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ZigBee和藍牙分析與比較詳解

作者: 時間:2012-08-17 來源:網(wǎng)絡 收藏

 1 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/154116.htm

  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。聯(lián)盟在制定標準時,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。

  也是一種短距離無線通信技術,自規(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)調者(Coordinator)和最多可達65535個從屬設備。網(wǎng)絡協(xié)調者必須是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。

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