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,。

　　藍牙主要采用兩種方式來控制功率：自適應發(fā)射功率和調(diào)整基帶鏈接模式,。

　　在目適應發(fā)射功率控制方式中，當從屬設備檢測到接收信號強度指示值（RSSI,，Receive Signal Strength Indicator）小于最低閾值時,，從屬設備可以請求主控設備增大的發(fā)射功率，反之,，當RSSI大于某個規(guī)定的閾值時,，從屬設備也可以請求主控設備降低發(fā)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(diào)節(jié)基帶鏈接模式,，也可以實現(xiàn)節(jié)約功率的目的,。活躍,、呼吸,、保持、休眠這四個狀態(tài)消耗的平均功率依次減小,，但設備響應時間也依次增加,。

　　6 主要技術及性能參數(shù)比較

　　為更直觀地比較ZigBee和藍牙，下面將兩種技術的主要技術及性能參數(shù)列表,，如表1所示,。

7 應用及市場分析比較

　　由于ZigBee具有功耗極低、系統(tǒng)簡單,、成本低,、低等待時間（Latency Time）和低數(shù)據(jù)速率的性質(zhì)，它非常適合有大量終端設備的網(wǎng)絡,?？梢詰玫揭韵骂I域：樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)視及控制,、計算機外設,、互動玩具,、醫(yī)療設備、消費性電子產(chǎn)品,、家庭自動化以及其他一些傳感網(wǎng)絡,。圖2是西部技術研究方案公司（WTRS）對ZigBee的一個市場預測。

　　藍牙自1999年規(guī)范1.O版本發(fā)布以來,，已有很多應用,。2003年全球藍牙芯片產(chǎn)值已達1億美元，據(jù)估計,，到2006年,，全球藍牙芯片市場產(chǎn)值將達到5億美元。應用方面,，還是以移動電話為主,，占65％。藍牙產(chǎn)品2003年出貨5500萬臺,，預計2004年將出貨8800萬臺,。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(yè)監(jiān)視控制等,。預計音頻應用將有較大發(fā)展。


　　

　　圖2 ZigBee市場預測

　　8 結束語

　　通過從技術和應用兩方面的分析與比較,，可以看出：

　　ZigBee非常適合于低功耗,、低數(shù)據(jù)速率的監(jiān)視、傳感網(wǎng)絡,。藍牙則適合于較高數(shù)據(jù)數(shù)率的應用,，如語音和數(shù)據(jù)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(yè)自動化等應用領域及在未來的穿戴網(wǎng)絡（Wearable Network）中藍牙面臨著ZigBee技術的競爭。但是任何一種技術的成功,，并不只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(lián)盟應盡早公開發(fā)布規(guī)范,，盡早開發(fā)出ZigBee芯片,。在藍牙方面，SIG除致力于制定更多的應用模式和完善規(guī)范之外,，還應促進不同廠商生產(chǎn)的設備的互通性,；針對目前市場特點，藍牙應優(yōu)先發(fā)展音頻應用,，因為在低速數(shù)據(jù)傳輸領域,，藍牙面臨ZigBee的競爭，而在高速數(shù)據(jù)傳輸（如多媒體）領域,，藍牙又面臨UWB的競爭,。