ZigBee和藍(lán)牙分析與比較詳解

　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(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)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(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(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線連接技術(shù)。ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作。

　　藍(lán)牙也是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，自藍(lán)牙規(guī)范發(fā)布以采，它在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。比如工業(yè)自動(dòng)控制、家庭自動(dòng)化、電信級(jí)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(bǔ)充，而不是互相競(jìng)爭(zhēng)。本文將圍繞技術(shù)和市場(chǎng)兩個(gè)方面來(lái)分析ZigBee和藍(lán)牙這兩種短距離無(wú)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(jìng)爭(zhēng)。最后，對(duì)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(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，需要的系統(tǒng)資源也較少，據(jù)估計(jì)運(yùn)行ZigBee需要系統(tǒng)資源約28Kb；藍(lán)牙協(xié)議棧相對(duì)復(fù)雜，它需要系統(tǒng)資源約為250Kb。ZigBee定義了兩種

　　類(lèi)型的設(shè)備：全功能設(shè)備FFD（Ful Functional Device）和簡(jiǎn)化功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device）。網(wǎng)絡(luò)為主從結(jié)構(gòu)， 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者（Coordinator）和最多可達(dá)65535個(gè)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(diǎn)的附著與離開(kāi)等。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，其他終端設(shè)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(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(diǎn)來(lái)說(shuō)，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(dòng)化等。

　　3 安全性

　　ZigBee采用了分級(jí)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(tǒng)是用于安全性要求不高的場(chǎng)景，可以選擇級(jí)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(chǎng)景（如軍事），可以選擇較高的安全級(jí)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?jí)別。ZlgBee分別在MAC層和NWK層采取了安全策略。在數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一跳就到達(dá)目的地時(shí)，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(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(jì)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(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(shù)據(jù)完整性，MAC層計(jì)算頭部和凈荷數(shù)據(jù)得到一個(gè)消息完整碼（MIC，Message Integrity Code），其長(zhǎng)度為4、8或

　　16字節(jié)。同時(shí)，在每個(gè)MAC幀頭也都有一個(gè)幀編號(hào)，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(duì)處理過(guò)程的控制則由高層來(lái)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(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(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(duì)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(xiàn)。此外，幀序號(hào)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(guò)程。設(shè)備的鑒權(quán)是強(qiáng)制性的，所有的藍(lán)牙設(shè)備均支持鑒權(quán)過(guò)程，而鏈路的加密則是可選擇的。藍(lán)牙設(shè)備的鑒權(quán)過(guò)程是基于問(wèn)詢(xún)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(duì)鏈路進(jìn)行加密。密鑰大小隨著每個(gè)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(duì)設(shè)備鑒權(quán)中得到。這意味著，在使用鏈路加密之前，兩個(gè)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(zhǎng)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。

　4 可靠性

　　信號(hào)在無(wú)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(wèn)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(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(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(hào)15個(gè)碼片，在2.4GHz頻段采用了每符號(hào)32個(gè)碼片，這比IEEE 802.11b的DSSS所采用的每符號(hào)11個(gè)碼片有更強(qiáng)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(qǐng)求重傳ARQ和幀緩存。當(dāng)一幀傳給一個(gè)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(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(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(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(cuò)控制方面，基帶控制器采用三種檢糾錯(cuò)方式：1/3前向糾錯(cuò)編碼（FEC）、2/3前向糾錯(cuò)編碼和ARQ。分組報(bào)頭含有重要的連接信息和糾錯(cuò)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(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(shè)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(jī)制有兩種：無(wú)信標(biāo)（Beacon）模式和有信標(biāo)模式。

　　無(wú)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(diǎn)只在有數(shù)據(jù)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(biāo)模式下，終端設(shè)備可以只在信標(biāo)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(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。信標(biāo)對(duì)簇形網(wǎng)絡(luò)（Cluster tree network）和網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh network）的節(jié)點(diǎn)同步尤為重要，節(jié)點(diǎn)不用長(zhǎng)時(shí)間偵聽(tīng)信道而消耗能量。

　　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)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?yàn)榍罢叩慕K端節(jié)點(diǎn)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。