Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),本內(nèi)容首先介紹了Zigbee的基礎(chǔ)知識(shí)與技術(shù)要點(diǎn)，然后分析了Zigbee技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)、WIFI、Z-Wave等短距離通信技術(shù)的分析與比較。

一、Zigbee基礎(chǔ)知識(shí)

Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術(shù)，主要用于近距離無線連接。

Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4(如下圖1所示)，這是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(Personal Area Network，PAN)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE802.15.4(Zigbee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

Zigbee不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化(如下圖2所示)。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。Zigbee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。

Zigbee技術(shù)的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)部分:

數(shù)據(jù)傳輸速率低:只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應(yīng)用;

功耗低:在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是Zigbee的支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢(shì);

成本低:因?yàn)閆igbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。且Zigbee協(xié)議免收專利費(fèi)。

時(shí)延短:通常時(shí)延都在15毫秒至30毫秒之間;

安全:Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)可以靈活確定其安全屬性;

網(wǎng)絡(luò)容量大:每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備，也就是說，每個(gè)Zigbee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接;優(yōu)良的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?ZigBee具有星、樹和叢網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力。ZigBee設(shè)備實(shí)際上具有無線網(wǎng)路自愈能力,能簡(jiǎn)單地覆蓋廣闊圍;

有效范圍小:有效覆蓋范圍10～75米之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境;

工作頻段靈活:使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(美國(guó))，均為免執(zhí)照頻段。

更重要的是，預(yù)測(cè)未來6到7年內(nèi)，家庭用戶將占有Zigbee2/3的市場(chǎng)。在可以預(yù)期的將來，Zigbee無線傳感將切實(shí)改變你我的生活。

二、ZigBee上游芯片廠商

目前市場(chǎng)上ZigBee芯片提供商有：TI(Chipcon);Freescale;Ember;Jennic;Atmel;Integration;NEC;OkI;Renesas; 等9家。其中TI;Frescale;Ember;Jennic是市場(chǎng)上主導(dǎo)的供應(yīng)廠商，這四大廠商基本上壟斷了整個(gè)90%的市場(chǎng)份額。四大巨頭勢(shì)力都比較均衡，Jennic之前在整體實(shí)力和名氣上可能稍有欠缺，但自從被NXP收購(gòu)后，至少在行業(yè)影響力方面可以和其它三家的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手平分秋色了。

具體針對(duì)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，由于整個(gè)ZigBee產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)相比于歐美市場(chǎng)有比較明顯的差距，缺少上規(guī)模和有實(shí)質(zhì)用量的應(yīng)用，更多的還是停留在關(guān)注和學(xué)習(xí)階段。因此這四大巨頭在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額就體現(xiàn)出了一定的差異。從熟知度來說，應(yīng)該是TI序列的芯片名氣是最大的，國(guó)內(nèi)不少高校;研究所都是基于TI序列的芯片來研究學(xué)習(xí)ZigBee的，很多ZigBee開發(fā)板;開發(fā)套件也都是基于TI芯片的，這可能與TI公司是最先免費(fèi)提供自己ZigBee協(xié)議棧有一定的關(guān)系，降低了國(guó)內(nèi)用戶學(xué)習(xí)ZigBee技術(shù)的成本門檻。而像Frescale; Ember等公司由于一直還沒有免費(fèi)公布自己的ZigBee協(xié)議棧，其開發(fā)套件成本都在幾W人民幣，過高的學(xué)習(xí)費(fèi)用門檻，導(dǎo)致普通學(xué)生或者工程師用戶望塵莫及，因此在知名度方面要稍有遜色。但縱觀國(guó)內(nèi)ZigBee OEM客戶廠商，真正有一定規(guī)模應(yīng)用和影響力的廠商在選擇應(yīng)用芯片方案平臺(tái)時(shí)，TI并沒有體現(xiàn)出和知名度相匹配匹配的優(yōu)勢(shì)出來，四大巨頭之間的競(jìng)爭(zhēng)又趨于平衡。從國(guó)內(nèi)行情來分析，基于Frescal和Ember兩家公司方案在工業(yè)類的應(yīng)用偏多，而TI和jennic兩家的方案產(chǎn)品在消費(fèi)類產(chǎn)品中較常見。這不知道是否和芯片的內(nèi)在因素有一定的必然關(guān)系?值得我們后面繼續(xù)關(guān)注比較。

三、ZigBee同wifi、藍(lán)牙、Z-Wave這些短距離通信的分析與比較

1、Zigbee和Wi-Fi的干擾和共存

Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性比較

低速率、低功耗的Zigbee 有著特定的應(yīng)用空間，是Wi-Fi的有效補(bǔ)充，兩者的主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性

干擾分析

背景

Zigbee 工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，定義了兩個(gè)物理層，即2.4 GHz頻段和868/915MHz 頻段物理層，而868MHz 和915 MHz 的ISM 頻段分別只在歐洲和北美有，所以其主要工作于全球范圍內(nèi)免許可證的2.4 GHz 的ISM 頻段。必然會(huì)與工作在該頻段的Wi-Fi 產(chǎn)生相互干擾。

Zigbee 的底層標(biāo)準(zhǔn)把2.4 GHz 的ISM頻段劃分為16 個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為2 MHz，如圖1 所示。Wi-Fi 將該頻段劃分為11 個(gè)直擴(kuò)信道，系統(tǒng)可選定其中任一信道進(jìn)行通信，信道帶寬為22 MHz，所以11 個(gè)信道有重疊，無重疊的信道最多只有3 個(gè)，如圖2 和圖3 所示。顯而易見，假定Wi-Fi 系統(tǒng)工作在任一信道，則Zigbee 和其信道頻率重疊的概率為1/4.當(dāng)Zigbee 和Wi-Fi 同時(shí)使用相同頻段通信時(shí)，產(chǎn)生帶內(nèi)有色噪聲干擾，導(dǎo)致傳輸分組沖突。

Zigbee 對(duì)Wi-Fi 的干擾分析

本節(jié)將分析在頻偏為零的同信道條件下Zigbee 對(duì)Wi-Fi的干擾。假設(shè)一室內(nèi)環(huán)境下的Zigbee 和Wi-Fi 設(shè)備節(jié)點(diǎn)如圖4 分布。每個(gè)Zigbee 節(jié)點(diǎn)呈獨(dú)立一致性均勻分布，其處于活動(dòng)狀態(tài)的概率為P[A ]，分布密度為D.假設(shè)有個(gè)Zigbee 節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生對(duì)STA 有效的干擾，則分組沖突概率P[C]為m2：本文室內(nèi)路徑損耗選用對(duì)數(shù)距離模型：

其中：n- - 依賴于周圍環(huán)境，Xo- - 零均值的高斯分布隨機(jī)變量，d0- - 近地參考距離。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]和[6]，對(duì)于一個(gè)半徑為R 的覆蓋區(qū)，假設(shè)STA的SIR 的閾值為γ (如果Zigbee 節(jié)點(diǎn)要對(duì)STA 產(chǎn)生有效的干擾，使其SIR 必須小于γ )，則有效干擾區(qū)域的百分比為U(γ )(即對(duì)于STA的SIR低于γ的區(qū)域百分比)，如果在半徑范圍內(nèi)導(dǎo)致SIR低于閾值的概率為P[SIR《γ] ，則：

則對(duì)數(shù)正態(tài)分布變量SIR 的均值為：

其方差為δ。

針對(duì)上述模型做定性分析，由于Zigbee 底層協(xié)議IEEE802.15.4 中有著特殊的睡眠機(jī)制，節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)的概率一般小于1 %[4]，γ可取為10dBm[7]，AP 和Zigbee 的傳輸功率分別為14 dBm 和0 dBm。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，分組出錯(cuò)率的期望E[PER]=P[C] ，分組沖突概率越大，相應(yīng)的分組出錯(cuò)率也越大。從圖5 可以看出，隨AP和STA 的距離d以及δ的增大，系統(tǒng)的性能越差。

2、ZigBee和藍(lán)牙分析與比較詳解

藍(lán)牙也是一種短距離無線通信技術(shù)，自藍(lán)牙規(guī)范發(fā)布以采，它在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。比如工業(yè)自動(dòng)控制、家庭自動(dòng)化、電信級(jí)的音頻傳輸、PDA、手機(jī)和PC機(jī)外設(shè)等。

在ZigBee和藍(lán)牙的關(guān)系上，ZigBee聯(lián)盟認(rèn)為ZigBee和藍(lán)牙是互為補(bǔ)充，而不是互相競(jìng)爭(zhēng)。本文將圍繞技術(shù)和市場(chǎng)兩個(gè)方面來分析ZigBee和藍(lán)牙這兩種短距離無線通信技術(shù)，證明藍(lán)牙將在某些應(yīng)用方面面臨ZigBee技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。最后，對(duì)ZigBee和藍(lán)牙的應(yīng)用和發(fā)展提出了建議。

系統(tǒng)復(fù)雜性

ZigBee的系統(tǒng)復(fù)雜性要遠(yuǎn)小于藍(lán)牙的系統(tǒng)復(fù)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(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，需要的系統(tǒng)資源也較少，據(jù)估計(jì)運(yùn)行ZigBee需要系統(tǒng)資源約28Kb;藍(lán)牙協(xié)議棧相對(duì)復(fù)雜，它需要系統(tǒng)資源約為250Kb。ZigBee定義了兩種類型的設(shè)備：全功能設(shè)備FFD(Ful Functional Device)和簡(jiǎn)化功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device)。網(wǎng)絡(luò)為主從結(jié)構(gòu)， 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者(Coordinator)和最多可達(dá)65535個(gè)從屬設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者必須是FFD，它負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，包括路由、安全性、節(jié)點(diǎn)的附著與離開等。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，其他終端設(shè)備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價(jià)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(luò)的整體成本比較低。從這一點(diǎn)來說，ZigBee非常適合有大量終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，如傳感網(wǎng)絡(luò)、樓宇自動(dòng)化等。安全性

ZigBee采用了分級(jí)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(chǎng)景，可以選擇級(jí)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(yīng)用場(chǎng)景(如軍事)，可以選擇較高的安全級(jí)別。這樣，

廠商可以綜合考慮功耗、系統(tǒng)處理能力、成本和應(yīng)用環(huán)境等方面因素而采取適當(dāng)?shù)陌踩?jí)別。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(dá)目的地時(shí)，ZigBee只用MAC層提供的安全機(jī)制;當(dāng)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(jì)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