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似藍牙的無線通信技術。本文通過對ZigBee和藍牙的主要技術特征和市場前景進行分析和比較，從而證明ZigBee和藍牙的關係是既互為補充又相互競爭，藍牙將不得不麵臨極低功耗
、低成本ZigBee的競爭。

1 引言

ZigBee是一種近距離
、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合於自動控製
、傳感、監控和遠程控製等領域，可以嵌入各種設 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、便攜或移動設備使用的極低複雜度、成本和功耗的低速率無線連接技 術。ZigBee聯盟在製定ZigBee標準時，采用了IEEE802.15.4作為其物理層和媒體接入層規範。在其基礎之上，ZigBee聯盟製定了數 據鏈路層(DLL)、網絡層(NWK)和應用編程接口(API)規範，並負責高層應用、測試和市場推廣等方麵的工作。

藍牙也是一種短距離無線通信技術
，自藍牙規範發布以采，它在越來越多的領域得到了應用。比如工業自動控製
、家庭自動化、電信級的音頻傳輸、PDA

、手機和PC機外設等。

在ZigBee和藍牙的關係上
，ZigBee聯盟認為ZigBee和藍牙是互為補充，而不是互相競爭。本文將圍繞技術和市場兩個方麵來分析ZigBee和 藍牙這兩種短距離無線通信技術

，證明藍牙將在某些應用方麵麵臨ZigBee技術的競爭。最後，對ZigBee和藍牙的應用和發展提出了建議。

2 係統複雜性

ZigBee的係統複雜性要遠小於藍牙的係統複雜性。這可以從它們的協議棧的參考模型(圖1)中看出。ZigBee協議棧簡單
，實現相對容易

，需要的係統 資源也較少，據估計運行ZigBee需要係統資源約28Kb；藍牙協議棧相對複雜
，它需要係統資源約為250Kb。ZigBee定義了兩種類型的 設備：全功能設備FFD(Ful Functional Device)和簡化功能設備RFD(Reduced Function Device)。網絡為主從結構， 一個網絡有一個網絡協調者(Coordinator)和最多可達65535個從屬設備。網絡協調者必須是FFD，它負責管理和維護網絡
，包括路由、安全 性
、節點的附著與離開等。一個網絡隻需要一個網絡協調者，其他終端設備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價格要比FFD便宜得多，其占用係統資源僅 約為4Kb
，因此網絡的整體成本比較低。從這一點來說，ZigBee非常適合有大量終端設備的網絡，如傳感網絡
、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、接入控製表、32比特AES和128比特AES。如果係統是用於安全性要求不高的場景
，可以選擇級別較低 的安全措施
，從而換取係統成本和功耗的降低；反之

，在安全性要求較高的應用場景(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、係統處理能力
、成本和應用環境等方麵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。在數據經過一跳就到達目的地 時
，ZigBee隻用MAC層提供的安全機製；當在多跳的情況下
，ZigBee就要依賴高層來保證安全。下麵分述MAC層和NWK層的安全性。

MAC層安全套件(Security Suites)基於以下三種操作模式：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。每一個密鑰隻與一個安全套件相關聯。為了保證數據完整 性
，MAC層計算頭部和淨荷數據得到一個消息完整碼(MIC
，Message Integrity Code)，其長度為4

、8或16字節。同時

，在每個MAC幀頭也都有一個幀編號，用於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製則由高層來負責。

NWK層也使用AES，它的安全套件是基於CCM*操作模式。CCM*包括所有CCM的功能，同時提供隻加密和隻保證完整性的功能。使用CCM*允許單個 密鑰用於不同的安全套件。因此一個密鑰並不隻屬於單個安全套件
，一個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
，但對處理過程的 控製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。此外
，幀序號和MIC也可以加在NWK幀中。

藍(lan)牙(ya)協(xie)議(yi)在(zai)基(ji)帶(dai)部(bu)分(fen)定(ding)義(yi)了(le)設(she)備(bei)鑒(jian)權(quan)和(he)鏈(lian)路(lu)數(shu)據(ju)流(liu)加(jia)密(mi)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)安(an)全(quan)算(suan)法(fa)和(he)處(chu)理(li)過(guo)程(cheng)。設(she)備(bei)的(de)鑒(jian)權(quan)是(shi)強(qiang)製(zhi)性(xing)的(de)，所(suo)有(you)的(de)藍(lan)牙(ya)設(she)備(bei)均(jun)支(zhi)持(chi)鑒(jian)權(quan)過(guo)程(cheng)，而(er)鏈(lian)路(lu)的(de)加(jia)密(mi)則(ze)是(shi) 可選擇的。藍牙設備的鑒權過程是基於問詢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行加密。密鑰大 小隨著每個基帶分組數據單元(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
，在使用鏈路加密之前
，兩個設備之間至少已經進行了一 次鑒權。密鑰的最大長度為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

，這更有利於控製係統成本。
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4 可靠性

信號在無線環境中傳輸，必然存在大尺度衰落
、陰影衰落
、多徑和幹擾等問題。ZigBee、藍牙和WLAN(IEEE 802.11b)都是工作於2.4GHz ISM頻段

，相互間的幹擾是不可避免的，因此保證可靠性尤為重要。下麵分別討論ZigBee和藍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，能有效地減少幀的衝突。為抗幹擾和多徑，ZigBee在物理層采用直接序列擴頻DSSS和頻率捷變FA技術。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個碼片有更強的抗幹擾和多徑的能力。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he幀zhen緩huan存cun。當dang一yi幀zhen傳chuan給gei一yi個ge設she備bei日ri寸cun
，如ru果guo接jie受shou設she備bei處chu於yu忙mang或huo者zhe休xiu眠mian狀zhuang態tai而er不bu能neng接jie收shou該gai幀zhen，那na麼me網wang絡luo協xie調tiao設she備bei就jiu暫zan時shi緩huan存cun該gai幀zhen，直zhi到dao收shou端duan能neng接jie收shou該gai幀zhen。

在網絡層

，ZigBee支持網狀網，存在冗餘路由，保證了網絡的健壯性。

藍牙的工作在2.402～2.480GHZ頻段，它采用了跳頻擴頻FHSS，在79個信道上每秒鍾1600次跳頻
，查尋狀態時，跳變速率為每秒3200 跳，有效地降低了幹擾。在差錯控製方麵
，基帶控製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的一個重要特征。在一個典型的ZigBee傳感網絡中
，一塊普通堿性電池可以供ZigBee設備工作六個月到兩年!下麵討論ZigBee獲得低功耗的方法。

ZigBee的MAC信道接入機製有兩種：無信標(Beacon)模式和有信標模式。

無信標模式就是標準的ALOHACSMA-CA的信道接入機製，終端節點隻在有數據要收發的時候才和網絡會話，其餘時間都處於休眠模式，這樣平均功耗就非常低。

有信標模式下
，終端設備可以隻在信標被廣播時醒來
，並偵聽地址，如果沒有偵聽到自己的地址，則又轉入休眠狀態。信標對簇形網絡(Cluster tree network)和網狀網(Mesh network)的節點同步尤為重要，節點不用長時間偵聽信道而消耗能量。

wangluotuopujiegouduigonglvjieshengyeyouhenzhongyaodeguanxi。xingxinghecuxingwangluojiegoubiwangzhuangwangjiegougengyouliyugonglvjiesheng。yinweiqianzhedezhongduanjiedianbuchongdangluyouqidegongneng，zhishoufazijideshuju，zheyangkeyijieshenggengduogonglv。

藍牙主要采用兩種方式來控製功率：自適應發射功率和調整基帶鏈接模式。

在目適應發射功率控製方式中，當從屬設備檢測到接收信號強度指示值(RSSI，Receive Signal Strength Indicator)小於最低閾值時，從屬設備可以請求主控設備增大的發射功率，反之
，當RSSI大於某個規定的閾值時，從屬設備也可以請求主控設備降低 發射功率。

藍牙基帶有四種鏈接模式：活躍(Active)
、呼吸(Sniff)

、保持(Hold)和休眠(Park)。通過調節基帶鏈接模式，也可以實現節約功率的目的。活躍
、呼吸、保持
、休眠這四個狀態消耗的平均功率依次減小，但設備響應時間也依次增加。
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6 主要技術及性能參數比較

為更直觀地比較ZigBee和藍牙，下麵將兩種技術的主要技術及性能參數列表，如表1所示。

7 應用及市場分析比較

由於ZigBee具有功耗極低、係統簡單、成本低、低等待時間(Latency Time)和低數據速率的性質，它非常適合有大量終端設備的網絡。可以應用到以下領域：樓宇自動化
、工業監視及控製
、計算機外設
、互動玩具、醫療設備

、消 費性電子產品、家庭自動化以及其他一些傳感網絡。圖2是西部技術研究方案公司(WTRS)對ZigBee的一個市場預測。

圖2 ZigBee市場預測

藍牙自1999年規範1.O版本發布以來，已有很多應用。2003年全球藍牙芯片產值已達1億美元

，據估計，到2006年，全球藍牙芯片市場產值將達到5 億美元。應用方麵，還是以移動電話為主
，占65％。藍牙產品2003年出貨5500萬台，預計2004年將出貨8800萬台。藍牙主要應用是移2iD 信息技術與標準化動電話、頭戴式耳機、汽車
、計算機外設、家庭自動化、工業監視控製等。預計音頻應用將有較大發展。

8 結束語

通過從技術和應用兩方麵的分析與比較，可以看出：

ZigBee非常適合於低功耗、低數據速率的監視
、傳感網絡。藍牙則適合於較高數據數率的應用

，如語音和數據傳輸。兩者之間同時又存在著競爭，比如
，在計 算機外設、互動玩具、家庭自動化和工業自動化等應用領域及在未來的穿戴網絡(Wearable Network)中藍牙麵臨著ZigBee技術的競爭。但是任何一種技術的成功，並不隻由其技術本身的因素決定
，客觀市場對技術成敗也有很大作用。 ZigBee技術要想獲得成功，ZigBee聯盟應盡早公開發布規範，盡早開發出ZigBee芯片。在藍牙方麵，SIG除致力於製定更多的應用模 式和完善規範之外，還應促進不同廠商生產的設備的互通性；針對目前市場特點，藍牙應優先發展音頻應用，因為在低速數據傳輸領域，藍牙麵臨ZigBee的競 爭，而在高速數據傳輸(如多媒體)領域，藍牙又麵臨UWB的競爭。