為更直觀比較ZigBee和藍(lán)牙，下面將兩種技術(shù)的主要技術(shù)及性能參數(shù)列表如下：
數(shù)據(jù)傳輸速率 (62.5simbols/s×4bit/symbol) 915MHz：40Kbit/s 868MHz：20Kbit/s 非對稱鏈接723.2Kbit/s 57.6Kbit/s 對稱鏈接433.9Kbit/s 同步信道速率64Kbit/s 7 應(yīng)用及市場分析比較 由于ZigBee具有功耗極低、系統(tǒng)簡單、成本低、低等待時間（Latency Time）和低數(shù)據(jù)速率的性質(zhì)，它非常適合有大量終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)?？梢詰?yīng)用到以下領(lǐng)域：樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)視及控制、計算機(jī)外設(shè)、互動玩具、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)性電子產(chǎn)品、家庭自動化以及其它一些傳感網(wǎng)絡(luò)。圖2是西部技術(shù)研究方案公司（WTRS）對ZigBee的市場預(yù)測。 藍(lán)牙自1999年規(guī)范1.0版本發(fā)布以來，已有很多應(yīng)用。2003年全球藍(lán)牙芯片產(chǎn)值已達(dá)1億美圓，據(jù)估計，到2006年，全球藍(lán)牙芯片市場產(chǎn)值將達(dá)到5億美元。應(yīng)用方面，還是以移動電話為主，占65％。藍(lán)牙產(chǎn)品2003年出貨5500萬臺，預(yù)計2004年將出貨8800萬臺。藍(lán)牙主要應(yīng)用是移動電話、頭戴式耳機(jī)、汽車、計算機(jī)外設(shè)、家庭自動化、工業(yè)監(jiān)視控制等。預(yù)計音頻應(yīng)用將有較大發(fā)展。 8 結(jié)束語 通過從技術(shù)和應(yīng)用兩方面的分析與比較，可以看出：ZigBee非常適合于低功耗、低數(shù)據(jù)速率的監(jiān)視、傳感網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙則適合于較高數(shù)據(jù)數(shù)率的應(yīng)用，如語音和數(shù)據(jù)傳輸。兩者之間同時又存在著競爭，比如，在計算機(jī)外設(shè)、互動玩具、家庭自動化和工業(yè)自動化等應(yīng)用領(lǐng)域及在未來的穿戴網(wǎng)絡(luò)(Wearable Network)中藍(lán)牙面臨著ZigBee技術(shù)的競爭。但是任何一種技術(shù)的成功，并不只由其技術(shù)本身的因素決定，客觀市場對技術(shù)成敗也有很大作用。ZigBee技術(shù)要想獲得成功，ZigBee聯(lián)盟應(yīng)盡早公開發(fā)布規(guī)范，盡早開發(fā)出ZigBee芯片。在藍(lán)牙方 圖 2. ZigBee市場預(yù)測 面，SIG除致力于制定更多的應(yīng)用模式和完善規(guī)范之外，還應(yīng)促進(jìn)不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備的互通性；針對目前市場特點，藍(lán)牙應(yīng)優(yōu)先發(fā)展音頻應(yīng)用，因為在低速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，藍(lán)牙面臨ZigBee的競爭，而在高速數(shù)據(jù)傳輸（如多媒體）領(lǐng)域，藍(lán)牙又面臨UWB的競爭。 |
