中心議題：

• ZigBee和藍牙的基本性能、參數及應用的分析與比較

ZigBee是最近提出的一種類(lèi)似藍牙的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。本文通過(guò)對ZigBee和藍牙的主要技術(shù)特征和市場(chǎng)前景進(jìn)行分析和比較，從而證明ZigBee和藍牙的關(guān)系是既互為補充又相互競爭，藍牙將不得不面臨極低功耗、低成本ZigBee的競爭。

1 引言

ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制、傳感、監控和遠程控制等領(lǐng)域，可以嵌入各種設 備中，同時(shí)支持地理定位功能。IEEE802.15.4工作組定義了一種廉價(jià)的供固定、便攜或移動(dòng)設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)連接技 術(shù)。ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee標準時(shí)，采用了IEEE802.15.4作為其物理層和媒體接入層規范。在其基礎之上，ZigBee聯(lián)盟制定了數 據鏈路層(DLL)、網(wǎng)絡(luò )層(NWK)和應用編程接口(API)規范，并負責高層應用、測試和市場(chǎng)推廣等方面的工作。

藍牙也是一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，自藍牙規范發(fā)布以采，它在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應用。比如工業(yè)自動(dòng)控制、家庭自動(dòng)化、電信級的音頻傳輸、PDA、手機和PC機外設等。

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(chǎng)兩個(gè)方面來(lái)分析ZigBee和 藍牙這兩種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，證明藍牙將在某些應用方面面臨ZigBee技術(shù)的競爭。最后，對ZigBee和藍牙的應用和發(fā)展提出了建議。

2 系統復雜性

ZigBee的系統復雜性要遠小于藍牙的系統復雜性。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(jiǎn)單，實(shí)現相對容易，需要的系統 資源也較少，據估計運行ZigBee需要系統資源約28Kb；藍牙協(xié)議棧相對復雜，它需要系統資源約為250Kb。ZigBee定義了兩種類(lèi)型的 設備：全功能設備FFD(Ful Functional Device)和簡(jiǎn)化功能設備RFD(Reduced Function Device)。網(wǎng)絡(luò )為主從結構， 一個(gè)網(wǎng)絡(luò )有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者(Coordinator)和最多可達65535個(gè)從屬設備。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者必須是FFD，它負責管理和維護網(wǎng)絡(luò )，包括路由、安全 性、節點(diǎn)的附著(zhù)與離開(kāi)等。一個(gè)網(wǎng)絡(luò )只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者，其他終端設備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價(jià)格要比FFD便宜得多，其占用系統資源僅 約為4Kb，因此網(wǎng)絡(luò )的整體成本比較低。從這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，ZigBee非常適合有大量終端設備的網(wǎng)絡(luò )，如傳感網(wǎng)絡(luò )、樓宇自動(dòng)化等。

3 安全性

ZigBee采用了分級的安全性策略：無(wú)安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果系統是用于安全性要求不高的場(chǎng)景，可以選擇級別較低 的安全措施，從而換取系統成本和功耗的降低；反之，在安全性要求較高的應用場(chǎng)景(如軍事)，可以選擇較高的安全級別。這樣，廠(chǎng)商可以綜合考慮功 耗、系統處理能力、成本和應用環(huán)境等方面因素而采取適當的安全級別。ZlgBee分別在MAC層和NWK層采取了安全策略。在數據經(jīng)過(guò)一跳就到達目的地 時(shí)，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(lài)高層來(lái)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：計數器(CTR，Counter)模式的AES加密、密碼塊鏈接模式(CBC-MAC，CiPher Block Chaining)的數據完整性、CTR和CBC-MAC相結合的加密和完整性(OW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)。為了保證數據完整 性，MAC層計算頭部和凈荷數據得到一個(gè)消息完整碼(MIC，Message Integrity Code)，其長(cháng)度為4、8或16字節。同時(shí)，在每個(gè)MAC幀頭也都有一個(gè)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(guò)程的控制則由高層來(lái)負責。

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(shí)提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM*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(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*安全套件來(lái)實(shí)現。此外，幀序號和MIC也可以加在NWK幀中。

藍牙協(xié)議在基帶部分定義了設備鑒權和鏈路數據流加密所需要的安全算法和處理過(guò)程。設備的鑒權是強制性的，所有的藍牙設備均支持鑒權過(guò)程，而鏈路的加密則是 可選擇的。藍牙設備的鑒權過(guò)程是基于問(wèn)詢(xún)一響應模式和共享的加密方式。為了使藍牙鏈路的數據流具有隱蔽性，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(zhù)每個(gè)基帶分組數據單元(BB—PDU)傳輸而改變。加密密鑰可以從對設備鑒權中得到。這意味著(zhù)，在使用鏈路加密之前，兩個(gè)設備之間至少已經(jīng)進(jìn)行了一 次鑒權。密鑰的最大長(cháng)度為128比特。

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成本。
[page]
4 可靠性

信號在無(wú)線(xiàn)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(wèn)題。ZigBee、藍牙和WLAN(IEEE 802.11b)都是工作于2.4GHz ISM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。

ZigBee有三個(gè)工作頻段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz，共27個(gè)信道。信道接入方式采用 CSMA-CA，能有效地減少幀的沖突。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)。ZlgBee的DSSS在 900MHz頻段采用了每符號15個(gè)碼片，在2.4GHz頻段采用了每符號32個(gè)碼片，這比IEEE 802.11b的DSSS所采用的每符號11個(gè)碼片有更強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(gè)措施：自動(dòng)請求重傳ARQ和幀緩存。當一幀傳給一個(gè)設備日寸，如果接受設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)調設備就暫時(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。

藍牙的工作在2.402～2.480GHZ頻段，它采用了跳頻擴頻FHSS，在79個(gè)信道上每秒鐘1600次跳頻，查尋狀態(tài)時(shí)，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。

5 功耗

低功耗是ZigBee的一個(gè)重要特征。在一個(gè)典型的ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò )中，一塊普通堿性電池可以供ZigBee設備工作六個(gè)月到兩年!下面討論ZigBee獲得低功耗的方法。

ZigBee的MAC信道接入機制有兩種：無(wú)信標(Beacon)模式和有信標模式。

無(wú)信標模式就是標準的ALOHACSMA-CA的信道接入機制，終端節點(diǎn)只在有數據要收發(fā)的時(shí)候才和網(wǎng)絡(luò )會(huì )話(huà)，其余時(shí)間都處于休眠模式，這樣平均功耗就非常低。

有信標模式下，終端設備可以只在信標被廣播時(shí)醒來(lái)，并偵聽(tīng)地址，如果沒(méi)有偵聽(tīng)到自己的地址，則又轉入休眠狀態(tài)。信標對簇形網(wǎng)絡(luò )(Cluster tree network)和網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh network)的節點(diǎn)同步尤為重要，節點(diǎn)不用長(cháng)時(shí)間偵聽(tīng)信道而消耗能量。

網(wǎng)絡(luò )拓撲結構對功率節省也有很重要的關(guān)系。星形和簇形網(wǎng)絡(luò )結構比網(wǎng)狀網(wǎng)結構更有利于功率節省。因為前者的終端節點(diǎn)不充當路由器的功能，只收發(fā)自己的數據，這樣可以節省更多功率。

藍牙主要采用兩種方式來(lái)控制功率：自適應發(fā)射功率和調整基帶鏈接模式。

在目適應發(fā)射功率控制方式中，當從屬設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(shí)，從屬設備可以請求主控設備增大的發(fā)射功率，反之，當RSSI大于某個(gè)規定的閾值時(shí)，從屬設備也可以請求主控設備降低 發(fā)射功率。

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(guò)調節基帶鏈接模式，也可以實(shí)現節約功率的目的?；钴S、呼吸、保持、休眠這四個(gè)狀態(tài)消耗的平均功率依次減小，但設備響應時(shí)間也依次增加。
[page]
6 主要技術(shù)及性能參數比較

為更直觀(guān)地比較ZigBee和藍牙，下面將兩種技術(shù)的主要技術(shù)及性能參數列表，如表1所示。

7 應用及市場(chǎng)分析比較

由于ZigBee具有功耗極低、系統簡(jiǎn)單、成本低、低等待時(shí)間(Latency Time)和低數據速率的性質(zhì)，它非常適合有大量終端設備的網(wǎng)絡(luò )?？梢詰玫揭韵骂I(lǐng)域：樓宇自動(dòng)化、工業(yè)監視及控制、計算機外設、互動(dòng)玩具、醫療設備、消 費性電子產(chǎn)品、家庭自動(dòng)化以及其他一些傳感網(wǎng)絡(luò )。圖2是西部技術(shù)研究方案公司(WTRS)對ZigBee的一個(gè)市場(chǎng)預測。

圖2 ZigBee市場(chǎng)預測

藍牙自1999年規范1.O版本發(fā)布以來(lái)，已有很多應用。2003年全球藍牙芯片產(chǎn)值已達1億美元，據估計，到2006年，全球藍牙芯片市場(chǎng)產(chǎn)值將達到5 億美元。應用方面，還是以移動(dòng)電話(huà)為主，占65％。藍牙產(chǎn)品2003年出貨5500萬(wàn)臺，預計2004年將出貨8800萬(wàn)臺。藍牙主要應用是移2iD 信息技術(shù)與標準化動(dòng)電話(huà)、頭戴式耳機、汽車(chē)、計算機外設、家庭自動(dòng)化、工業(yè)監視控制等。預計音頻應用將有較大發(fā)展。

8 結束語(yǔ)

通過(guò)從技術(shù)和應用兩方面的分析與比較，可以看出：

ZigBee非常適合于低功耗、低數據速率的監視、傳感網(wǎng)絡(luò )。藍牙則適合于較高數據數率的應用，如語(yǔ)音和數據傳輸。兩者之間同時(shí)又存在著(zhù)競爭，比如，在計 算機外設、互動(dòng)玩具、家庭自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化等應用領(lǐng)域及在未來(lái)的穿戴網(wǎng)絡(luò )(Wearable Network)中藍牙面臨著(zhù)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(guān)市場(chǎng)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)盟應盡早公開(kāi)發(fā)布規范，盡早開(kāi)發(fā)出ZigBee芯片。在藍牙方面，SIG除致力于制定更多的應用模 式和完善規范之外，還應促進(jìn)不同廠(chǎng)商生產(chǎn)的設備的互通性；針對目前市場(chǎng)特點(diǎn)，藍牙應優(yōu)先發(fā)展音頻應用，因為在低速數據傳輸領(lǐng)域，藍牙面臨ZigBee的競 爭，而在高速數據傳輸(如多媒體)領(lǐng)域，藍牙又面臨UWB的競爭。