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和藍牙的關系是既互為補充又相互競爭，藍牙將不得不面臨極低功耗、低成本ZigBee的競爭。
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，自藍牙規范發布以采，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和藍牙的應用和發展提出了建議。
2 系統復雜性
ZigBee的系統復雜性要遠小于藍牙的系統復雜性。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 資源也較少，據估計運行ZigBee需要系統資源約28Kb；藍牙協議棧相對復雜，它需要系統資源約為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、系統處理能力、成本和應用環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。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，終端節點只在有數據要收發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。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。
網絡拓撲結構對功率節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省。因為前者的終端節點不充當路由器的功能，只收發自己的數據，這樣可以節省更多功率。
藍牙主要采用兩種方式來控制功率：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射功率，反之，當RSSI大于某個規定的閾值時，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，下面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
由于ZigBee具有功耗極低、系統簡單、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、工業監視及控制、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年規范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。應用方面，還是以移動電話為主，占65％。藍牙產品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、工業監視控制等。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面的分析與比較，可以看出：
ZigBee非常適合于低功耗、低數據速率的監視、傳感網絡。藍牙則適合于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聯盟應盡早公開發布規范，盡早開發出ZigBee芯片。在藍牙方面，SIG除致力于制定更多的應用模 式和完善規范之外，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，藍牙面臨ZigBee的競 爭，而在高速數據傳輸(如多媒體)領域，藍牙又面臨UWB的競爭。
