ZigBee与蓝牙的分析与比较

Ｅ－ｍａｉｌ：　ｙａｎｘｍ＠ｃｅｓｉ．ａｃ．ｃｎ

Ｔｒａｃｋｓ　ｆｏｒ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　＆　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ标准与技术追踪ＺｉｇＢｅｅ与蓝牙的分析与比较

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　ａｎｄ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ重庆市蓝牙无线技术研究所　　金　　纯

重庆邮电学院光互联网与无线信息网络研究中心　　蒋小宇　　罗祖秋

摘　要　ＺｉｇＢｅｅ是最近提出的一种类似蓝牙的无线

通信技术。通过对ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙的主要技术特征和市场前景进行分析和比较，从而证明ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙的关系是既互为补充又相互竞争，蓝牙将不得不面临极低功耗、低成本ＺｉｇＢｅｅ的竞争。

规范。在其基础之上，ＺｉｇＢｅｅ联盟制定了数据链路层（ＤＬＬ）、网络层（ＮＷＫ）和应用编程接口（ＡＰＩ）规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。蓝牙也是一种短距离无线通信技术，自蓝牙规范发布以来，它在越来越多的领域得到了应用。比如工业自动控制、家庭自动化、电信级的音频传输、ＰＤＡ、手机和ＰＣ机外设等。在ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙的关系上，ＺｉｇＢｅｅ联盟认为关键词　　ＺｉｇＢｅｅ　蓝牙　短距离无线通信

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　ＺｉｇＢｅｅ　ｉｓ　ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｒｅｌｅａｓｅｄ　ｒｅｃｅｎｔｌｙ，　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｌｉｋｅ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ．　Ｂｙａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄｍａｒｋｅｔ　ｐｒｏｓｐｅｃｔ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　ａｎｄ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ，　ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ＺｉｇＢｅｅ　ａｎｄ　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈｉｓ　ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ．　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ｗｉｌｌ　ｈａｖｅｔｏ　ｂｅ　ｃｏｎｆｒｏｎｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ，　ｗｈｉｃｈ　ｉｓｕｌｔｒａ　ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ．

ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙是互为补充，而不是互相竞争。本文将围绕技术和市场两个方面来分析ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙这两种短距离无线通信技术，证明蓝牙将在某些应用方面面临ＺｉｇＢｅｅ技术的竞争。最后，对ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙的应用和发展提出了建议。２　系统复杂性

ＺｉｇＢｅｅ的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性。这可以从它们的协议栈的参考模型（图１）中看出。ＺｉｇＢｅｅ协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ＺｉｇＢｅｅ需要系统资源约２８Ｋｂ；蓝牙协议栈相对复杂，它需要系统资源约为２５０Ｋｂ。ＺｉｇＢｅｅ定义了两种类型的设备：全功能设备ＦＦＤ（Ｆｕｌｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｄｅｖｉｃｅ）Ｋｅｙｗｏｒｄ：　ＺｉｇＢｅｅ；　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ；　ｓｈｏｒｔ－ｒａｎｇｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

１　引言

ＺｉｇＢｅｅ是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ＩＥＥＥ８０２．１５．４工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。ＺｉｇＢｅｅ联盟在制定ＺｉｇＢｅｅ标准时，采用了ＩＥＥＥ８０２．１５．４作为其物理层和媒体接入层和简化功能设备ＲＦＤ（Ｒｅｄｕｃｅｄ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ）。网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）和最多可达６５　５３５个从属设备。网络协调者必须是ＦＦＤ，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是ＲＦＤ，也可以是ＦＦＤ。ＲＦＤ的价格要比ＦＦＤ便宜得多，其占用系统资源仅约为４Ｋｂ，因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ＺｉｇＢｅｅ非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。２００４年第６期ｈｔｔｐ：　／／ｗｗｗ．ｃｅｓｉ．ａｃ．ｃｎ／ｉｔｓ１７标准与技术追踪Ｔｒａｃｋｓ　ｆｏｒ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　＆　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

择和对处理过程的控制则由高层来负责。ＮＷＫ层也使用ＡＥＳ，它的安全套件是基于ＣＣＭ＊操作模式。ＣＣＭ＊包括所有ＣＣＭ的功能，同时提供只加密和只保证完整性的功能。使用ＣＣＭ＊允许单个密钥用于不同的安全套件。因此一个密钥并不只属于单个安全套件，一个高层应用可以灵活地指定ＮＷＫ所用的安全套件。ＮＷＫ层负责安全处理，但对处理过程的控制图１　ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙的协议栈参考模型

则由高层通过建立密钥和决定使用哪一种ＣＣＭ＊安全套件来实现。此外，３　安全性

ＺｉｇＢｅｅ采用了分级的安全性策略：无安全性、接入控制表、３２比特ＡＥＳ和１２８比特ＡＥＳ。如果系统是用于安全性要求不高的场景，可以选择级别较低的安全措施，从而换取系统成本和功耗的降低；反之，在安全性要求较高的应用场景（如军事），可以选择较高的安全级别。这样，厂商可以综合考虑功耗、系统处理能力、成本和应用环境等方面因素而采取适当的安全级别。ＺｉｇＢｅｅ分别在ＭＡＣ层和ＮＷＫ层采取了安全策略。在数据经过一跳就到达目的地时，ＺｉｇＢｅｅ只用ＭＡＣ层提供的安全机制；当在多跳的情况下，ＺｉｇＢｅｅ就要依赖高层来保证安全。下面分述ＭＡＣ层和ＮＷＫ层的安全性。ＭＡＣ层安全套件（Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　Ｓｕｉｔｅｓ）基于以下三种操作模式：计数器（ＣＴＲ，Ｃｏｕｎｔｅｒ）模式的ＡＥＳ加密、密码块链接模式（ＣＢＣ－ＭＡＣ，　Ｃｉｐｈｅｒ　Ｂｌｏｃｋ　Ｃｈａｉｎｉｎｇ）的数据完整性、ＣＴＲ和ＣＢＣ－ＭＡＣ相结合的加密和完整性（叫做ＣＣＭ模式）。ＭＡＣ层的ＡＥＳ加密算法可以保护ＭＡＣ命令、信标、信息帧和应答帧的秘密性、完整性和真实性。ＭＡＣ帧的头部有一个比特用来指示ＭＡＣ帧是否加密。每一个密钥只与一个安全套件相关联。为了保证数据完整性，ＭＡＣ层计算头部和净荷数据得到一个消息完整码（ＭＩＣ，Ｍｅｓｓａｇｅ　Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　Ｃｏｄｅ），其长度为４、８或１６字节。同时，在每个ＭＡＣ帧头也都有一个帧编号，用于防止帧丢失和帧重传。密钥的建立、安全操作模式的选帧序号和ＭＩＣ也可以加在ＮＷＫ帧中。蓝牙协议在基带部分定义了设备鉴权和链路数据流加密所需要的安全算法和处理过程。设备的鉴权是强制性的，所有的蓝牙设备均支持鉴权过程，而链路的加密则是可选择的。蓝牙设备的鉴权过程是基于问询－响应模式和共享的加密方式。为了使蓝牙链路的数据流具有隐蔽性，可以使用１比特的流密码对链路进行加密。密钥大小随着每个基带分组数据单元（ＢＢ＿ＰＤＵ）传输而改变。加密密钥可以从对设备鉴权中得到。这意味着，在使用链路加密之前，两个设备之间至少已经进行了一次鉴权。密钥的最大长度为１２８比特。从以上分析可以看出，ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙在一定程度上都能够保证安全性。但ＺｉｇＢｅｅ比蓝牙更为灵活，这更有利于控制系统成本。４　可靠性

信号在无线环境中传输，必然存在大尺度衰落、阴影衰落、多径和干扰等问题。ＺｉｇＢｅｅ、蓝牙和ＷＬＡＮ（ＩＥＥＥ　８０２．１１ｂ）都是工作于２．４ＧＨｚＩＳＭ频段，相互间的干扰是不可避免的，因此保证可靠性尤为重要。下面分别讨论ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙为保证可靠性所采取的措施。ＺｉｇＢｅｅ有三个工作频段：２．４０２～２．４８０ＧＨｚ、８６８～８６８．６ＭＨｚ、９０２～９２８ＭＨｚ，共２７个信道。信道接入方式采用ＣＳＭＡ－ＣＡ，能有效地减少帧的冲突。１８信息技术与标准化

２００４年第６期

Ｔｒａｃｋｓ　ｆｏｒ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　＆　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

为抗干扰和多径，ＺｉｇＢｅｅ在物理层采用直接序列扩频ＤＳＳＳ和频率捷变ＦＡ技术。ＺｉｇＢｅｅ的ＤＳＳＳ在９００ＭＨｚ频段采用了每符号１５个码片，在２．４ＧＨｚ频段采用了每符号３２个码片，这比ＩＥＥＥ　８０２．１１ｂ的ＤＳＳＳ所采用的每符号１１个码片有更强的抗干扰和多径的能力。为了保证帧的正确传输，ＺｉｇＢｅｅ在ＭＡＣ层采用了两个措施：自动请求重传ＡＲＱ和帧缓存。当一帧传给一个设备时，如果接受设备处于忙或者休眠状态而不能接收该帧，那么网络协调设备就暂时缓存该帧，直到收端能接收该帧。在网络层，ＺｉｇＢｅｅ支持网状网，存在冗余路由，保证了网络的健壮性。蓝牙的工作在２．４０２～２．４８０ＧＨｚ频段，它采用了跳频扩频ＦＨＳＳ，在７９个信道上每秒钟１　６００次跳频，查寻状态时，跳变速率为每秒３　２００跳，有效地降低了干扰。在差错控制方面，基带控制器采用三种检纠错方式：１／３前向纠错编码（ＦＥＣ）、２／３前向纠错编码和ＡＲＱ。分组报头含有重要的连接信息和纠错信息，始终采用１／３ＦＥＣ方式保护性传输。使用频段扩频方式调制方式标准与技术追踪络（Ｃｌｕｓｔｅｒ　ｔｒｅｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ）和网状网（Ｍｅｓｈ　ｎｅｔｗｏｒｋ）的节点同步尤为重要，节点不用长时间侦听信道而消耗能量。网络拓扑结构对功率节省也有很重要的关系。星形和簇形网络结构比网状网结构更有利于功率节省。因为前者的终端节点不充当路由器的功能，只收发自己的数据，这样可以节省更多功率。蓝牙主要采用两种方式来控制功率：自适应发射功率和调整基带链接模式。在自适应发射功率控制方式中，当从属设备检测到接收信号强度指示值（ＲＳＳＩ，Ｒｅｃｅｉｖｅ　Ｓｉｇｎａｌ　ＳｔｒｅｎｇｔｈＩｎｄｉｃａｔｏｒ）小于最低阈值时，从属设备可以请求主控设备增大的发射功率，反之，当ＲＳＳＩ大于某个规定的阈值时，从属设备也可以请求主控设备降低发射功率。表１　ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙的主要技术及性能参数

　　　　　　　　　　　　　ＺｉｇＢｅｅ２．４ＧＨｚ／９１５ＭＨｚ／８６８ＭＨｚＤＳＳＳＢＰＳＫ／Ｏ－ＱＰＳＫ２．４ＧＨｚ：２５０Ｋｂｉｔ／ｓ数据速率　　　　　　　　　　　蓝　　牙２．４ＧＨｚＦＨＳＳＧＦＳＫ标称速率１Ｍｂｉｔ／ｓ５　功耗

低功耗是ＺｉｇＢｅｅ的一个重要特征。在一个典型的ＺｉｇＢｅｅ传感网络中，一块普通碱性电池可以供安全机制（６２．５ｓｉｍｂｏｌｓ／ｓ　×４ｂｉｔ／ｓｙｍｂｏｌ）非对称链接７２３．２Ｋｂｉｔ／ｓ　５７．６Ｋｂｉｔ／ｓ９１５ＭＨｚ：４０Ｋｂｉｔ／ｓ８６８ＭＨｚ：２０Ｋｂｉｔ／ｓＭＡＣ和ＮＷＫ，分级安全控制，ＡＥＳＣＲＣ，ＡＲＱ１＋１０＋１６＝２７个１０～７５ｍ约３０ｍｓ约１５ｍｓ约１５ｍｓ约２８Ｋｂ星形／簇形／网状网２５６个设备，最多可达６５　５３６个单个网络的设备数量链路状态模式功率消耗业务类型设备活跃／休眠极小分组交换对称链接　４３３．９Ｋｂｉｔ／ｓ同步信道速率６４Ｋｂｉｔ／ｓ链路级，认证基于共享密钥，询问／响应机制，反应逻辑算术鉴权，ＡＥＳ１／３ＦＥＣ（３ｂｉｔ重复码），２／３ＦＥＣ纠错方式信道数传输距离新从属设备入网时间（截短Ｈａｍｍｉｎｇ码），ＣＲＣ，ＡＲＱ７９个１０ｍ（加发射功放可达１００ｍ）≥３ｓ约３ｓ约２ｍｓ约２５０ＫｂＡｄ　ｈｏｃ／微微网／散射网８个设备，最多可达８＋２５５（休眠）个设备活跃／呼吸／保持／休眠中等电路交换／分组交换ＺｉｇＢｅｅ设备工作六个月到两年！下面讨论ＺｉｇＢｅｅ获得低功耗的方法。ＺｉｇＢｅｅ的ＭＡＣ信道接入机制有两种：无信标（Ｂｅａｃｏｎ）模式和有信标模式。无信标模式就是标准的ＡＬＯＨＡＣＳＭＡ－ＣＡ的信道接入机制，终端节点只在有数据要收发的时候才和网络会话，其余时间都处于休眠模式，这样平均功耗就非常低。有信标模式下，终端设备可以只在信标被广播时醒来，并侦听地址，如果没有侦听到自己的地址，则又转入休眠状态。信标对簇形网２００４年第６期休眠设备激活时间活跃设备信道接入时间运行所需系统资源网络拓扑结构ｈｔｔｐ：　／／ｗｗｗ．ｃｅｓｉ．ａｃ．ｃｎ／ｉｔｓ１９标准与技术追踪Ｔｒａｃｋｓ　ｆｏｒ　Ｓｔａｎｄａｒｄ　＆　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

动电话、头戴式耳机、汽车、计算机外设、家庭自动化、工业监视控制等。预计音频应用将有较大发展。蓝牙基带有四种链接模式：活跃（Ａｃｔｉｖｅ）、呼吸（Ｓｎｉｆｆ）、保持（Ｈｏｌｄ）和休眠（Ｐａｒｋ）。通过调节基带链接模式，也可以实现节约功率的目的。活跃、呼吸、保持、休眠这四个状态消耗的平均功率依次减小，但设备响应时间也依次增加。８　结束语

通过从技术和应用两方面的分析与比较，可以看出：ＺｉｇＢｅｅ非常适合于低功耗、低数据速率的监视、传感网络。蓝牙则适合于较高数据数率的应用，如语音和数据传６　主要技术及性能参数比较

为更直观地比较ＺｉｇＢｅｅ和蓝牙，下面将两种技术的主要技术及性能参数列表，如表１所示。输。两者之间同时又存在着竞争，比如，在计算机外设、互动玩具、家庭自动化和工业自动化等应用领域及在未来的穿戴网络（Ｗｅａｒａｂｌｅ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）中蓝牙面临着ＺｉｇＢｅｅ技术的竞争。但是任何一种技术的成功，并不只由其技术本身的因素决定，客观市场对技术成败也有很大作用。ＺｉｇＢｅｅ技术要想获得成功，ＺｉｇＢｅｅ联盟应尽早公开发布规范，尽早开发出ＺｉｇＢｅｅ芯片。在蓝牙方面，ＳＩＧ除致力于制定更多的应用模式和完善规范之外，还应促进不同厂商生产的设备的互通性；针对目前市场特点，蓝牙应优先发展音频应用，因为在低速数据图２　ＺｉｇＢｅｅ市场预测

传输领域，蓝牙面临ＺｉｇＢｅｅ的竞争，而在高速数据传输（如多媒体）７　应用及市场分析比较

由于ＺｉｇＢｅｅ具有功耗极低、系统简单、成本低、低等待时间（Ｌａｔｅｎｃｙ　Ｔｉｍｅ）和低数据速率的性质，它非常适合有大量终端设备的网络。可以应用到以下领域：楼宇自动化、工业监视及控制、计算机外设、互动玩具、医疗设备、消费性电子产品、家庭自动化以及其他一些传感网络。图２是西部技术研究方案公司（ＷＴＲＳ）对ＺｉｇＢｅｅ的一个市场预测。蓝牙自１９９９年规范１．０版本发布以来，已有很多应用。２００３年全球蓝牙芯片产值已达１亿美元，据估计，到２００６年，全球蓝牙芯片市场产值将达到５亿美元。应用方面，还是以移动电话为主，占６５％。蓝牙产品２００３年出货５　５００万台，预计２００４年将出货８　８００万台。蓝牙主要应用是移领域，蓝牙又面临ＵＷＢ的竞争。参考文献

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２Ｊｏｎ　Ａｄａｍｓ．Ｔｈｅ　ＺｉｇＢｅｅ　Ａｌｌｉａｎｃｅ　“Ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ＺｉｇＢｅｅＳｔａｎｄａｒｄ”．　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｚｉｇｂｅｅ．ｏｒｇ

３Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ＳＩＧ．Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＢｌｕｅｔｏｏｔｈＳｙｓｔｅｍ：　Ｃｏｒｅ．ｖｏｌ．　１．１，　２００１

４Ｐａｔｒｉｃｋ　Ｋｉｎｎｅｙ．ＺｉｇＢｅｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：　ＷｉｒｅｌｅｓｓＣｏｎｔｒｏｌ　ｔｈａｔ　Ｓｉｍｐｌｙ　Ｗｏｒｋｓ．　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｚｉｇｂｅｅ．ｏｒｇ５金纯，　许光辰，孙睿．　蓝牙技术．　电子工业出版社，２００１．３

２０信息技术与标准化

２００４年第６期