<br><A HREF="/editor/uploadfiles/learns01/20069513575697152.jpg" TARGET=_blank><IMG SRC="/editor/uploadfiles/learns01/20069513575697152.jpg" border=0 alt=按此在新窗口瀏覽圖片 onload="javascript:if(this.width>580)this.width=580"></A><BR> ZigBee與藍牙的分析與比較 <BR> 1 引言 </P><P> ZigBee是一種近距離、低復雜度、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標準時，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，并負責高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作。</P><P> 藍牙也是一種短距離無線通信技術(shù)，自藍牙規(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、手機和PC機外設(shè)等。</P><P> 在ZigBee和藍牙的關(guān)系上，ZigBee聯(lián)盟認為ZigBee和藍牙是互為補充，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和藍牙這兩種短距離無線通信技術(shù)，證明藍牙將在某些應(yīng)用方面面臨極低功耗、低成本ZigBee技術(shù)的競爭。最后， 對ZigBee和藍牙的應(yīng)用和發(fā)展提出了建議。</P><P> 2 系統(tǒng)復雜性 </P><P> ZigBee的系統(tǒng)復雜性要遠小于藍牙的系統(tǒng)復雜性。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)估計運行ZigBee需要系統(tǒng)資源約28Kb；藍牙協(xié)議棧相對復雜，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65535個從屬設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者必須是FFD，它負責管理和維護網(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。</P><P> </P><P> 3 安全性</P><P> 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?shù)陌踩墑e。</P><P> ZigBee分別在MAC層和NWK層采取了安全策略。在數(shù)據(jù)經(jīng)過一跳就到達目的地時，ZigBee只用MAC層提供的安全機制；當在多跳的情況下，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。</P><P> 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MAC命令、信標、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責。</P><P> 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層負責安全處理，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。</P><P> 藍牙協(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)是強制性的，所有的藍牙設(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)進行了一次鑒權(quán)。密鑰的最大長度為128比特。</P><P> 從以上分析可以看出，ZigBee和藍牙在一定程度上都能夠保證安全性。但ZigBee比藍牙更為靈活，這更有利于控制系統(tǒng)成本。</P><P> 4 可靠性 </P><P> 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和藍牙為保證可靠性所采取的措施。</P><P> 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。</P><P> 為抗干擾和多徑，ZigBee在物理層采用直接序列擴頻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個碼片有更強的抗干擾和多徑的能力。</P><P> 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。</P><P> 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。</P><P> 藍牙的工作在2.402～2.480GHz頻段，它采用了跳頻擴頻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。 </P><P> 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方式保護性傳輸。 </P><P> 5 功耗 </P><P> 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。 </P><P> ZigBee的MAC信道接入機制有兩種：無信標（Beacon）模式和有信標模式。</P><P> 無信標模式就是標準的ALOHACSMA-CA的信道接入機制，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。</P><P> 有信標模式下，終端設(shè)備可以只在信標被廣播時醒來，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。</P><P> 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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。 </P><P> 藍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。 </P><P> 在自適應(yīng)發(fā)射功率控制方式中，當從屬設(shè)備檢測到接收信號強度指示值（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。</P><P> 藍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。 </P><P> 6 主要技術(shù)及性能參數(shù)比較 </P><P> 為更直觀比較ZigBee和藍牙，下面將兩種技術(shù)的主要技術(shù)及性能參數(shù)列表如下： </P><P> <BR> ZigBee <BR> 藍牙 <BR> <BR> 使用頻段 <BR> 2.4GHz/915MHz/868MHz <BR> 2.4GHz <BR> <BR> 擴頻方式 <BR> DSSS <BR> FHSS <BR> <BR> 調(diào)制方式 <BR> BPSK/O-QPSK<BR> GFSK<BR> <BR> </P><P> 數(shù)據(jù)傳輸速率 <BR> 2.4GHz：250Kbit/s</P><P> (62.5simbols/s×4bit/symbol)</P><P> 915MHz：40Kbit/s</P><P> 868MHz：20Kbit/s<BR> 標稱速率1Mbit/s</P><P> 非對稱鏈接723.2Kbit/s 57.6Kbit/s</P><P> 對稱鏈接433.9Kbit/s</P><P> 同步信道速率64Kbit/s<BR> <BR> 安全機制 <BR> MAC和NWK，分級安全控制，AES<BR> 鏈路級，認證基于共享密鑰，詢問/響應(yīng)機制，反應(yīng)邏輯算術(shù)鑒權(quán)，AES<BR> <BR> 糾錯方式 <BR> CRC，ARQ<BR> 1／3FEC(3bit重復碼)，2/3FEC(截短Hamming碼)，CRC，ARQ<BR> <BR> 信道數(shù) <BR> 1+10+16=27個<BR> 79個<BR> <BR> 傳輸距離 <BR> 10～75m<BR> 10m（加發(fā)射功放可達100m）<BR> <BR> 新從屬設(shè)備入網(wǎng)時間<BR> 約30ms<BR> ≥3s<BR> <BR> 休眠設(shè)備激活時間 <BR> 約15ms<BR> 約3s<BR> <BR> 活躍設(shè)備信道接入時間 <BR> 約15ms<BR> 約2ms<BR> <BR> 運行所需系統(tǒng)資源 <BR> 約28Kb<BR> 約250Kb<BR> <BR> 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) <BR> 星形/簇形/網(wǎng)狀網(wǎng)<BR> 微微網(wǎng)/散射網(wǎng)<BR> <BR> 單個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量 <BR> 256個設(shè)備，最多可達65536個設(shè)備<BR> 8個設(shè)備，最多可達8＋255（休眠）個設(shè)備<BR> <BR> 鏈路狀態(tài)模式 <BR> 活躍/休眠<BR> 活躍/呼吸/保持/休眠<BR> <BR> 功率消耗 <BR> 極小<BR> 中等<BR> <BR> 業(yè)務(wù)類型 <BR> 分組交換 <BR> 電路交換/分組交換<BR> </P><P> 7 應(yīng)用及市場分析比較 </P><P> 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、計算機外設(shè)、互動玩具、醫(yī)療設(shè)備、消費性電子產(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的市場預測。</P><P> 藍牙自1999年規(guī)范1.0版本發(fā)布以來，已有很多應(yīng)用。2003年全球藍牙芯片產(chǎn)值已達1億美圓，據(jù)估計，到2006年，全球藍牙芯片市場產(chǎn)值將達到5億美元。應(yīng)用方面，還是以移動電話為主，占65％。藍牙產(chǎn)品2003年出貨5500萬臺，預計2004年將出貨8800萬臺。藍牙主要應(yīng)用是移動電話、頭戴式耳機、汽車、計算機外設(shè)、家庭自動化、工業(yè)監(jiān)視控制等。預計音頻應(yīng)用將有較大發(fā)展。</P><P> 8 結(jié)束語 </P><P> 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。在藍牙方</P><P> </P><P> 圖 2. ZigBee市場預測 </P><P> 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)促進不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備的互通性；針對目前市場特點，藍牙應(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，藍牙又面臨UWB的競爭。<BR>
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