三种近距离技术ZigBee、蓝牙(Bluetooth)和WiFi、NFC、UWB介绍

ZigBee

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。

• 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。

蓝牙(Bluetooth)

• 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。
• 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。
• 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。

WiFi

• 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。
• 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。
• 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。

UWB：前途无量受困争战

UWB是一种无载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。UWB可在非常宽的带宽上传输信号，美国FCC对UWB的规定为：在3.1～10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。

• 由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输而在近年来得到迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄 带无线通信系统造成大的干扰，并可充分利用频谱资源。基于UWB技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途，从无线局域网到Ad hoc网络，从移动IP计算到集中式多媒体应用等。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度低，对信道衰落不敏感，低截获能力，定位精度高等优 点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网（WPAN）。
• UWB标准于 2005年确定，但其中显然不只是技术原因，以Intel与TI为代表的MBOA提案，以及以摩托罗拉与XSI为代表的DS-CDMA提案是两种技术特性 完全不同的方案，UWB标准只能二选其一。不过最近无线电制造商PulseLink对外宣布，它已经找到一种途径，允许基于不同技术的UWB系统共存。该 公司正准备向IEEE 802.15.3a任务组成员详细讲解它的公共信号协议（CSP），该协议使原本相互冲突的多种UWB物理层可以共存。PulseLink希望协调UWB 的发展步伐，同时回避相互竞争的UWB标准提案之间的分歧。
• 一些产业观察家赞同PulseLink的提议，认为这为采用不同的实体层创造了整合的机会，因而使UWB的创新态势得以延续。但另一方面，其它人质疑在缺 乏互通条件下共存没有什么价值，并认为这会产生鼓励开发多种PHY的负面效果。这最终会增加OEM厂商的负担，因为他们必须支持多种PHY。
• PulseLink声称不会偏袒已经提交给IEEE的任何一种UWB技术。802.15.3a小组曾试图为这种高速个域网技术定义一个物理层，但由于双方拒绝做出妥协，这项努力被迫搁浅。最坏的结果可能是两大阵营将定义各自的事实标准，而由市场决定存亡。

NFC有三种应用类型

• 设备连接。除了无线局域网，NFC也可以简化蓝牙连接。比如，诺基亚N-Gage的玩家们可以把N-Gage放在一定距离以内自动完成联机，而不必要通过 选择N-Gage菜单选项中的「Host」、「Join」来完成联机。手提电脑用户如果想在机场上网，他只需要走近一个Wi-Fi热点即可实现。
• 实时预定。飞利浦和诺基亚对于NFC的这种应用抱有非常乐观的态度。比如，海报或展览信息背后贴有特定芯片，利用含NFC协议的手机或PDA，便能取得详细信息，或是立即联机使用信用卡进行票卷购买。而且，这些芯片无需独立的能源。
• 移动商务。前面所描述的非接触智能卡在交易中的应用就是一个很好的例子，而且诺基亚已经在香港和奥兰多成功进行过类似的商业实验。
• NFC 具有很多技术优势，虽然NFC似乎是一项正在寻求实现的技术，但是它却是一个实实在在的问题解决者。例如，NFC可以让用户无需输入网址便可连接WAP站 点，从而解决了困扰无线上网的用户接口问题。在移动商业领域的兼容性方面，非接触性付款技术已经推动了商业的发展，尤其在亚洲的公共运输系统中得到了广泛 应用。此外，NFC和索尼的FeliCa支付系统、非接触性支付的ISO标准都是兼容的。
• 然而，NFC面临的挑战也不容回避，前面的家庭无线局域网的应用中，数码相机和个人计算机都默认为嵌入了NFC技术。飞利浦有能力生产并且销售这种基于 NFC的无线设备，但是这些设备都带有USB接口的解密器，用户必须把解密器插入USB接口中，这样一来，NFC的简单性就荡然无存了。此外，飞利浦生产 的网络电子设备都带有NFC技术，每个NFC芯片的成本至少是十美元，这也是一个令人头疼的问题。
• 从以上的分析来看：一方面，NFC技术可以刺激蓝牙、Wi-Fi等其它技术的发展；另一方面，NFC技术的最终实现也要依赖于这些技术。可见，NFC与其它无线技术之间是互相促进的关系。
• 总而言之，五种技术，各有所长，也各有所短，对于技术专家希望五种技术合而为一，实现无缝兼容的想法，在未来很长的一段时间内可能还只是一个美好的愿望。但是，无论如何标准林立的无线连接市场已不需要新加入者，我们所要做的是完善而非创新

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。
　　
　　
　　有一个普遍的观点是，凡是可以接入 220V 市电的智能设备，不需要考虑耗电问题，这时通过 WiFi 连接是最好的选择。但对于体积小、安装位置不固定的物联网设备来说，要想获得长久的续航时间，使用 WiFi 自然是不可行的，而且 WiFi 技术在安全性方面也有所欠缺，这可能会成为悬在智能家居头上的一把达摩克利斯之剑。
虽然从蓝牙 4.0 开始引入了低功耗蓝牙（BLE）的技术，但蓝牙也有很明显的短板：连接设备有限（理论上 7 个设备），不能自组网。对于一般的智能单品来说，蓝牙足够好了；但对于致力构建智能家居生态链（大量智能设备同时工作）的小米来说，蓝牙肯定是不够的。
而剩下的似乎只有 ZigBee 和 Z-Wave 协议可以选择了。
虽然 Z-Wave 具有结构简单，性能可靠的特点，但目前想获得 Z-Wave 芯片的授权还比较困难，更为关键的是 Z-Wave 所用频段（865.2MHz-956MHz）在我国是非民用的。所以对小米智能家庭套装来说，ZigBee 协议更适合国内使用的情况，选择 ZigBee 协议一定是经过深思熟也是必然的结果