ZigBee與藍牙的比較研究

1、ZigBee與藍牙的比較研究組員學號陳秋陽3212010032尹傳豪3212010014張建3212010036摘 要 ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標準,在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器,所以它們的通信效率非常高。在樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)控領域具有廣闊的市場空間。而在ZigBee出現(xiàn)之前，藍牙技術(shù)毫無疑問是無線通信領域的領導者。本文將先對兩種技術(shù)進行介紹。然后在條件允許的情況下，設計一些簡單的實驗，更直

2、觀地對兩種技術(shù)進行比較。最后再通過對ZigBee和藍牙的主要技術(shù)特征和市場前景進行分析和比較。從而證明ZigBee和藍牙的關(guān)系是既互為補充有互相競爭。藍牙將不得不面臨極低功耗，極低成本的ZigBee的競爭。關(guān)鍵字： ZigBee；藍牙；短距離無線通信引言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(shù)，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(shù)。ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee標準時，采用了IEEE

3、802.15.4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(shù)，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(guān)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(shù)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(shù)，證明藍牙將在某些應用方面面臨ZigBee技術(shù)的競爭。最后，對ZigBee和

4、藍牙的應用和發(fā)展提出了建議。1. ZigBee1.1 ZigBee技術(shù)概述1.1.1 ZigBee技術(shù)介紹Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)就是ZigBee技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?。ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。 與移

5、動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉(zhuǎn)任務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。1.1.2 ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(1) 低功

6、耗: 由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee設備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設備望塵莫及的。 (2) 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。 (3) 時延短: 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如

7、工業(yè)控制場合等)應用。 (4) 網(wǎng)絡容量大： 一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備， 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡, 而且網(wǎng)絡組成靈活。 (5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。 (6) 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證， 采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。1.1.3

8、ZigBee技術(shù)的主要應用家庭和樓宇網(wǎng)絡：空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制、照明的自動控制、窗簾的自動控制、煤氣計量控制、家用電器的遠程控制等 工業(yè)控制：各種監(jiān)控器、傳感器的自動化控制 商業(yè)：智慧型標簽等 公共場所：煙霧探測器等 農(nóng)業(yè)控制：收集各種土壤信息和氣候信息 醫(yī)療：老人與行動不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等。1.2 ZigBee技術(shù)分析1.2.1物理層 物理層提供的服務是由硬件和軟件共同實現(xiàn)的，定義了物理無線信道(對于2.4GHz頻段，有16個信道，編號為11-26)和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(PLDE)和物理層管理服務(PLME)。通過該接口可以喚醒層管理服務功能，同時也負責維護與

9、物理層相關(guān)的一些管理對象的數(shù)據(jù)庫(PIB)。物理層通過物理層數(shù)據(jù)服務接入點(PD-SAP)和物理層管理實服務接入點(PLME-SAP)與MAC層通信，PD-SAP支持在對等的MAC層實體間進行MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳送，PLME-SAP則在MAC層管理實體之間提供管理命令的傳送。物理層主要完成如下任務：1無線收發(fā)機的激活與關(guān)閉：2當前信道的能量檢澳1(Energy Detect，ED)；3接受數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量標識(LQI)；4為載波偵聽多路訪問沖突防止(CSMS-CA)提供空閑信道評估(CCA)：5工作信道選擇；6數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。信道能量檢測為網(wǎng)絡層提供信道選擇依據(jù)，其值取值范圍是0x00-0xF

10、F。它主要測量目標信道中接受信號的功率強度，鏈路質(zhì)量標識為網(wǎng)絡層或應用層提供接受數(shù)據(jù)幀無線信號的強度和質(zhì)量信息。1.2.2MAC層與物理層類似，MAC層也包括管理實體(MLME)和數(shù)據(jù)實體(MLDE)。MAC層管理實體提供可以喚醒MAC層管理服務的服務接口，同時也維護一個與MAC層相關(guān)的管理對象數(shù)據(jù)庫(MIB)。MAC層與物理層之間通過PLME-SAP和PD-SAP進行通信，通過MAC數(shù)據(jù)實體服務點(MLDE-SAP)和MAC層管理實體服務接入點(MLME-SAP)向業(yè)務相關(guān)子層提供MAC層數(shù)據(jù)和管理服務。另外，MAC層能支持多種LLC標準，通過業(yè)務相關(guān)會聚子層(SSCS)協(xié)議承載8022類型

11、的LLC標準。MAC層功能如下：1當節(jié)點為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器時，產(chǎn)生信標(beacon)幀；2在信標幀之間進行同步；3支持個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)的關(guān)聯(lián)與解關(guān)聯(lián)；4支持節(jié)點安全機制；5對信道接入使用CSMA-CA機制；6處理和維護有保證的時隙(GTS)機制；7在兩個對等的MAC實體問提供可靠的鏈接。Zigbee中的MAC和物理層協(xié)議是網(wǎng)狀網(wǎng)絡的應用基礎，高容錯和低功耗的特點能保證網(wǎng)狀網(wǎng)絡所必須考慮基于拓撲控制和功率控制的網(wǎng)絡白組特性。而且對于經(jīng)典的隱藏終端和暴露終端問題、協(xié)議的接入公平性問題、服務質(zhì)量問題等都有良好的解決。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，MAC層的傳輸調(diào)度策略會影響數(shù)據(jù)包延遲、帶寬等性能，影響網(wǎng)絡層路由性能

12、，所以網(wǎng)絡層必須感知MAC層性能的變化，才可以自適應的方式改變路由，改善網(wǎng)絡性能。1.2.3網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層對于Zigbee協(xié)議棧非常重要，每一個Zigbee節(jié)點都包含網(wǎng)絡層，Zigbee網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)組建網(wǎng)絡，為新加入網(wǎng)絡訪分配地址、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護等。另外網(wǎng)絡層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應用層提供合適的服務接口，這種結(jié)構(gòu)使得網(wǎng)狀網(wǎng)絡的應用基本能夠?qū)崿F(xiàn)。為了向應用層提供其接口，網(wǎng)絡層提供了兩個必須的功能服務實體，它們分別為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)服務實體(NLDE)和管理服務實體(NLME)。NLDE通過網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)服務實體服務接入點(NLME-SAP)提供數(shù)據(jù)傳輸服務，網(wǎng)

13、絡層管理實體(NLME)通過網(wǎng)絡層管理實體服務接入點(NLME-SAP)提供網(wǎng)絡管理服務。網(wǎng)絡層管理實體利用網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體完成一些網(wǎng)絡的管理工作，并且，網(wǎng)絡層管理實體完成對網(wǎng)絡信息庠(NIB)的維護和管理。1.2.4應用層ZigBee應用層由三個部分組成：應用子層(APS)、ZDO(包含ZDO管理平臺)和制造商定義的應用對象(App Obj)。APS通過網(wǎng)絡層和安全服務提供層與端口相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務，可以適配不同但兼容的節(jié)點，并且提供了這樣的接口：在NWK層和APL層之間，從ZDO到供應商的應用對象的通用服務集。ZigBee中的應用框架(APL Framework)是為駐扎

14、在ZigBee節(jié)點中的應用對象提供活動的環(huán)境。最多可以定義240個相對獨立的應用程序?qū)ο?ZDO)，任何個對象的端點編號從l到240，端點號0固定用于ZDO數(shù)據(jù)接口，應用程序可以通過這個端點與ZigBee協(xié)議棧的其它層通信：另外個端點255固定用于所有應用對象廣播數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口功能。端點241-254保留(給為了擴展使用)，用戶不能使用。1.2.5 zigbee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)Zigbee網(wǎng)絡只支持2種物理設備；全功能設備(FFDFull Function Device)和精簡功能設備(RFD，Reduced FunctionDevice)，其中FFD設備可提供全部的MAC服務，可充當任何Zigb

15、ee節(jié)點，不僅可阻發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還具備路由功能，因此可以接收子節(jié)點；而RFD設備只提供部分的MAC服務，只能充當終端節(jié)點，不能充當協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點，它只負責將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點，并不具備路由功能，因此不能接收子節(jié)點，并且RFD之間的通信必須通過FFD才能完成。另外，RFD僅需要使用較小的存儲空間，這樣就可以非常容易的組建一個低成本和低功耗的無線通信網(wǎng)絡。Zigbee標準在此基礎上定義了三種節(jié)點：Zigbee協(xié)調(diào)點(Coordinator)、路由節(jié)點(Router)和終端節(jié)點(EndDevice)。Zigbee協(xié)議標準中定義了三種網(wǎng)絡拓撲形式，分別為星形拓撲、樹形拓撲和網(wǎng)狀拓

16、撲。星形網(wǎng)絡是三種拓撲結(jié)構(gòu)中最簡單的，因為星形網(wǎng)絡沒用到Zigbee協(xié)議棧，只要用802.15.4的層就可以實現(xiàn)。網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器和一系列的FFDRFD構(gòu)成，節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸都要通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個路徑，沒有可選擇的路徑，假如發(fā)生鏈路中斷時，那么發(fā)生鏈路中斷的節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信也將中斷，此外協(xié)調(diào)器很可能成為整個網(wǎng)絡的瓶頸。在樹形網(wǎng)絡中，F(xiàn)FD節(jié)點都可以包含自己的子節(jié)點，而RFD則不行，只能作為FFD的子節(jié)點，在樹形拓撲結(jié)構(gòu)中，每一個節(jié)點都只能和他的父節(jié)點和子節(jié)點之間通信，也就是說，當從一個節(jié)點向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的協(xié)調(diào)器節(jié)點然后

17、再向下傳遞到目標節(jié)點。這種拓撲方式的缺點就是信息只有唯一的路由通道，信息的路由過程完成是由網(wǎng)絡層處理，對于應用層是完全透明的。網(wǎng)狀網(wǎng)絡除了允許父節(jié)點和子節(jié)點之間的通信，也允許通信范圍之內(nèi)具有路由能力的非父子關(guān)系的鄰居節(jié)點之問進行通信，它是樹形網(wǎng)絡基礎上實現(xiàn)的，與樹形網(wǎng)絡不同的是，網(wǎng)狀網(wǎng)絡是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c對點的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，其路由可自動建立和維護，并且具有強大的自組織、自愈功能，網(wǎng)絡可以通過“多級跳”的方式來通信，可以組成極為復雜的網(wǎng)絡，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡節(jié)點規(guī)模。該拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是減少了消息延時，增強了可靠性，缺點是需要更多的存儲空間的開銷。2. 藍牙（Bluetooth）技

18、術(shù)2.1藍牙技術(shù)概述2.1.1藍牙技術(shù)介紹藍牙，是一種支持設備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關(guān)外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用“藍牙”技術(shù)，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍牙采用分散式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點對點及點對多點通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。其數(shù)據(jù)速率為1Mbps。采用時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工傳輸。藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，

19、它以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定與移動設備通信環(huán)境建立一個特別連接。藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。藍牙的數(shù)據(jù)速率為1Mb/s。時分雙工傳輸方案被用來實現(xiàn)全雙工傳輸。 使用IEEE802.15協(xié)議。2.1.2藍牙技術(shù)的優(yōu)點（1）全球可用Bluetooth 無線技術(shù)規(guī)格供我們?nèi)虻某蓡T公司免費使用。許多行業(yè)的制造商都積極地在其產(chǎn)品中實施此技術(shù)，以減少使用零亂的電線，實現(xiàn)無縫連接、流傳輸立體聲，傳輸數(shù)據(jù)或進行語音通信。Bluetooth 技術(shù)在 2.4 GHz 波段運行，該波段是一種無需申請許可證的工業(yè)、科技、醫(yī)學 (ISM) 無線電波段。正因如此，使用

20、 Bluetooth 技術(shù)不需要支付任何費用。但您必須向手機提供商注冊使用 GSM 或 CDMA，除了設備費用外，您不需要為使用 Bluetooth 技術(shù)再支付任何費用。 (2)設備范圍Bluetooth 技術(shù)得到了空前廣泛的應用，集成該技術(shù)的產(chǎn)品從手機、汽車到醫(yī)療設備，使用該技術(shù)的用戶從消費者、工業(yè)市場到企業(yè)等等，不一而足。低功耗，小體積以及低成本的芯片解決方案使得 Bluetooth 技術(shù)甚至可以應用于極微小的設備中。請在 Bluetooth 產(chǎn)品目錄和組件產(chǎn)品列表中查看我們的成員提供的各類產(chǎn)品大全。 (3)易于使用Bluetooth 技術(shù)是一項即時技術(shù)，它不要求固定的基礎設施，且易于安裝

21、和設置。您不需要電纜即可實現(xiàn)連接。新用戶使用亦不費力 您只需擁有 Bluetooth 品牌產(chǎn)品，檢查可用的配置文件，將其連接至使用同一配置文件的另一 Bluetooth 設備即可。后續(xù)的 PIN 碼流程就如同您在 ATM 機器上操作一樣簡單。外出時，您可以隨身帶上您的個人局域網(wǎng)(PAN)，甚至可以與其它網(wǎng)絡連接。 (4)全球通用的規(guī)格Bluetooth 無線技術(shù)是當今市場上支持范圍最廣泛，功能最豐富且安全的無線標準。全球范圍內(nèi)的資格認證程序可以測試成員的產(chǎn)品是否符合標準。自 1999 年發(fā)布 Bluetooth 規(guī)格以來，總共有超過 4000 家公司成為 Bluetooth 特別興趣小組 (S

22、IG) 的成員。同時，市場上 Bluetooth 產(chǎn)品的數(shù)量也成倍的迅速增長。產(chǎn)品數(shù)量已連續(xù)四年成倍增長，安裝的基站數(shù)量在 2005 年底也可能達到 5 億個。2.1.3藍牙技術(shù)的應用(1)居家通過使用 Bluetooth 技術(shù)產(chǎn)品，人們可以免除居家辦公電纜纏繞的苦惱。鼠標、鍵盤、打印機、膝上型計算機、耳機和揚聲器等均可以在 PC 環(huán)境中無線使用，這不但增加了辦公區(qū)域的美感，還為室內(nèi)裝飾提供了更多創(chuàng)意和自由。 (2)工作通過 Bluetooth 無線技術(shù)，辦公室里再也看不到凌亂的電線，整個辦公室也像一臺機器一樣有條不紊地高效運作。PDA 可與計算機同步以共享日歷和聯(lián)系人列表，外圍設備可直接與計

23、算機通信，員工可通過 Bluetooth 耳機在整個辦公室內(nèi)行走時接聽電話，所有這些都無需電線連接。(3)娛樂玩游戲、聽音樂、結(jié)交新朋、與朋友共享照片 越來越多的消費者希望能夠方便即時地享受各種娛樂活動，而又不想再忍受電線的束縛。Bluetooth 無線技術(shù)是唯一一種能夠真正實現(xiàn)無線娛樂的技術(shù)。內(nèi)置了 Bluetooth 技術(shù)的游戲設備，讓您能夠在任何地方與朋友展開游戲競技 在地下通道、在飛機場或在起居室中。由于不需任何電線，玩家能夠輕松地發(fā)現(xiàn)對方 甚至可以匿名查找 然后開始令人愉快的游戲。2.2藍牙技術(shù)分析2.2.1藍牙系統(tǒng)的構(gòu)成藍牙硬件結(jié)構(gòu)有：無線層（頻率合成、bit到符號的轉(zhuǎn)換和過濾，以

24、及符號的收發(fā)操作;）、基帶層（編碼/解碼、加密/解密、分組處理和跳頻頻率的生成和選擇）、鏈路管理器層（鏈接的建立和鏈路的管理）、SOC模塊（藍牙基帶核心模塊、微處理器模塊、 HCI模塊、語音處理模塊和一些可選的測試模塊）、RF模塊（鎖相環(huán)(PLL)、發(fā)送模塊和接收模塊組成。發(fā)送和接收部分可以共享PLL，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收在不同的時隙進行。根據(jù)給定的時間，PLL可在不同的載波頻率上跳變）。藍牙系統(tǒng)的功能單元一般由天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和藍牙軟件（協(xié)議棧）單元四個功能單元組成。（1）天線單元藍牙的天線部分體積十分小巧、重量輕，屬于微帶天線。藍牙空中接口建立在0dbm(1m

25、W)地基礎上，最大可達20dbm（100mW），遵循FCC(美國聯(lián)邦通信委員會)有關(guān)電平為0dbm 地ISM頻段地標準。（2）鏈路控制（硬件）單元目前藍牙產(chǎn)品的鏈路控制硬件單元包括3個集成芯片：連接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸/接收器，此外還使用了35 個單獨調(diào)諧元件?；鶐ф溌房刂破髫撠熖幚砘鶐f(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議。藍牙基帶協(xié)議是電路交換與分組交換地結(jié)合。采用時分雙工實現(xiàn)全雙工傳輸。（3）鏈路管理（軟件）單元鏈路管理（LM）軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設置、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其它一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其他遠端LM并通過LMP（鏈路管理協(xié)議）與之通信。（4）軟件（協(xié)議棧）單元 藍牙規(guī)范接口

26、可以直接集成到筆記本電腦或者通過PC卡或USB接口連接，或者直接集成到蜂窩電話中或通過附加設備連接。藍牙的軟件（協(xié)議棧）是一個獨立的操作系統(tǒng)，不與任何操作系統(tǒng)捆綁，它符合已經(jīng)制定好的藍牙規(guī)范。適用于集中不同商用操作系統(tǒng)（Windows,unix,Pocket Pc等）地藍牙規(guī)范正在完善中。2.2.2藍牙技術(shù)原理藍牙技術(shù)是一種短距離無線電通信技術(shù)標準 ,它工作在 214GHz頻段、數(shù)據(jù)速為 1Mbit ,使用擴頻和跳頻技術(shù) ,即使在噪聲環(huán)境中也可以正常地工作 ,其通信范圍約 10米。藍牙技術(shù)使用了一個極小的模塊 ,它內(nèi)含無線電收發(fā)裝置 ,將其分別裝在信息處理設備、家用電器，移動電話中 ,就能自動

27、通過智能模式互通 ,自動同步交換高速數(shù)據(jù)信息。4它應該首先將自家的各種電器組成一個網(wǎng)絡 ,便于主人使用 ;當然也會進入電話網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng),與外界溝通。藍牙主要采用以下核心技術(shù) : （1）跳頻技術(shù)藍牙工作在全球通用的2.4GHzISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。藍牙的數(shù)據(jù)速率為1Mbs。 ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等，都可能是干擾。為此，藍牙特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鍵路穩(wěn)定。跳頻技術(shù)是把頻帶分成若干個跳頻信道（hop channel），在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列（即一

28、定的規(guī)律，技術(shù)上叫做“偽隨機碼”，就是“假”的隨機碼）不斷地從一個信道“跳”到另一個信道，只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)律進行通信的，而其它的干擾不可能按同樣的規(guī)律進行干擾；跳額的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術(shù)使這個窄帶成百倍地擴展成寬頻帶，使干擾可能造成的影響變得很小。與其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍牙比其它系統(tǒng)都更穩(wěn)定。(2)微微網(wǎng)和分散網(wǎng) 當兩個藍牙設備成功建立鏈路后，一個微微網(wǎng)便形成了，兩者之間的通信通過無線電波在79個信道中隨機跳轉(zhuǎn)而完成。微微網(wǎng)信道由一主單元標識（提供跳頻序列）和系統(tǒng)時鐘（提供跳頻相位）來定義，其它為從單元。每一藍牙無線系統(tǒng)有一本地時鐘

29、，沒有通常的定時參考。當一微微網(wǎng)建立后，從單元進行時鐘補償，使之與主單元同步，微微網(wǎng)釋放后，補償亦取消，但可存儲起來以便再用。一條普通的微微網(wǎng)信道的單元數(shù)量為8（1主7從），可保證單元間有效尋址和大容量通信。實際上，一個微微網(wǎng)中互聯(lián)設備的數(shù)量是沒有限制的，只不過在同一時刻只能激活8個，其中1個為主，7個為從。藍牙系統(tǒng)建立在對等通信基礎上，主從任務僅在微微網(wǎng)生存期內(nèi)有效，當微微網(wǎng)取消后，主從任務隨即取消。每一單元皆可為主/從單元，可定義建立微微網(wǎng)的單元為主單元。除定義微微網(wǎng)外，主單元還控制微微網(wǎng)的信息流量，并管理接入。藍牙給每個微微網(wǎng)提供特定的跳轉(zhuǎn)模式，因此它允許大量的微微網(wǎng)同時存在，同一區(qū)域內(nèi)

30、多個微微網(wǎng)的互聯(lián)形成了分散網(wǎng)。不同的微微網(wǎng)信道有不同的主單元，因而存在不同的跳轉(zhuǎn)模式。藍牙系統(tǒng)可優(yōu)化到在同一區(qū)域中有數(shù)十個微微網(wǎng)運行，而沒有明顯的性能下降。藍牙時隙連接采用基于包的通信，使不同微微網(wǎng)可互聯(lián)。欲連接單元可加入到不同微微網(wǎng)中，但因無線信號只能調(diào)制到單一跳頻載波上，任一時刻單元只能在一微微網(wǎng)中通信。通過調(diào)整微微網(wǎng)信道參數(shù)（即主單元標志和主單元時鐘），單元可從一微微網(wǎng)跳到另一微微網(wǎng)中，并可改變?nèi)蝿铡＠缒骋粫r刻在微微網(wǎng)中的主單元，另一時刻在另一微微網(wǎng)中為從單元。由于主單元參數(shù)標示了微微網(wǎng)信道的跳轉(zhuǎn)模式，因此一單元不可能在不同的微微網(wǎng)中都為主單元。跳頻選擇機制應設計成允許微微網(wǎng)間可相互通

31、信，通過改變標志和時鐘輸入到選擇機制，新微微網(wǎng)可立即選擇新的跳頻。為了使不同微微網(wǎng)間的跳頻可行，數(shù)據(jù)流體系中沒有保護時間，以防止不同微微網(wǎng)的時隙差異。在藍牙系統(tǒng)中，引入了保留（HOLD）模式，允許一單元暫時離開一微微網(wǎng)而訪問另一微微網(wǎng)。(3)時分多址（TDMA）的調(diào)制技術(shù)在1.0版本的技術(shù)標準中，藍牙的基帶比特速率為1Mb/s，采用TDD方案來實現(xiàn)全雙工傳輸，因此藍牙的一個基帶幀包括兩個分組，首先是發(fā)送分組，然后是接收分組。藍牙系統(tǒng)既支持電路交換也支持分組交換，支持實時的同步定向聯(lián)接（SCO）和非實時的異步不定向聯(lián)接（ACL）。SCO鏈路是微微網(wǎng)中單一主單元和單一從單元之間的一種點對點對稱的鏈

32、路。主單元采用按照規(guī)定間隔預留時隙（電路交換類型）的方式可以維護SCO鏈路。主單元可以支持多達三條并發(fā)SCO鏈路，而從單元則可以支持兩條或者三條SCO鏈路，SCO鏈路上的數(shù)據(jù)包不會重新傳送。SCO鏈路主要用于64 kB/s的語音傳輸。ACL鏈路是微微網(wǎng)內(nèi)主單元和全部從單元之間點對多點鏈路。在沒有為SCO鏈路預留時隙的情況下，主單元可以對任意從單元在某一時隙的基礎上建立ACL鏈路，其中也包括了從單元已經(jīng)使用某條SCO鏈路的情況（分組交換類型）。對大多數(shù)ACL數(shù)據(jù)包來說都可以應用數(shù)據(jù)包重傳。ACL鏈路主要以數(shù)據(jù)為主，可在任意時隙傳輸。(4)編址技術(shù)藍牙有4種基本類型的設備地址：BD_ADDER:B

33、D_ADDER是一個48位長地址，該地址符合IEEE802標識符，可劃分為LAP（24位地址低端部分），UAP（8位地址高端部分）和NAP（16位無意義地址部分）三部分。AM_ADDER:AM_ADDER是三位長的活動成員地址，所有的0信息AM _ADDER都用于廣播信息。AR_ADDER:AR_ADDER是訪問請求地址，被暫停狀態(tài)的從單元用地址來確定訪問窗口內(nèi)從單元主單元半時隙，通過它發(fā)送訪問信息。 PM_ADDER:PM_ADDER是8位長的成員地址分配給處于暫停狀態(tài)的從單元使用。任一藍牙設備，都可以根據(jù)IEEE802標準得到一個唯一的48bit的BD_ADDER。它是一個公開的地址碼，可

34、以通過人工或自動進行查詢，在BD_ADDER的基礎上，使用一些性能良好的算法獲得各種保密和安全碼，從而保證了設備識別碼在全球的惟一性，以及通信過程中設備的鑒權(quán)和通信的安全保密。(5)安全性 藍牙技術(shù)的無線傳輸特性使它非常容易受到攻擊，因此安全機制在藍牙技術(shù)中顯得尤為重要。雖然藍牙系統(tǒng)所采用的跳頻技術(shù)已經(jīng)提供了一定的安全保 障，但是藍牙系統(tǒng)仍然需要鏈路層和應用層的安全管理。在鏈路層中，藍牙系統(tǒng)使用認證、加密和密鑰管理等功能進行安全控制。在應用層中，用戶可以使用個人標 識碼（PIN）來進行單雙向認證。(6)糾錯技術(shù) 藍牙系統(tǒng)的糾錯機制分為FEC和包重發(fā)。FEC支持1/3率和2/3率FEC碼。1/3

35、率僅用3位重復編碼，大部分在接收端判決，既可用于數(shù)據(jù) 包，也可用于SCO連接的包負載。2/3率碼使用一種縮短的漢明碼，誤碼捕捉用于解碼，它既可用于SCO連接的同步包負載，也可用于ACL連接的異步包 負載。在ACL連接中，可用ARQ結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，若接收方?jīng)]有響應，則發(fā)端將包重發(fā)。每一負載包含有一CRC，用來檢測誤碼。 為了減少復雜性，使開銷和無效重發(fā)為最小，藍牙執(zhí)行快ARQ結(jié)構(gòu)：發(fā)送端在TX時隙重發(fā)包，在RX時隙提示包接收情況。若加入2/3率FEC 碼，將得到I類混合ARQ結(jié)構(gòu)的結(jié)果。由于處理時間短，當包接收時，解碼選擇在空閑時間進行，并要簡化FEC編碼結(jié)構(gòu)，以加快處理速度?？焖貯RQ結(jié)構(gòu)

36、與停止等待ARQ結(jié)構(gòu)相似，但時延最小，實際上沒有由ARQ 結(jié)構(gòu)引起的附加時延。該結(jié)構(gòu)比向后N個ARQ更有效，并與重復選擇ARQ效率相同，但由于只有失效的包被重發(fā)，可減少開銷。在快速ARQ結(jié)構(gòu)中，僅有1位序列號就夠了。3.ZigBee與Bluetooth 比較3.1 ZigBee與Bluetooth 主要特性對比3.2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

37、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(jié)構(gòu)，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。3.3安全性ZigBee采用

38、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

39、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(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(guān)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。

40、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(quán)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(quán)是強制性的，所有的藍牙設備均支持鑒權(quán)過程，而鏈路的加密則

41、是可選擇的。藍牙設備的鑒權(quán)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（BBPDU）傳輸而改變。加密密鑰可以從對設備鑒權(quán)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(quán)。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。3.4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2.4

42、GHz 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：2.4022.480GHz、868868.6MHz、902928MHz，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(shù)。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2.4022.480GHZ頻段，它采用了跳頻擴頻FHSS，在79個