三種無線通信協議綜述

石明明，魯周迅

（南京工業大學 信息科學與工程學院，江蘇 南京 211816）

0 引言

短距離無線通信技術不但使得電子設備擺脫了線纜的束縛，同時使得電子設備擁有了低能耗，組網靈活等特點。這些特點讓短距離無線通信技術得到了快速的發展。

總體說來，當前流行的短距離無線通訊技術主要有：藍牙、ZigBee、Wi-Fi。他們分別屬于IEEE802.15.1,802.15.4.，802.11a/b/g標準。現將對三種短距離無線通訊技術從以下方面做出對比介紹：傳輸速率、能耗、安全、網絡拓撲結構等。在最后將對三種通信技術特點做出總體概括。

1 無線協議

藍牙,ZigBee, Wi-Fi,事實上是三個技術聯盟組織。

藍牙技術聯盟由索尼愛立信、IBM、英特爾、諾基亞及東芝等業界龍頭于 1999年創立。并制定了藍牙技術標準。其制定的標準相應于IEEE802.15.1.

ZigBee技術聯盟成立于 2001年，聯盟的推動者包括Ember、飛思卡爾、霍尼韋爾、華為、意法半導體、西門子以及TI等公司。其制定的標準相應于IEEE802.15.4.

Wi-Fi 技術聯盟成立于 1999年，聯盟的發起成員有德州儀器、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。其制定的標準相應于IEEE802.11.

美國電氣和電子工程師協會（IEEE）于1980年2月成立了局域網標準委員會（IEEE 802），專門從事局域網標準化工作。IEEE802標準委員會制定了局域網和城域網的物理層和MAC層協議。即OSI網絡參考模型的最低兩層（物理層和數據鏈路層）[1]。

圖1描述了這三種通信技術的關系。從圖中可以看到三種短距離通信技術都屬于局域網標準委員會（IEEE 802）。ZigBee標準和藍牙標準都屬于無線個人局域網標注（WPAN，Wireless Personal Area Network Communication Technologies），Wi-Fi則屬于無線局域網技術標準（WLAN，Wireless Local Area Networks）。

藍牙（Bluetooth）的開發者目的是為了讓不同的電子產品，比如：手機、筆記本、打印機等之間進行無線通信，它的突出特點是低耗電性和低成本性。ZigBee的開發目的是為了無線傳感器網絡，主要的應用是監控。它的特點是網絡容量大、傳輸速度低、耗電低以及成本低。WI-FI旨在無線局域網(WLAN)。主要應用是個人電腦。目的是取代布線麻煩的有線網絡，以實現無線上網[2]。

圖1 三種協議的關系

2 協議的技術深入對比

藍牙技術聯盟2001年推出Bluetooth2.0版本，2009年藍牙技術聯盟推出了Bluetooth3.0+HS版本，2010年7月7日藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)宣布正式采納藍牙 4.0核心規范。2004年ZigBee技術聯盟發布了ZigBee 1.0，也稱作ZigBee 2004，隨后聯盟分別發布了 ZigBee 2006，ZigBee 2007，ZigBee PRO。1999年Wi-Fi技術聯盟發布了802.11.b，隨后于2003年發布了802.11.g。事實上三家技術聯盟仍然在不斷地發展自己的技術，推出更新的技術標準。

（1）無線信道

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

表1 協議技術特征對比

（2）網絡結構

藍牙支持星狀網絡拓撲結構，單個網絡最大容量是8（1個主節點和7個從節點）。ZigBee支持星狀、網狀、以及樹狀拓撲等多種拓撲結構，單個網絡最大容量是 65 536個。Wi-Fi支持ESS結構。Wi-Fi網絡容量是2 007個。

ZigBee支持的網絡拓撲結構最多，而且其支持的網絡容量也最大。這是因為ZigBee通信技術采用的擴頻技術為DSSS直接序列擴頻。DSSS 直接序列擴頻技術是將原來的訊號中的1或0，用10個以上的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 bit使用多少個chips稱做Spreading chips，較高的Spreading chips可以增加抗噪聲干擾，而一個較低 Spreading chips可以增加用戶的使用人數。相反 FHSS采用了較高的Spreading chips所以網絡容量小[3]。

（3）安全

這三種通信技術都采用了有效的數據加密和身份認證機制。最新版本藍牙4.0采用了AES-128 CCM加密算法進行數據包加密。ZigBee則采用了基于IEEE 802.1x認證的CCMP加密技術，即以高級加密標準（AES，Advanced Encryption Standard）為核心算法，采用CBC-MAC加密模式來加密數據的技術。Wi-Fi采用的是WPA2（數據加密和身份認真標準），WPA2不但擁有上述兩種技術的數據加密標準，而且還大大加強了身份認證機制，可以說 WPA2是三者中最有力的安全技術標準。

（4）傳播時間

傳播時間取決于數據的傳播速度、信息量大小、節點的距離，方程如式（1）：

公式中Nd是數據的大小，NmP是最大有效數據載荷，Nod是數據頭包的大小，T bit是位數據傳播時間，Tprop是任何兩個設備之間的傳播時間。為簡單起見，Tprop傳播時間是在這里忽略不計。表2顯示了三種通信技術的傳播時間。

表2 傳播時間對比

3 結語

通過對三種通信協議詳細對比，可以看到，三家技術聯盟出于商業應用的考慮，制定了自己的技術標準，這樣一來三種通信技術具備了各自的特點。藍牙的優點是抗干擾能力強、成本低、功耗低、傳播速率高，缺點是傳播距離短、網絡容量小。所以它一般用于高速且節點少的WPAN中。Wi-Fi技術的優點是傳播速率最高、傳播距離遠、網絡容量大，缺點是成本高、抗干擾能力一般、功耗大。然而Wi-Fi廠商開發了低功耗用的Wi-Fi模塊，這樣一來Wi-Fi技術不但可以用于筆記本和臺式機的無線上網，同時也能用于手機的無線上網。ZigBee的優點是網絡容量大，功耗低，成本低、帶控制功能，缺點是傳輸速度慢。這對于需要無線監控的物聯網來說至關重要。

這里簡要地敘述了三種通信協議的當前技術特點。事實上三大技術聯盟仍然在不斷改進自己的技術。Wi-Fi聯盟推進“Wi-Fi Direct”技術的允許兩臺Wi-Fi設備之間進行短距離高速點對點傳輸，這對于藍牙技術來說幾乎是致命的，同時其最新制定中的802.11ac和802.11ad標準，在保證傳輸距離不變的前提下，以 Gb/s的數據傳輸速率。對此，藍牙技術聯盟則采用最新了4.0標準，新標準4.0版本不但加入了Wibree低功耗傳輸技術，同時加入了802.11物理層和MAC層，這樣一來4.0版本的藍牙就擁有了Wi-Fi的無線上網功能，并且大大降低了功耗。可以預見Wi-Fi技術聯盟和藍牙技術聯盟的競爭將越來越激烈。與此同時，隨著全球的物聯網應用發展，由德州儀器帶領的技術聯盟所開發的ZigBee芯片，擁有自己獨特的傳輸距離長、功耗極低、控制能力突出的特點，一定也能得到大規模的應用。

[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.無線傳感器網絡簇間節能路由算法[J].通信技術,2009,42(11):135-137.

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