三种无线通信协议综述

石明明，鲁周迅

（南京工业大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 211816）

0 引言

短距离无线通信技术不但使得电子设备摆脱了线缆的束缚，同时使得电子设备拥有了低能耗，组网灵活等特点。这些特点让短距离无线通信技术得到了快速的发展。

总体说来，当前流行的短距离无线通讯技术主要有：蓝牙、ZigBee、Wi-Fi。他们分别属于IEEE802.15.1,802.15.4.，802.11a/b/g标准。现将对三种短距离无线通讯技术从以下方面做出对比介绍：传输速率、能耗、安全、网络拓扑结构等。在最后将对三种通信技术特点做出总体概括。

1 无线协议

蓝牙,ZigBee, Wi-Fi,事实上是三个技术联盟组织。

蓝牙技术联盟由索尼爱立信、IBM、英特尔、诺基亚及东芝等业界龙头于 1999年创立。并制定了蓝牙技术标准。其制定的标准相应于IEEE802.15.1.

ZigBee技术联盟成立于 2001年，联盟的推动者包括Ember、飞思卡尔、霍尼韦尔、华为、意法半导体、西门子以及TI等公司。其制定的标准相应于IEEE802.15.4.

Wi-Fi 技术联盟成立于 1999年，联盟的发起成员有德州仪器、索尼、苹果、摩托罗拉、诺基亚、英特尔、戴尔、思科以及微软等公司。其制定的标准相应于IEEE802.11.

美国电气和电子工程师协会（IEEE）于1980年2月成立了局域网标准委员会（IEEE 802），专门从事局域网标准化工作。IEEE802标准委员会制定了局域网和城域网的物理层和MAC层协议。即OSI网络参考模型的最低两层（物理层和数据链路层）[1]。

图1描述了这三种通信技术的关系。从图中可以看到三种短距离通信技术都属于局域网标准委员会（IEEE 802）。ZigBee标准和蓝牙标准都属于无线个人局域网标注（WPAN，Wireless Personal Area Network Communication Technologies），Wi-Fi则属于无线局域网技术标准（WLAN，Wireless Local Area Networks）。

蓝牙（Bluetooth）的开发者目的是为了让不同的电子产品，比如：手机、笔记本、打印机等之间进行无线通信，它的突出特点是低耗电性和低成本性。ZigBee的开发目的是为了无线传感器网络，主要的应用是监控。它的特点是网络容量大、传输速度低、耗电低以及成本低。WI-FI旨在无线局域网(WLAN)。主要应用是个人电脑。目的是取代布线麻烦的有线网络，以实现无线上网[2]。

图1 三种协议的关系

2 协议的技术深入对比

蓝牙技术联盟2001年推出Bluetooth2.0版本，2009年蓝牙技术联盟推出了Bluetooth3.0+HS版本，2010年7月7日蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)宣布正式采纳蓝牙 4.0核心规范。2004年ZigBee技术联盟发布了ZigBee 1.0，也称作ZigBee 2004，随后联盟分别发布了 ZigBee 2006，ZigBee 2007，ZigBee PRO。1999年Wi-Fi技术联盟发布了802.11.b，随后于2003年发布了802.11.g。事实上三家技术联盟仍然在不断地发展自己的技术，推出更新的技术标准。

（1）无线信道

三种通信技术都是使用工业、科学和医用的频带（ISM，Industry-Science-Medical2.4～2.485 GHz）的频带，如表1所示。蓝牙采用了FHSS（跳频技术），将2.4～2.485 GHz频带划分为 79个 1MHZ带宽的信道，每秒跳变 1 600次；ZigBee用了DSSS直接序列扩频技术，将2.4～2.485 GHz频带划分为16个2 MHz带宽的信道；Wi-Fi最新版IEEE802.11n所使用的OFDM正交频率复用技术，将2.4～2.485 GHz划分为14个带宽为22 MHz的信道。

表1 协议技术特征对比

（2）网络结构

蓝牙支持星状网络拓扑结构，单个网络最大容量是8（1个主节点和7个从节点）。ZigBee支持星状、网状、以及树状拓扑等多种拓扑结构，单个网络最大容量是 65 536个。Wi-Fi支持ESS结构。Wi-Fi网络容量是2 007个。

ZigBee支持的网络拓扑结构最多，而且其支持的网络容量也最大。这是因为ZigBee通信技术采用的扩频技术为DSSS直接序列扩频。DSSS 直接序列扩频技术是将原来的讯号中的1或0，用10个以上的chips来代表。这样使得原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽频的低功率频率。每个 bit使用多少个chips称做Spreading chips，较高的Spreading chips可以增加抗噪声干扰，而一个较低 Spreading chips可以增加用户的使用人数。相反 FHSS采用了较高的Spreading chips所以网络容量小[3]。

（3）安全

这三种通信技术都采用了有效的数据加密和身份认证机制。最新版本蓝牙4.0采用了AES-128 CCM加密算法进行数据包加密。ZigBee则采用了基于IEEE 802.1x认证的CCMP加密技术，即以高级加密标准（AES，Advanced Encryption Standard）为核心算法，采用CBC-MAC加密模式来加密数据的技术。Wi-Fi采用的是WPA2（数据加密和身份认真标准），WPA2不但拥有上述两种技术的数据加密标准，而且还大大加强了身份认证机制，可以说 WPA2是三者中最有力的安全技术标准。

（4）传播时间

传播时间取决于数据的传播速度、信息量大小、节点的距离，方程如式（1）：

公式中Nd是数据的大小，NmP是最大有效数据载荷，Nod是数据头包的大小，T bit是位数据传播时间，Tprop是任何两个设备之间的传播时间。为简单起见，Tprop传播时间是在这里忽略不计。表2显示了三种通信技术的传播时间。

表2 传播时间对比

3 结语

通过对三种通信协议详细对比，可以看到，三家技术联盟出于商业应用的考虑，制定了自己的技术标准，这样一来三种通信技术具备了各自的特点。蓝牙的优点是抗干扰能力强、成本低、功耗低、传播速率高，缺点是传播距离短、网络容量小。所以它一般用于高速且节点少的WPAN中。Wi-Fi技术的优点是传播速率最高、传播距离远、网络容量大，缺点是成本高、抗干扰能力一般、功耗大。然而Wi-Fi厂商开发了低功耗用的Wi-Fi模块，这样一来Wi-Fi技术不但可以用于笔记本和台式机的无线上网，同时也能用于手机的无线上网。ZigBee的优点是网络容量大，功耗低，成本低、带控制功能，缺点是传输速度慢。这对于需要无线监控的物联网来说至关重要。

这里简要地叙述了三种通信协议的当前技术特点。事实上三大技术联盟仍然在不断改进自己的技术。Wi-Fi联盟推进“Wi-Fi Direct”技术的允许两台Wi-Fi设备之间进行短距离高速点对点传输，这对于蓝牙技术来说几乎是致命的，同时其最新制定中的802.11ac和802.11ad标准，在保证传输距离不变的前提下，以 Gb/s的数据传输速率。对此，蓝牙技术联盟则采用最新了4.0标准，新标准4.0版本不但加入了Wibree低功耗传输技术，同时加入了802.11物理层和MAC层，这样一来4.0版本的蓝牙就拥有了Wi-Fi的无线上网功能，并且大大降低了功耗。可以预见Wi-Fi技术联盟和蓝牙技术联盟的竞争将越来越激烈。与此同时，随着全球的物联网应用发展，由德州仪器带领的技术联盟所开发的ZigBee芯片，拥有自己独特的传输距离长、功耗极低、控制能力突出的特点，一定也能得到大规模的应用。

[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] 胡钢,朱佳期,陈世志.无线传感器网络簇间节能路由算法[J].通信技术,2009,42(11):135-137.

[3] 刘玉红,周冬梅,邵军花,等.Ad Hoc多播路由协议研究与实现[J].通信技术,2010,43(01):137-139.