ZigBee与蓝牙的分析与比较

ZigBee与蓝牙的分析与比较

1 引言

    ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设 备中，同时支持地理定位功能。IEEE802.15.4工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技 术。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee联盟制定了数 据链路层（DLL）、网络层（NWK）和应用编程接口（API）规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。

    蓝牙也是一种短距离无线通信技术，自蓝牙规范发布以来，它在越来越多的领域得到了应用。比如工业自动控制、家庭自动化、电信级的音频传输、PDA、手机和PC机外设等。

    在ZigBee和蓝牙的关系上，ZigBee联盟认为ZigBee和蓝牙是互为补充，而不是互相竞争。本文将围绕技术和市场这两个方面来分析ZigBee 和蓝牙这两种短距离无线通信技术，证明蓝牙将在某些应用方面面临极低功耗、低成本ZigBee技术的竞争。最后， 对ZigBee和蓝牙的应用和发展提出了建议。

2 系统复杂性

     ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性。这可以从它们的协议栈的参考模型（图1）中看出。ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统 资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb；蓝牙协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250Kb。ZigBee定义了两种类型的设备：全 功能设备FFD（Full Functional Device）和简化功能设备RFD(Reduced Function Device)。网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者(Coordinator)和最多可达65535个从属设备。网络协调者必须是FFD，它负责 管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比 FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自 动化等。

3 安全性

    ZigBee采用了分级的安全性策略：无安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果系统是用于安全性要求不高的场景，可以选择级别较低 的安全措施，从而换取系统成本和功耗的降低；反之，在安全性要求较高的应用场景（如军事），可以选择较高的安全级别。这样，厂商可以综合考虑功耗、系统处 理能力、成本和应用环境等方面因素而采取适当的安全级别。

    ZigBee分别在MAC层和NWK层采取了安全策略。在数据经过一跳就到达目的地时，ZigBee只用MAC层提供的安全机制；当在多跳的情况下，ZigBee就要依赖高层来保证安全。下面分述MAC层和NWK层的安全性。

    MAC层安全套件（Security Suites）基于以下三种操作模式：计数器（CTR，Counter）模式的AES加密、密码块链接模式（CBC-MAC,Cipher Block Chaining）的数据完整性、CTR和CBC-MAC相结合的加密和完整性，叫做CCM模式。MAC层的AES加密算法可以保护MAC命令、信标、信 息帧和应答帧的秘密性、完整性和真实性。MAC帧的头部有一个比特用来指示MAC帧是否加密。每一个密钥只与一个安全套件相关联。为了保证数据完整性， MAC层计算头部和净荷数据得到一个消息完整码（MIC，Message Integrity Code）,其长度为4，8或16字节。同时，在每个MAC帧头也都有一个帧编号，用于防止帧丢失和帧重传。密钥的建立、安全操作模式的选择和对处理过程 的控制则由高层来负责。

    NWK层也使用AES，它的安全套件是基于CCM﹡操作模式。CCM﹡包括所有CCM的功能，同时提供只加密和只保证完整性的功能。使用CCM﹡允许单个 密钥用于不同的安全套件。因此一个密钥并不只属于单个安全套件，一个高层应用可以灵活地指定NWK所用的安全套件。NWK层负责安全处理，但对处理过程的 控制则由高层通过建立密钥和决定使用哪一种CCM﹡安全套件来实现。此外，帧序号和MIC也可以加在NWK帧中。

    蓝牙协议在基带部分定义了设备鉴权和链路数据流加密所需要的安全算法和处理过程。设备的鉴权是强制性的，所有的蓝牙设备均支持鉴权过程，而链路的加密则是 可选择的。蓝牙设备的鉴权过程是基于问询－响应模式和共享的加密方式。为了使蓝牙链路的数据流具有隐蔽性，可以使用1比特的流密码对链路进行加密。密钥大 小随着每个基带分组数据单元（BB_PDU）传输而改变。加密密钥可以从对设备鉴权中得到。这意味着，在使用链路加密之前，两个设备之间至少已经进行了一 次鉴权。密钥的最大长度为128比特。

    从以上分析可以看出，ZigBee和蓝牙在一定程度上都能够保证安全性。但ZigBee比蓝牙更为灵活，这更有利于控制系统成本。

4 可靠性

    信号在无线环境中传输，必然存在大尺度衰落、阴影衰落、多径和干扰等问题。ZigBee、蓝牙和WLAN(IEEE802.11b)都是工作于 2.4GHzISM频段，相互间的干扰是不可避免的，因此保证可靠性尤为重要。下面分别讨论ZigBee和蓝牙为保证可靠性所采取的措施。

    ZigBee有三个工作频段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz，共27个信道。信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地减少了帧的冲突。

    为抗干扰和多径，ZigBee在物理层采用直接序列扩频DSSS和频率捷变FA技术 。ZigBee的DSSS在900MHz频段采用了每符号15个码片，在2.4GHz频段采用了每符号32个码片，这比IEEE802.11b的DSSS 所采用的每符号11个码片有更强的抗干扰和多径的能力。

    为了保证帧的正确传输，ZigBee在MAC层采用了两个措施：ARQ和帧缓存。当一帧传给一个设备时，如果接受设备处于忙或者休眠状态而不能接收该帧，那么网络协调设备就暂时缓存该帧，直到收端能接收该帧。

    在网络层，ZigBee支持网状网，存在冗余路由，保证了网络的健壮性。

    蓝牙的工作在2.402～2.480GHz频段，它采用了跳频扩频FHSS,在79个信道上每秒钟1600次跳频，查寻状态时，跳变速率为每秒3200跳，有效地降低了干扰。

    在差错控制方面，基带控制器采用三种检纠错方式：1/3前向纠错编码（FEC）、2/3前向纠错编码和自动请求重传（ARQ）。分组报头含有重要的连接信息和纠错信息，始终采用1/3FEC方式保护性传输。

5 功耗

    低功耗是ZigBee的一个重要特征。在一个典型的ZigBee传感网络中，一块普通碱性电池可以供ZigBee设备工作六个月到两年！下面讨论ZigBee获得低功耗的方法。

    ZigBee的MAC信道接入机制有两种：无信标（Beacon）模式和有信标模式。

    无信标模式就是标准的ALOHACSMA-CA的信道接入机制，终端节点只在有数据要收发的时候才和网络会话，其余时间都处于休眠模式，这样低平均功耗非常低。

    有信标模式下，终端设备可以只在信标被广播时醒来，并侦听地址，如果没有侦听到自己的地址，则又转入休眠状态。信标对簇形网络（Clustertree network）和网状网（mesh network）的节点同步尤为重要，节点不用长时间侦听信道而消耗能量。

    网络拓扑结构对功率节省也有很重要的关系。星形和簇形网络结构比网状网结构更有利于功率节省。因为前者的终端节点不充当路由器的功能，只收发自己的数据，这样可以更节省更多功率。

    蓝牙主要采用两种方式来控制功率：自适应发射功率和调整基带链接模式。

    在自适应发射功率控制方式中，当从属设备检测到接收信号强度指示值（RSSI，Receive Signal Strength Indicator）小于最低阈值时，从属设备可以请求主控设备增大的发射功率，反之，当RSSI大于某个规定的阈值时，从属设备也可以请求主控设备降低 发射功率。

    蓝牙基带有四种链接模式：活跃（Active）、呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）。通过调节基带链接模式，也可以实现节约功率的目的。活跃、呼吸、保持、休眠这四个状态消耗的平均功率依次减小，但设备响应时间也依次增加。

6 主要技术及性能参数比较

    为更直观比较ZigBee和蓝牙，下面将两种技术的主要技术及性能参数列表如下：

	ZigBee	蓝牙
使用频段	2.4GHz/915MHz/868MHz	2.4GHz
扩频方式	DSSS	FHSS
调制方式	BPSK/O-QPSK	GFSK
数据传输速率	2.4GHz：250Kbit/s (62.5simbols/s×4bit/symbol) 915MHz：40Kbit/s 868MHz：20Kbit/s	标称速率1Mbit/s  非对称链接723.2Kbit/s 57.6Kbit/s  对称链接433.9Kbit/s  同步信道速率64Kbit/s
安全机制	MAC和NWK，分级安全控制，AES	链路级，认证基于共享密钥，询问/响应机制，反应逻辑算术鉴权，AES
纠错方式	CRC，ARQ	1／3FEC(3bit重复码)，2/3FEC(截短Hamming码)，CRC，ARQ
信道数	1+10+16=27个	79个
传输距离	10～75m	10m（加发射功放可达100m）
新从属设备入网时间	约30ms	≥3s
休眠设备激活时间	约15ms	约3s
活跃设备信道接入时间	约15ms	约2ms
运行所需系统资源	约28Kb	约250Kb
网络拓扑结构	星形/簇形/网状网	微微网/散射网
单个网络的设备数量	256个设备，最多可达65536个设备	8个设备，最多可达8＋255（休眠）个设备
链路状态模式	活跃/休眠	活跃/呼吸/保持/休眠
功率消耗	极小	中等
业务类型	分组交换	电路交换/分组交换

7 应用及市场分析比较

    由于ZigBee具有功耗极低、系统简单、成本低、低等待时间（Latency Time）和低数据速率的性质，它非常适合有大量终端设备的网络。可以应用到以下领域：楼宇自动化、工业监视及控制、计算机外设、互动玩具、医疗设备、消 费性电子产品、家庭自动化以及其它一些传感网络。图2是西部技术研究方案公司（WTRS）对ZigBee的市场预测。

    蓝牙自1999年规范1.0版本发布以来，已有很多应用。2003年全球蓝牙芯片产值已达1亿美圆，据估计，到2006年，全球蓝牙芯片市场产值将达到5 亿美元。应用方面，还是以移动电话为主，占65％。蓝牙产品2003年出货5500万台，预计2004年将出货8800万台。蓝牙主要应用是移动电话、头 戴式耳机、汽车、计算机外设、家庭自动化、工业监视控制等。预计音频应用将有较大发展。

8 结束语

    通过从技术和应用两方面的分析与比较，可以看出：ZigBee非常适合于低功耗、低数据速率的监视、传感网络。蓝牙则适合于较高数据数率的应用，如语音和 数据传输。两者之间同时又存在着竞争，比如，在计算机外设、互动玩具、家庭自动化和工业自动化等应用领域及在未来的穿戴网络(Wearable Network)中蓝牙面临着ZigBee技术的竞争。但是任何一种技术的成功，并不只由其技术本身的因素决定，客观市场对技术成败也有很大作用。 ZigBee技术要想获得成功，ZigBee联盟应尽早公开发布规范，尽早开发出ZigBee芯片。在蓝牙方

图 2. ZigBee市场预测

面，SIG除致力于制定更多的应用模式和完善规范之外，还应促进不同厂商生产的设备的互通性；针对目前市场特点，蓝牙应优先发展音频应用，因为在低速数据传输领域，蓝牙面临ZigBee的竞争，而在高速数据传输（如多媒体）领域，蓝牙又面临UWB的竞争。

作者： 重庆邮电学院光互联网与无线信息网络研究中心 蒋小宇 罗祖秋