ZigBee与蓝牙的比较研究

1、ZigBee与蓝牙的比较研究组员学号陈秋阳3212010032尹传豪3212010014张建3212010036摘 要 ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。在楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间。而在ZigBee出现之前，蓝牙技术毫无疑问是无线通信领域的领导者。本文将先对两种技术进行介绍。然后在条件允许的情况下，设计一些简单的实验，更直

2、观地对两种技术进行比较。最后再通过对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有互相竞争。蓝牙将不得不面临极低功耗，极低成本的ZigBee的竞争。关键字： ZigBee；蓝牙；短距离无线通信引言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IEEE

3、802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。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，自蓝牙规范发布以采，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

4、蓝牙的应用和发展提出了建议。1. ZigBee1.1 ZigBee技术概述1.1.1 ZigBee技术介绍Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术就是ZigBee技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。 与移

5、动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。1.1.2 ZigBee技术的主要优点(1) 低功

6、耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。 (2) 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。 (3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如

7、工业控制场合等)应用。 (4) 网络容量大： 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。 (5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。 (6) 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。1.1.3

8、ZigBee技术的主要应用家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等 工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制 商业：智慧型标签等 公共场所：烟雾探测器等 农业控制：收集各种土壤信息和气候信息 医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。1.2 ZigBee技术分析1.2.1物理层 物理层提供的服务是由硬件和软件共同实现的，定义了物理无线信道(对于2.4GHz频段，有16个信道，编号为11-26)和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务(PLDE)和物理层管理服务(PLME)。通过该接口可以唤醒层管理服务功能，同时也负责维护与

9、物理层相关的一些管理对象的数据库(PIB)。物理层通过物理层数据服务接入点(PD-SAP)和物理层管理实服务接入点(PLME-SAP)与MAC层通信，PD-SAP支持在对等的MAC层实体间进行MAC协议数据单元传送，PLME-SAP则在MAC层管理实体之间提供管理命令的传送。物理层主要完成如下任务：1无线收发机的激活与关闭：2当前信道的能量检澳1(Energy Detect，ED)；3接受数据包的链路质量标识(LQI)；4为载波侦听多路访问冲突防止(CSMS-CA)提供空闲信道评估(CCA)：5工作信道选择；6数据发送和接收。信道能量检测为网络层提供信道选择依据，其值取值范围是0x00-0xF

10、F。它主要测量目标信道中接受信号的功率强度，链路质量标识为网络层或应用层提供接受数据帧无线信号的强度和质量信息。1.2.2MAC层与物理层类似，MAC层也包括管理实体(MLME)和数据实体(MLDE)。MAC层管理实体提供可以唤醒MAC层管理服务的服务接口，同时也维护一个与MAC层相关的管理对象数据库(MIB)。MAC层与物理层之间通过PLME-SAP和PD-SAP进行通信，通过MAC数据实体服务点(MLDE-SAP)和MAC层管理实体服务接入点(MLME-SAP)向业务相关子层提供MAC层数据和管理服务。另外，MAC层能支持多种LLC标准，通过业务相关会聚子层(SSCS)协议承载8022类型

11、的LLC标准。MAC层功能如下：1当节点为网络协调器时，产生信标(beacon)帧；2在信标帧之间进行同步；3支持个人区域网(PAN)的关联与解关联；4支持节点安全机制；5对信道接入使用CSMA-CA机制；6处理和维护有保证的时隙(GTS)机制；7在两个对等的MAC实体问提供可靠的链接。Zigbee中的MAC和物理层协议是网状网络的应用基础，高容错和低功耗的特点能保证网状网络所必须考虑基于拓扑控制和功率控制的网络白组特性。而且对于经典的隐藏终端和暴露终端问题、协议的接入公平性问题、服务质量问题等都有良好的解决。在网状网络中，MAC层的传输调度策略会影响数据包延迟、带宽等性能，影响网络层路由性能

12、，所以网络层必须感知MAC层性能的变化，才可以自适应的方式改变路由，改善网络性能。1.2.3网络层网络层对于Zigbee协议栈非常重要，每一个Zigbee节点都包含网络层，Zigbee网络层主要实现组建网络，为新加入网络访分配地址、路由发现、路由维护等。另外网络层还提供一些必要的函数，确保ZigBee的MAC层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口，这种结构使得网状网络的应用基本能够实现。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为网络数据服务实体(NLDE)和管理服务实体(NLME)。NLDE通过网络层数据服务实体服务接入点(NLME-SAP)提供数据传输服务，网

13、络层管理实体(NLME)通过网络层管理实体服务接入点(NLME-SAP)提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络信息庠(NIB)的维护和管理。1.2.4应用层ZigBee应用层由三个部分组成：应用子层(APS)、ZDO(包含ZDO管理平台)和制造商定义的应用对象(App Obj)。APS通过网络层和安全服务提供层与端口相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务，可以适配不同但兼容的节点，并且提供了这样的接口：在NWK层和APL层之间，从ZDO到供应商的应用对象的通用服务集。ZigBee中的应用框架(APL Framework)是为驻扎

14、在ZigBee节点中的应用对象提供活动的环境。最多可以定义240个相对独立的应用程序对象(ZDO)，任何个对象的端点编号从l到240，端点号0固定用于ZDO数据接口，应用程序可以通过这个端点与ZigBee协议栈的其它层通信：另外个端点255固定用于所有应用对象广播数据的数据接口功能。端点241-254保留(给为了扩展使用)，用户不能使用。1.2.5 zigbee网络拓扑结构Zigbee网络只支持2种物理设备；全功能设备(FFDFull Function Device)和精简功能设备(RFD，Reduced FunctionDevice)，其中FFD设备可提供全部的MAC服务，可充当任何Zigb

15、ee节点，不仅可阻发送和接收数据，还具备路由功能，因此可以接收子节点；而RFD设备只提供部分的MAC服务，只能充当终端节点，不能充当协调器和路由节点，它只负责将采集的数据信息发送给协调器和路由节点，并不具备路由功能，因此不能接收子节点，并且RFD之间的通信必须通过FFD才能完成。另外，RFD仅需要使用较小的存储空间，这样就可以非常容易的组建一个低成本和低功耗的无线通信网络。Zigbee标准在此基础上定义了三种节点：Zigbee协调点(Coordinator)、路由节点(Router)和终端节点(EndDevice)。Zigbee协议标准中定义了三种网络拓扑形式，分别为星形拓扑、树形拓扑和网状拓

16、扑。星形网络是三种拓扑结构中最简单的，因为星形网络没用到Zigbee协议栈，只要用802.15.4的层就可以实现。网络由一个协调器和一系列的FFDRFD构成，节点之间的数据传输都要通过协调器转发。节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，没有可选择的路径，假如发生链路中断时，那么发生链路中断的节点之间的数据通信也将中断，此外协调器很可能成为整个网络的瓶颈。在树形网络中，FFD节点都可以包含自己的子节点，而RFD则不行，只能作为FFD的子节点，在树形拓扑结构中，每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通信，也就是说，当从一个节点向另一个节点发送数据时，信息将沿着树的路径向上传递到最近的协调器节点然后

17、再向下传递到目标节点。这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道，信息的路由过程完成是由网络层处理，对于应用层是完全透明的。网状网络除了允许父节点和子节点之间的通信，也允许通信范围之内具有路由能力的非父子关系的邻居节点之问进行通信，它是树形网络基础上实现的，与树形网络不同的是，网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护，并且具有强大的自组织、自愈功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模。该拓扑结构的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间的开销。2. 蓝牙（Bluetooth）技

18、术2.1蓝牙技术概述2.1.1蓝牙技术介绍蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，

19、它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mb/s。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。 使用IEEE802.15协议。2.1.2蓝牙技术的优点（1）全球可用Bluetooth 无线技术规格供我们全球的成员公司免费使用。许多行业的制造商都积极地在其产品中实施此技术，以减少使用零乱的电线，实现无缝连接、流传输立体声，传输数据或进行语音通信。Bluetooth 技术在 2.4 GHz 波段运行，该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、医学 (ISM) 无线电波段。正因如此，使用

20、 Bluetooth 技术不需要支付任何费用。但您必须向手机提供商注册使用 GSM 或 CDMA，除了设备费用外，您不需要为使用 Bluetooth 技术再支付任何费用。 (2)设备范围Bluetooth 技术得到了空前广泛的应用，集成该技术的产品从手机、汽车到医疗设备，使用该技术的用户从消费者、工业市场到企业等等，不一而足。低功耗，小体积以及低成本的芯片解决方案使得 Bluetooth 技术甚至可以应用于极微小的设备中。请在 Bluetooth 产品目录和组件产品列表中查看我们的成员提供的各类产品大全。 (3)易于使用Bluetooth 技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，且易于安装

21、和设置。您不需要电缆即可实现连接。新用户使用亦不费力 您只需拥有 Bluetooth 品牌产品，检查可用的配置文件，将其连接至使用同一配置文件的另一 Bluetooth 设备即可。后续的 PIN 码流程就如同您在 ATM 机器上操作一样简单。外出时，您可以随身带上您的个人局域网(PAN)，甚至可以与其它网络连接。 (4)全球通用的规格Bluetooth 无线技术是当今市场上支持范围最广泛，功能最丰富且安全的无线标准。全球范围内的资格认证程序可以测试成员的产品是否符合标准。自 1999 年发布 Bluetooth 规格以来，总共有超过 4000 家公司成为 Bluetooth 特别兴趣小组 (S

22、IG) 的成员。同时，市场上 Bluetooth 产品的数量也成倍的迅速增长。产品数量已连续四年成倍增长，安装的基站数量在 2005 年底也可能达到 5 亿个。2.1.3蓝牙技术的应用(1)居家通过使用 Bluetooth 技术产品，人们可以免除居家办公电缆缠绕的苦恼。鼠标、键盘、打印机、膝上型计算机、耳机和扬声器等均可以在 PC 环境中无线使用，这不但增加了办公区域的美感，还为室内装饰提供了更多创意和自由。 (2)工作通过 Bluetooth 无线技术，办公室里再也看不到凌乱的电线，整个办公室也像一台机器一样有条不紊地高效运作。PDA 可与计算机同步以共享日历和联系人列表，外围设备可直接与计

23、算机通信，员工可通过 Bluetooth 耳机在整个办公室内行走时接听电话，所有这些都无需电线连接。(3)娱乐玩游戏、听音乐、结交新朋、与朋友共享照片 越来越多的消费者希望能够方便即时地享受各种娱乐活动，而又不想再忍受电线的束缚。Bluetooth 无线技术是唯一一种能够真正实现无线娱乐的技术。内置了 Bluetooth 技术的游戏设备，让您能够在任何地方与朋友展开游戏竞技 在地下通道、在飞机场或在起居室中。由于不需任何电线，玩家能够轻松地发现对方 甚至可以匿名查找 然后开始令人愉快的游戏。2.2蓝牙技术分析2.2.1蓝牙系统的构成蓝牙硬件结构有：无线层（频率合成、bit到符号的转换和过滤，以

24、及符号的收发操作;）、基带层（编码/解码、加密/解密、分组处理和跳频频率的生成和选择）、链路管理器层（链接的建立和链路的管理）、SOC模块（蓝牙基带核心模块、微处理器模块、 HCI模块、语音处理模块和一些可选的测试模块）、RF模块（锁相环(PLL)、发送模块和接收模块组成。发送和接收部分可以共享PLL，数据发送和接收在不同的时隙进行。根据给定的时间，PLL可在不同的载波频率上跳变）。蓝牙系统的功能单元一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。（1）天线单元蓝牙的天线部分体积十分小巧、重量轻，属于微带天线。蓝牙空中接口建立在0dbm(1m

25、W)地基础上，最大可达20dbm（100mW），遵循FCC(美国联邦通信委员会)有关电平为0dbm 地ISM频段地标准。（2）链路控制（硬件）单元目前蓝牙产品的链路控制硬件单元包括3个集成芯片：连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器，此外还使用了35 个单独调谐元件。基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。蓝牙基带协议是电路交换与分组交换地结合。采用时分双工实现全双工传输。（3）链路管理（软件）单元链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。LM能够发现其他远端LM并通过LMP（链路管理协议）与之通信。（4）软件（协议栈）单元 蓝牙规范接口

26、可以直接集成到笔记本电脑或者通过PC卡或USB接口连接，或者直接集成到蜂窝电话中或通过附加设备连接。蓝牙的软件（协议栈）是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑，它符合已经制定好的蓝牙规范。适用于集中不同商用操作系统（Windows,unix,Pocket Pc等）地蓝牙规范正在完善中。2.2.2蓝牙技术原理蓝牙技术是一种短距离无线电通信技术标准 ,它工作在 214GHz频段、数据速为 1Mbit ,使用扩频和跳频技术 ,即使在噪声环境中也可以正常地工作 ,其通信范围约 10米。蓝牙技术使用了一个极小的模块 ,它内含无线电收发装置 ,将其分别装在信息处理设备、家用电器，移动电话中 ,就能自动

27、通过智能模式互通 ,自动同步交换高速数据信息。4它应该首先将自家的各种电器组成一个网络 ,便于主人使用 ;当然也会进入电话网、互联网,与外界沟通。蓝牙主要采用以下核心技术 : （1）跳频技术蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mbs。 ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保键路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一

28、定的规律，技术上叫做“伪随机码”，就是“假”的随机码）不断地从一个信道“跳”到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其它的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳额的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能造成的影响变得很小。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。(2)微微网和分散网 当两个蓝牙设备成功建立链路后，一个微微网便形成了，两者之间的通信通过无线电波在79个信道中随机跳转而完成。微微网信道由一主单元标识（提供跳频序列）和系统时钟（提供跳频相位）来定义，其它为从单元。每一蓝牙无线系统有一本地时钟

29、，没有通常的定时参考。当一微微网建立后，从单元进行时钟补偿，使之与主单元同步，微微网释放后，补偿亦取消，但可存储起来以便再用。一条普通的微微网信道的单元数量为8（1主7从），可保证单元间有效寻址和大容量通信。实际上，一个微微网中互联设备的数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8个，其中1个为主，7个为从。蓝牙系统建立在对等通信基础上，主从任务仅在微微网生存期内有效，当微微网取消后，主从任务随即取消。每一单元皆可为主/从单元，可定义建立微微网的单元为主单元。除定义微微网外，主单元还控制微微网的信息流量，并管理接入。蓝牙给每个微微网提供特定的跳转模式，因此它允许大量的微微网同时存在，同一区域内

30、多个微微网的互联形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。蓝牙系统可优化到在同一区域中有数十个微微网运行，而没有明显的性能下降。蓝牙时隙连接采用基于包的通信，使不同微微网可互联。欲连接单元可加入到不同微微网中，但因无线信号只能调制到单一跳频载波上，任一时刻单元只能在一微微网中通信。通过调整微微网信道参数（即主单元标志和主单元时钟），单元可从一微微网跳到另一微微网中，并可改变任务。例如某一时刻在微微网中的主单元，另一时刻在另一微微网中为从单元。由于主单元参数标示了微微网信道的跳转模式，因此一单元不可能在不同的微微网中都为主单元。跳频选择机制应设计成允许微微网间可相互通

31、信，通过改变标志和时钟输入到选择机制，新微微网可立即选择新的跳频。为了使不同微微网间的跳频可行，数据流体系中没有保护时间，以防止不同微微网的时隙差异。在蓝牙系统中，引入了保留（HOLD）模式，允许一单元暂时离开一微微网而访问另一微微网。(3)时分多址（TDMA）的调制技术在1.0版本的技术标准中，蓝牙的基带比特速率为1Mb/s，采用TDD方案来实现全双工传输，因此蓝牙的一个基带帧包括两个分组，首先是发送分组，然后是接收分组。蓝牙系统既支持电路交换也支持分组交换，支持实时的同步定向联接（SCO）和非实时的异步不定向联接（ACL）。SCO链路是微微网中单一主单元和单一从单元之间的一种点对点对称的链

32、路。主单元采用按照规定间隔预留时隙（电路交换类型）的方式可以维护SCO链路。主单元可以支持多达三条并发SCO链路，而从单元则可以支持两条或者三条SCO链路，SCO链路上的数据包不会重新传送。SCO链路主要用于64 kB/s的语音传输。ACL链路是微微网内主单元和全部从单元之间点对多点链路。在没有为SCO链路预留时隙的情况下，主单元可以对任意从单元在某一时隙的基础上建立ACL链路，其中也包括了从单元已经使用某条SCO链路的情况（分组交换类型）。对大多数ACL数据包来说都可以应用数据包重传。ACL链路主要以数据为主，可在任意时隙传输。(4)编址技术蓝牙有4种基本类型的设备地址：BD_ADDER:B

33、D_ADDER是一个48位长地址，该地址符合IEEE802标识符，可划分为LAP（24位地址低端部分），UAP（8位地址高端部分）和NAP（16位无意义地址部分）三部分。AM_ADDER:AM_ADDER是三位长的活动成员地址，所有的0信息AM _ADDER都用于广播信息。AR_ADDER:AR_ADDER是访问请求地址，被暂停状态的从单元用地址来确定访问窗口内从单元主单元半时隙，通过它发送访问信息。 PM_ADDER:PM_ADDER是8位长的成员地址分配给处于暂停状态的从单元使用。任一蓝牙设备，都可以根据IEEE802标准得到一个唯一的48bit的BD_ADDER。它是一个公开的地址码，可

34、以通过人工或自动进行查询，在BD_ADDER的基础上，使用一些性能良好的算法获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码在全球的惟一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。(5)安全性 蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保 障，但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层的安全管理。在链路层中，蓝牙系统使用认证、加密和密钥管理等功能进行安全控制。在应用层中，用户可以使用个人标 识码（PIN）来进行单双向认证。(6)纠错技术 蓝牙系统的纠错机制分为FEC和包重发。FEC支持1/3率和2/3率FEC码。1/3

35、率仅用3位重复编码，大部分在接收端判决，既可用于数据 包，也可用于SCO连接的包负载。2/3率码使用一种缩短的汉明码，误码捕捉用于解码，它既可用于SCO连接的同步包负载，也可用于ACL连接的异步包 负载。在ACL连接中，可用ARQ结构。在这种结构中，若接收方没有响应，则发端将包重发。每一负载包含有一CRC，用来检测误码。 为了减少复杂性，使开销和无效重发为最小，蓝牙执行快ARQ结构：发送端在TX时隙重发包，在RX时隙提示包接收情况。若加入2/3率FEC 码，将得到I类混合ARQ结构的结果。由于处理时间短，当包接收时，解码选择在空闲时间进行，并要简化FEC编码结构，以加快处理速度。快速ARQ结构

36、与停止等待ARQ结构相似，但时延最小，实际上没有由ARQ 结构引起的附加时延。该结构比向后N个ARQ更有效，并与重复选择ARQ效率相同，但由于只有失效的包被重发，可减少开销。在快速ARQ结构中，仅有1位序列号就够了。3.ZigBee与Bluetooth 比较3.1 ZigBee与Bluetooth 主要特性对比3.2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

37、两种类型的设备：全功能设备FFD（Ful Functional Device）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65535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。3.3安全性ZigBee采用

38、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。ZlgBee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

39、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（OW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。

40、密钥的建立、安全操作模式的选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，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

41、是可选择的。蓝牙设备的鉴权过程是基于问询一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（BBPDU）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。3.4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2.4

42、GHz ISM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：2.4022.480GHz、868868.6MHz、902928MHz，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。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。ZlgBee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日寸，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2.4022.480GHZ频段，它采用了跳频扩频FHSS，在79个