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ZigBee和藍(lán)牙的分析與比較

發(fā)布時間:2012-01-21

中心議題:

  • ZigBee和藍(lán)牙的基本性能、參數(shù)及應(yīng)用的分析與比較


ZigBee是最近提出的一種類似藍(lán)牙的無線通信技術(shù)。本文通過對ZigBee和藍(lán)牙的主要技術(shù)特征和市場前景進(jìn)行分析和比較,從而證明ZigBee和藍(lán)牙的關(guān)系是既互為補充又相互競爭,藍(lán)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(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)布以采,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)牙是互為補充,而不是互相競爭。本文將圍繞技術(shù)和市場兩個方面來分析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(Ful 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。ZlgBee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(OW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)過程是基于問詢一響應(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)。密鑰的最大長度為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。
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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(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(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)。ZlgBee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IEEE 802.11b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。為了保證幀的正確傳輸,ZigBee在MAC層采用了兩個措施:自動請求重傳ARQ和幀緩存。當(dāng)一幀傳給一個設(shè)備日寸,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,這樣平均功耗就非常低。

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)(Cluster tree 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。

在目適應(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。
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6 主要技術(shù)及性能參數(shù)比較

為更直觀地比較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,如表1所示。

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 費性電子產(chǎn)品、家庭自動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的一個市場預(yù)測。


圖2 ZigBee市場預(yù)測

藍(lán)牙自1999年規(guī)范1.O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)1億美元,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2iD 信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化動電話、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。

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