短距离无线通信ZigBee、蓝牙和WiFi详细分析

通信

  三种近距离技术ZigBee、蓝牙(Bluetooth)和WiFi介绍

为了满足人们对无线通信技术的需求，现对工作于2.4 GHz(ISM)频段常用的短距离无线通信中ZigBee、蓝牙(Bluetooth)、WiFi三者的技术优势、缺点及总的市场趋势做了详细分析
   目前常用的无线网络标准最流行的3个是ZigBee、蓝牙(Bluetooth)和WiFi。
　　1 Zigaee
　　1．1 ZigBee简介
　　Zigbee是IEEE 802．15．4协议的代名词，这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。
　　其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
　　
　　1．2 ZigBee技术优势及不足
　　ZigBee技术优势主要包括以下几个方面：

　　低功耗

　　两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间，然而Bluetooth仅能工作数周，WiFi只可工作数小时。

　　低成本

　　ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，且免收专利费。

　　可靠

　　采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

　　网络容量大

　　ZigBee具有大规模的组网能力，每个网络达60 000个节点。

　　安全保密

　　ZigBee提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件，并集成了IEEE 802.15.4的安全元素。

　　工作频段灵活

　　使用频段为2．4 GHz，868 MHz及915 MHz，均为免执照频段。

　　同时ZigBee也存在着一些不足：

　　传输范围小

　　在不使用功率放大器的前提下，ZigBee节点的有效传输范围一般为10～75 m，仅能覆盖普通的家庭和办公场所。

　　数据传输速率低

　　在2．4 GHz的频段也只有250 Kb/s，而且这只是链路上的速率，除掉帧头开销、信道竞争、应答和重传，真正能被应用所利用的速率可能不足100 Kb/s，并且这余下的速率也可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分。

　　时延不易确定

　　由于ZigBee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好地支持一些实时的业务，而且由于发送冲突和多跳，使得时延变成一个不易确定的因素。
　　1．3 ZigBee应用项目

　　近日获悉，赫立讯科技(北京)有限公司8年自主研发技术的ZigBee无线定位系统，已成功应用在最具“人情味”的北京地铁4号线大兴线隧道工程项目中。

　　本项目中“地铁隧道工程安全预警系统”共安装有：ZigBee工地安全基站21个和50张ZigBee人员识别卡。开创了以ZigBee物联网新技术为核心的“地铁隧道工程安全预警系统”，这是为工程和人员安全保驾护航的最新应用。
   2 蓝牙(Bluetooth)
　　2．1 蓝牙简介
　　蓝牙技术最初由爱立信创制。1999年5月20日，索尼爱立信、IBM、英特尔、诺基亚及东芝等业界龙头创立蓝牙特别兴趣组，制订蓝牙技术标准。1998年，爱立信公司希望无线通信技术能统一标准而取名“蓝牙”。

　　蓝牙(Bluetooth)技术致力于在10～100 m的空间内使所有支持该技术的移动或非移动设备可以方便地建立网络联系、进行话音和数据通信。
　　2．2 蓝牙发展趋势

　　蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group，SIG)日前宣布正式采纳蓝牙规格4．0版本，并启动对应的认证计划。在3．0+HS版本标准加入高速传输技术的基础上，4．0版本又加入了之前诺基亚力推的Wibree低功耗传输技术。

　　至此，蓝牙已经不是当初大家熟悉的只适用于WPAN的“蓝牙”了。而是集IEEE 802．15．1传统蓝牙，IEEE 802．11物理层和MAC层以及Wibree标准的“三合一”的蓝牙。
　　低功耗传输部分作为蓝牙4．0版本的重点，沿用了曾经的Wibree标准。采用简单的GFSK调制，拥有极低的运行和待机功耗，使用一粒纽扣电池甚至可连续工作数年之久。

　　毫无疑问，新的低功耗蓝牙将挑战诸如ZigBee、NFC等技术，低功耗蓝牙的网络拓扑相比ZigBee的星型拓扑简单得多，而传输距离又比NFC有很大优势，尽管是个后来者，但凭借其在手机和音频领域的领先地位，未来发展还是值得期待。
　　2．3 蓝牙4．0(Bluetooth)版本技术细节

　　数据传输

　　蓝牙低功耗技术支持很短的资料封包，其传输速度高达1 Mb／s。所有连接均采用先进的嗅探性次额定功能模式，以实现超低的负载循环。

　　延迟

　　蓝牙低功耗技术的联机建立仅需3 ms即可完成，同时能以应用程序迅速启动链接器，并以数毫秒的传输速度完成经认可的数据传递后并立即关闭连接。

　　稳定度

　　蓝牙低功耗技术使用24位的循环重复检环(CRC)，能确保所有封包在受干扰时的最大稳定度。

　　高度安全

　　使用CCM的AES-128完全加密，为数据封包提供高度加密性及认证度。

　　不可否认，蓝牙技术的缺点和优点一样明显：

　　数据传输瓶颈问题。高速跳频使得蓝牙传输安全性极高，同时也限制了蓝牙传输过程中数据包不可能太大，哪怕是在宣传的高保真蓝牙耳机中，它的高低频部分也是被严重压缩的。
　　2．4 蓝牙应用

　　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，为室内装饰提供了更多创意和自由(设想，将打印机放在壁橱里)。

　　此外，通过在移动设备和家用PC之间同步联系人和日历信息，用户可以随时随地存取最新的信息；通过无线立体声耳机收听从家庭音响或其他类似音频设备传送的流行音乐。
   3 WiFi
　　3．1 WiFi技术简介

　　WiFi(Wireless Fidelity，无线保真技术)即IEEE 802．11协议，是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接人的无线电信号。WiFi的第一个版本发表于1997年，其中定义了介质访问接入控制层(MAC层)和物理层。

　　规定了无线局域网的基本网络结构和基本传输介质，规范了物理层(PHY)和介质访问层(MAC)的特性。物理层采用红外、DSSS(直接序列扩频)或FSSS(调频扩频)技术。1999年又增加了IEEE 802．11a和IEEE 802．11g标准。其传输速率最高可达54 Mb／s。能够广泛支持数据、图像、语音和多媒体等业务。
　　3．2 WiFi技术优势

　　无线电波的覆盖范围广  蓝牙的电波覆盖范围很小，半径大约只有15 m，而WiFi的半径可达100 m，甚至可以覆盖整栋大楼。

　　WiFi的传输速度很快

　　最高可达54Mb／s，符合个人和社会信息化的需求。在网络覆盖范围内，允许用户在任何时间、任何地点访问网络，随时随地享受诸如网上证券、视频点播(VOD)、远程教育、远程医疗、视频会议、网络游戏等一系列宽带信息增值服务。并实现移动办公。

　　健康安全

　　IEEE 802．11规定的发射功率不可超过100 mW，实际发射功率约60～70 mW，而手机的发射功率约200 mW～1 W，手持式对讲机高达5 W。与后者相比，WiFi产品的辐射更小。

　　WiFi应用现在已经非常普遍

　　支持WiFi的电子产品越来越多，像手机、MP4、电脑等，基本上已经成为了主流标准配置。
　　3．3 WiFi发展趋势

　　不久前WiFi联盟提出了WiFi Direct标准，正式开始挑战蓝牙在WPAN领域的地位。WiFi在上网本、智能手机、电视机、机顶盒和其他设备中的采用率也不断上升，市场调查公司In-Stat预计，到2013年全球将交付2.16亿个采用WiFi互连的设备。

　　继蓝牙成为标配后，越来越多的手机开始具有WiFi功能。市场调查公司ABI Research的数据显示，目前的笔记本电脑中几乎都含有WiFi。到2010年年底，用于移动设备的“组合”芯片组的全球出货量预计将达到2．8亿套。

　　预测到2015年，这种芯片组的出货量将达到9．79亿套。ABIResearch研究分析师表示，手机是这种组合芯片组的主要市场，手机中应用的组合芯片组最常见的组合是WiFi+GPS。

　　近日，博通无线连接集团GPS业务组市场总监David Murray表示，与竞争对手相比，博通的解决方案有更多的优势——除了利用卫星信号，还通过WiFi和基站来进行辅助定位。值得一提的是，WiFi的加入让难以接收卫星信号的室内得以实现精确定位。
　　4 结语

　　提到WiFi与蓝牙的关系，人们往往首先想到的是竞争，尤其是在WiFi推出WiFi Direct技术，两者之间的火药味便更浓。然而，最近博通却带来一则消息，其推出的最新组合模块InConcert将WiFi与蓝牙集于一体，让两者的关系从对立走向了互补。

　　InConcert组合模块由BCM4313(单流IEEE 802．11n)和BCM2070(Bluetooth 3．0+HS)组成，将两种无线连接手段集于一体。据悉，已经有包括华硕和三星在内的5家OEM公司决定在其新型笔记本和上网本中采用该模块组合。

　　两种连接方式的集成将给用户带来更好的体验，用户在使用无线连接时，不必手动搜索以及选取连接方式，InConcert组合模块会自动完成该任务，在短距离情况下，可以通过蓝牙或者WiFi直连实现，无需网络覆盖；而如果距离稍长，可以通过WiFi无线网络进行。

　　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。文献分析比较了蓝牙和ZigBee的各项技术指标，说明将两者相结合具有较好的发展前景。文献研究了两者共存以及相互干扰的特性，证明两者互联工作的方案切实可行。