ZigBee和藍牙分析與比較詳解

　1 引言

　　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，主要適合于自動控制、傳感、監(jiān)控和遠程控制等領域，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復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。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。在其基礎之上，ZigBee聯(lián)盟制定了數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）、網(wǎng)絡層（NWK）和應用編程接口（API）規(guī)范，并負責高層應用、測試和市場推廣等方面的工作。

　　藍牙也是一種短距離無線通信技術，自藍牙規(guī)范發(fā)布以采，它在越來越多的領域得到了應用。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機外設等。

　　在ZigBee和藍牙的關系上，ZigBee聯(lián)盟認為ZigBee和藍牙是互為補充，而不是互相競爭。本文將圍繞技術和市場兩個方面來分析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面面臨ZigBee技術的競爭。最后，對ZigBee和藍牙的應用和發(fā)展提出了建議。

　　2 系統(tǒng)復雜性

　　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

　　類型的設備：全功能設備FFD（Ful Functional Device）和簡化功能設備RFD（Reduced Function Device）。網(wǎng)絡為主從結構， 一個網(wǎng)絡有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者（Coordinator）和最多可達65535個從屬設備。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者必須是FFD，它負責管理和維護網(wǎng)絡，包括路由、安全性、節(jié)點的附著與離開等。一個網(wǎng)絡只需要一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)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，其占用系統(tǒng)資源僅約為4Kb，因此網(wǎng)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(wǎng)絡，如傳感網(wǎng)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、成本和應用環(huán)境等方面因素而采取適當?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。

　　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。每一個密鑰只與一個安全套件相關聯(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。

　　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。

　　藍牙協(xié)議在基帶部分定義了設備鑒權和鏈路數(shù)據(jù)流加密所需要的安全算法和處理過程。設備的鑒權是強制性的，所有的藍牙設備均支持鑒權過程，而鏈路的加密則是可選擇的。藍牙設備的鑒權過程是基于問詢一響應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(jīng)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，這更有利于控制系統(tǒng)成本。

　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。當一幀傳給一個設備日寸，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)絡協(xié)調(diào)設備就暫時緩存該幀，直到收端能接收該幀。

　　在網(wǎng)絡層，ZigBee支持網(wǎng)狀網(wǎng)，存在冗余路由，保證了網(wǎng)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)絡中，一塊普通堿性電池可以供ZigBee設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信道接入機制有兩種：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。

　　有信標模式下，終端設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，則又轉入休眠狀態(tài)。信標對簇形網(wǎng)絡（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)絡拓撲結構對功率節(jié)省也有很重要的關系。星形和簇形網(wǎng)絡結構比網(wǎng)狀網(wǎng)結構更有利于功率節(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)，這樣可以節(jié)省更多功率。