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、低數據速率、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聯盟制定了數據鏈路層（DLL）、網絡層（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，需要的系統(tǒng)資源也較少，據估計運行ZigBee需要系統(tǒng)資源約28Kb；藍牙協議棧相對復雜，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(jié)點的附著與離開等。一個網絡只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，其占用系統(tǒng)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。每一個密鑰只與一個安全套件相關聯。為了保證數據完整性，MAC層計算頭部和凈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(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。此外，幀序號和MIC也可以加在NWK幀中。

　　藍牙協議在基帶部分定義了設備鑒權和鏈路數據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，那么網絡協調設備就暫時緩存該幀，直到收端能接收該幀。

　　在網絡層，ZigBee支持網狀網，存在冗余路由，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)點只在有數據要收發(fā)的時候才和網絡會話，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)。信標對簇形網絡（Cluster tree network）和網狀網（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。星形和簇形網絡結構比網狀網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)自己的數據，這樣可以節(jié)省更多功率。