三種無線通信協(xié)議綜述

石明明，魯周迅

（南京工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

0 引言

短距離無線通信技術(shù)不但使得電子設(shè)備擺脫了線纜的束縛，同時(shí)使得電子設(shè)備擁有了低能耗，組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)讓短距離無線通信技術(shù)得到了快速的發(fā)展。

總體說來，當(dāng)前流行的短距離無線通訊技術(shù)主要有：藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi。他們分別屬于IEEE802.15.1,802.15.4.，802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)將對(duì)三種短距離無線通訊技術(shù)從以下方面做出對(duì)比介紹：傳輸速率、能耗、安全、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。在最后將對(duì)三種通信技術(shù)特點(diǎn)做出總體概括。

1 無線協(xié)議

藍(lán)牙,ZigBee, Wi-Fi,事實(shí)上是三個(gè)技術(shù)聯(lián)盟組織。

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟由索尼愛立信、IBM、英特爾、諾基亞及東芝等業(yè)界龍頭于 1999年創(chuàng)立。并制定了藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其制定的標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)于IEEE802.15.1.

ZigBee技術(shù)聯(lián)盟成立于 2001年，聯(lián)盟的推動(dòng)者包括Ember、飛思卡爾、霍尼韋爾、華為、意法半導(dǎo)體、西門子以及TI等公司。其制定的標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)于IEEE802.15.4.

Wi-Fi 技術(shù)聯(lián)盟成立于 1999年，聯(lián)盟的發(fā)起成員有德州儀器、索尼、蘋果、摩托羅拉、諾基亞、英特爾、戴爾、思科以及微軟等公司。其制定的標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)于IEEE802.11.

美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）于1980年2月成立了局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（IEEE 802），專門從事局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化工作。IEEE802標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定了局域網(wǎng)和城域網(wǎng)的物理層和MAC層協(xié)議。即OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型的最低兩層（物理層和數(shù)據(jù)鏈路層）[1]。

圖1描述了這三種通信技術(shù)的關(guān)系。從圖中可以看到三種短距離通信技術(shù)都屬于局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（IEEE 802）。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)都屬于無線個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)注（WPAN，Wireless Personal Area Network Communication Technologies），Wi-Fi則屬于無線局域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（WLAN，Wireless Local Area Networks）。

藍(lán)牙（Bluetooth）的開發(fā)者目的是為了讓不同的電子產(chǎn)品，比如：手機(jī)、筆記本、打印機(jī)等之間進(jìn)行無線通信，它的突出特點(diǎn)是低耗電性和低成本性。ZigBee的開發(fā)目的是為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要的應(yīng)用是監(jiān)控。它的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸速度低、耗電低以及成本低。WI-FI旨在無線局域網(wǎng)(WLAN)。主要應(yīng)用是個(gè)人電腦。目的是取代布線麻煩的有線網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng)[2]。

圖1 三種協(xié)議的關(guān)系

2 協(xié)議的技術(shù)深入對(duì)比

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟2001年推出Bluetooth2.0版本，2009年藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟推出了Bluetooth3.0+HS版本，2010年7月7日藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)宣布正式采納藍(lán)牙 4.0核心規(guī)范。2004年ZigBee技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布了ZigBee 1.0，也稱作ZigBee 2004，隨后聯(lián)盟分別發(fā)布了 ZigBee 2006，ZigBee 2007，ZigBee PRO。1999年Wi-Fi技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布了802.11.b，隨后于2003年發(fā)布了802.11.g。事實(shí)上三家技術(shù)聯(lián)盟仍然在不斷地發(fā)展自己的技術(shù)，推出更新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（1）無線信道

三種通信技術(shù)都是使用工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用的頻帶（ISM，Industry-Science-Medical2.4～2.485 GHz）的頻帶，如表1所示。藍(lán)牙采用了FHSS（跳頻技術(shù)），將2.4～2.485 GHz頻帶劃分為 79個(gè) 1MHZ帶寬的信道，每秒跳變 1 600次；ZigBee用了DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，將2.4～2.485 GHz頻帶劃分為16個(gè)2 MHz帶寬的信道；Wi-Fi最新版IEEE802.11n所使用的OFDM正交頻率復(fù)用技術(shù)，將2.4～2.485 GHz劃分為14個(gè)帶寬為22 MHz的信道。

表1 協(xié)議技術(shù)特征對(duì)比

（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙支持星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)最大容量是8（1個(gè)主節(jié)點(diǎn)和7個(gè)從節(jié)點(diǎn)）。ZigBee支持星狀、網(wǎng)狀、以及樹狀拓?fù)涞榷喾N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)最大容量是 65 536個(gè)。Wi-Fi支持ESS結(jié)構(gòu)。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)容量是2 007個(gè)。

ZigBee支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最多，而且其支持的網(wǎng)絡(luò)容量也最大。這是因?yàn)閆igBee通信技術(shù)采用的擴(kuò)頻技術(shù)為DSSS直接序列擴(kuò)頻。DSSS 直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是將原來的訊號(hào)中的1或0，用10個(gè)以上的chips來代表。這樣使得原來較高功率、較窄的頻率變成具有較寬頻的低功率頻率。每個(gè) bit使用多少個(gè)chips稱做Spreading chips，較高的Spreading chips可以增加抗噪聲干擾，而一個(gè)較低 Spreading chips可以增加用戶的使用人數(shù)。相反 FHSS采用了較高的Spreading chips所以網(wǎng)絡(luò)容量小[3]。

（3）安全

這三種通信技術(shù)都采用了有效的數(shù)據(jù)加密和身份認(rèn)證機(jī)制。最新版本藍(lán)牙4.0采用了AES-128 CCM加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)包加密。ZigBee則采用了基于IEEE 802.1x認(rèn)證的CCMP加密技術(shù)，即以高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES，Advanced Encryption Standard）為核心算法，采用CBC-MAC加密模式來加密數(shù)據(jù)的技術(shù)。Wi-Fi采用的是WPA2（數(shù)據(jù)加密和身份認(rèn)真標(biāo)準(zhǔn)），WPA2不但擁有上述兩種技術(shù)的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，而且還大大加強(qiáng)了身份認(rèn)證機(jī)制，可以說 WPA2是三者中最有力的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）傳播時(shí)間

傳播時(shí)間取決于數(shù)據(jù)的傳播速度、信息量大小、節(jié)點(diǎn)的距離，方程如式（1）：

公式中Nd是數(shù)據(jù)的大小，NmP是最大有效數(shù)據(jù)載荷，Nod是數(shù)據(jù)頭包的大小，T bit是位數(shù)據(jù)傳播時(shí)間，Tprop是任何兩個(gè)設(shè)備之間的傳播時(shí)間。為簡(jiǎn)單起見，Tprop傳播時(shí)間是在這里忽略不計(jì)。表2顯示了三種通信技術(shù)的傳播時(shí)間。

表2 傳播時(shí)間對(duì)比

3 結(jié)語

通過對(duì)三種通信協(xié)議詳細(xì)對(duì)比，可以看到，三家技術(shù)聯(lián)盟出于商業(yè)應(yīng)用的考慮，制定了自己的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這樣一來三種通信技術(shù)具備了各自的特點(diǎn)。藍(lán)牙的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、成本低、功耗低、傳播速率高，缺點(diǎn)是傳播距離短、網(wǎng)絡(luò)容量小。所以它一般用于高速且節(jié)點(diǎn)少的WPAN中。Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是傳播速率最高、傳播距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)容量大，缺點(diǎn)是成本高、抗干擾能力一般、功耗大。然而Wi-Fi廠商開發(fā)了低功耗用的Wi-Fi模塊，這樣一來Wi-Fi技術(shù)不但可以用于筆記本和臺(tái)式機(jī)的無線上網(wǎng)，同時(shí)也能用于手機(jī)的無線上網(wǎng)。ZigBee的優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)容量大，功耗低，成本低、帶控制功能，缺點(diǎn)是傳輸速度慢。這對(duì)于需要無線監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)來說至關(guān)重要。

這里簡(jiǎn)要地?cái)⑹隽巳N通信協(xié)議的當(dāng)前技術(shù)特點(diǎn)。事實(shí)上三大技術(shù)聯(lián)盟仍然在不斷改進(jìn)自己的技術(shù)。Wi-Fi聯(lián)盟推進(jìn)“Wi-Fi Direct”技術(shù)的允許兩臺(tái)Wi-Fi設(shè)備之間進(jìn)行短距離高速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸，這對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)來說幾乎是致命的，同時(shí)其最新制定中的802.11ac和802.11ad標(biāo)準(zhǔn)，在保證傳輸距離不變的前提下，以 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)此，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟則采用最新了4.0標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)4.0版本不但加入了Wibree低功耗傳輸技術(shù)，同時(shí)加入了802.11物理層和MAC層，這樣一來4.0版本的藍(lán)牙就擁有了Wi-Fi的無線上網(wǎng)功能，并且大大降低了功耗?？梢灶A(yù)見Wi-Fi技術(shù)聯(lián)盟和藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的競(jìng)爭(zhēng)將越來越激烈。與此同時(shí)，隨著全球的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用發(fā)展，由德州儀器帶領(lǐng)的技術(shù)聯(lián)盟所開發(fā)的ZigBee芯片，擁有自己獨(dú)特的傳輸距離長(zhǎng)、功耗極低、控制能力突出的特點(diǎn)，一定也能得到大規(guī)模的應(yīng)用。

[1] John Kooker.Bluetooth, ZigBee, and Wibree.[EB/OL].(2008-07-03)[2010-01-02].http://johnkooker.com/blog/wp.../05/jkooker_BTZigBee Wibree.pdf.

[2] 胡鋼,朱佳期,陳世志.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇間節(jié)能路由算法[J].通信技術(shù),2009,42(11):135-137.

[3] 劉玉紅,周冬梅,邵軍花,等.Ad Hoc多播路由協(xié)議研究與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2010,43(01):137-139.