蓝牙,ZIGBEE,低功耗蓝牙比较及其在无线体域网中的实际应用

研究生课程考核试卷
科目：专业英语教师：
姓名：学号：
专业：生物医学工程类别：专业上课时间：2012年9月至20 12年10月
考生成绩：
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重庆大学研究生院制
目录
蓝牙技术、ZigBee技术和低能耗蓝牙技术的对比及其在无线体域网中的应用 (1)
第1章体域网、蓝牙技术、ZigBee技术和低能耗蓝牙技术的介绍2
1.1体域网 (2)
1.2 蓝牙（Bluetooth） (2)
1.3 ZigBee (3)
1.4 低能耗蓝牙技术（Bluetooth Low Energy） (4)
第2章蓝牙、ZigBee以及低能耗蓝牙的比较 (4)
2.1 拓扑结构 (4)
2.2 能耗和数据传输速率 (6)
2.3 错误校正 (6)
2.4 数据加密和身份验证 (7)
2.5调制方式 (8)
第3章结论及展望 (10)
参考文献 (12)
蓝牙技术、ZigBee技术和低能耗蓝牙技术的对比及其在无线体域网中的应用
摘要：近年来，医疗保健行业发展迅速，医疗设备通信，健康监测以及移动医疗信息传递发展最为迅速。

越来越多的医疗保健机构开始使用无线通信技术，它不但提高了医疗质量，而且有效地降低了医疗成本。

鉴于无线通信技术中蓝牙(Bluetooth)技术，ZigBee技术和低能耗蓝牙(Bluetooth Low Energy) 在人体传感器与医疗保健系统的无线互联中使用最为广泛以及它们对无线体域(WBAN:Wireless Body Aera Networks)发展的巨大推动作用，本文将对它们进行分析和比较。

最后，本文将对它们的安全性进行详细说明。

关键字：蓝牙(Bluetooth)，ZigBee,低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy),无线体域网。

Abstact: A rapid development of services and technologies in the field of health care has been witnessed in the last few years. The use of wireless technologies for medicaldevice communication, health monitoring (at hospitals or homes) and mobile healthcare information delivery is one of the most rapidly growing areas inhealth-IT research today. More and more healthcare organizations areembracing wireless technology, to reduce cost and at thesame time improve care. In this paper we present an analysis and anextensive comparison of radio communication technologies, namely Zigbee, Bluetooth and Bluetooth Low Energy, that have been proposed as likely candidates to provide wireless connectivity between body sensors and the health care system and consequent- ly to lead the development and extended deployment of Wireless Body Area Networks. After the description of their characteristics, we concentrate on the security that these technologies offer since security is extremely important for the sensitive health care clinical in-formation communicated and the protection of patients’ clinical information privacy.
keywords：Bluetooth,ZigBee,Bluetooth Low Energy,WANS.
第1章体域网、蓝牙技术、ZigBee技术和
低能耗蓝牙技术的介绍
1.1体域网
体域网（wireless body sensor network , WBSN）又可称为生物医疗传感器网络（biomedical sensor network）和无线体域传感网（wireless body area sensor network，WBASN或BAN）。

作为无线传感器网络（wireless sensor networks，WSN）的一个分支，是人体上的生理参数收集传感器或移植到人体内的生物传感器共同形成的一个无线网络，这些传感器节点能够采集身体重要的生理信号（如温度、血糖、血压等）、人体活动或动作信号以及人体所在环境信息，处理这些信号并将它们传输到身体外部附近的本地基站。

由于无线传感器网络集成了健康监测系统，远程医疗系统，因此它有着广泛的用途，包括程序诊断，慢性病防治，以及康复护理等。

同时它能够早期发现异常情况，防止严重后果的产生。

例如，WBAN可以通过测量的一个人的重要生理信号，在病人心脏病还没有发作时便提醒医院。

蓝牙（Bluetooth）和ZigBee是WBANs使用最为广泛的无线通信技术。

对于WBANs，低能耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)则是一种新生的具有很大潜力的无线通信方式。

这些技术的使用为传感器信息方便快捷的交换提供了可能，通过这些技术传感器可以将采集到的信号发送给监测装置，同样监测装置也可以将信号发送给传感器。

尽管它们都是无线通信方式，但它们在相关参数，例如价格，通信距离，功耗，数据传输速率，带宽和安全性仍然有着显著地差异。

1.2 蓝牙（Bluetooth）
“蓝牙”（Bluetooth）是一种开放的技术规范，IEEE 802.15.1规范对蓝牙技术的规范进行了详细叙述，它可在世界上的任何地方实现短距离的无线语音和数据通信。

在1994年，爱立信移动通信公司开始研究在移动电话及其附件之间实现低能耗、低成本无线接口的可行性。

随着项目的进展，爱立信公司意识到短距无线通信（Short Distance Wireless Communication）的应用前景无限广阔。

爱立信将这项新的无线通信技术命名为蓝牙（Bluetooth）。

蓝牙（Bluetooth）是一种支持设备短距离通信的无线电技术。

能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交
换。

利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

随着时间的推移，蓝牙规范也逐渐完善。

V1.1(1998年)为最早期版本，传输率约在748~810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。

V1.2具有748~810kb/s 的传输率，增加了抗干扰跳频功能。

V2.1(2004年)改善了装置配对流程，短距离的配对方面，具备了在两个支持蓝牙的手机之间互相进行配对与通讯传输的NFC（Near Field CoMMunication）机制。

具备更佳的省电效果。

V3.0(2009年)核心是“Generic Alternate MAC/PHY”(AMP)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。

传输速率更高，功耗更低。

V4.0(2010年):包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低能耗技术。

蓝牙 4.0的改进之处主要体现在三个方面，电池续航时间、节能和设备种类上。

有效传输距离也有所提升，为60M。

图1 蓝牙标准的发展历程
1.3 ZigBee
ZigBee是一种近距离、低复杂度、低能耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

IEEE802.15.4工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。

IEEE 802.15.4定义ZigBee为一个垂直集成的协议套件，它通过低能耗的链路层为设备提供了一个分布式的抽象概念。

这个环节的广泛的实用的定义为各种各样的应用
提供了可能，包括家庭自动化，商业楼宇自动化和智能能源以及医疗监护。

2006年12月，ZigBee2006规范发布。

随后，在2007年10月，ZigBee 2007/PRO规范发布。

蓝牙（Bluetooth）和Zigbee已经被应用在医疗保健系统WBAN中，为病人和独自在家的老人提供监测服务。

利用ZigBee的WBAN网络对身体活动的动态监测以及身体状态的检测已经得到了应用，利用蓝牙的WBAN精神卫生保健系统监测个人生理信号的提议也得到了认可。

1.4 低能耗蓝牙技术（Bluetooth Low Energy）
针对蓝牙技术的功耗在新型的应用领域方面的不足，早在2001 年，诺基亚就开始研究一种被称之为Wibree 的短距无线技术，并在2006 年10 月正式推出了该项技术Wibree使用与蓝牙相同的频带和硬件，但是发送功率较低，进行无线通讯的设备也较小。

Wibree技术作为一个开放的行业标准，低能耗蓝牙技术由它发展而来。

2010年7月，蓝牙技术联盟宣布正式采用蓝牙核心规格4.0版蓝牙低能耗技术的特点。

低能耗蓝牙可以用于手表等小型设备的互连，例如运动传感器、家庭自动化和医疗设备。

第2章蓝牙、ZigBee以及低能耗蓝牙的比较2.1 拓扑结构
蓝牙规范定义了一个统一的拓扑结构，大部分的设备都可以实现彼此的互联。

蓝牙最初使用点对点的微型网络，其中一个主机控制多个从机。

从机只有主机进行通信，它们之间不会进行任何通信。

从机可以参与一个或多个微型网络，但是最多只能参与8个。

图2显示了蓝牙的拓扑结构。

图2 蓝牙拓扑结构
ZigBee网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者和最多65532个终端设备，以及一个或多个路由器。

网络协调者必须是FFD(全功能设备)，它负责管理和维护网络，包括路由，安全性，节点的附着与离开等。

它有唯一的标志，通过这个标识，终端设备可以加入到网络中。

一个网络只需要一个网络协调者，其他设备可以是RFD（精简功能设备）,也可以是FFD。

RFD的价格要比FFD的价格便宜得多，其占用系统资源仅为4KB。

因此，网络的整体成本比较低。

从这一点来说，Zigbee非常适合有大量终端设备的网络，例如传感网络，楼与自动化等。

图3 ZigBee拓扑结构
低能耗蓝牙区别于蓝牙，在一个微型网络中，只有一个主机。

从机不使用一公共物理信道，它们通过各自的物理信道与主机进行通信。

一个中央设备可以决定一个或多个外围设备的运行安排中央设备被称作主设备，它可以和多个外围设备进行通信外围设备被称作从设备，它只能和一个主设备进行数据包的交换数据包是在链路层的连接中被交换的。

一个从设备一次只能有一个链路层的连接因此，一个链路层的连接只能包含一个主设备和一个从设备。

图4 低能耗蓝牙拓扑结构
2.2 能耗和数据传输速率
ZigBee相比蓝牙在功耗发面有了巨大的提高，充分显示了其低能耗的特点，相比蓝牙的100mw，它只需30mw。

频带为2.4GHz时，它的数据传输率为250kbps，需要16个信道。

频带为868MHz时，数据传输率为20kbps，需要1个信道。

频带为915MHz时，数据传输率为40kbps，需要10个信道，如图5所示。

图5 ZigBee的频带和数据传输率
蓝牙1.2实现了最大数据传输速率1.2 Mbps，蓝牙2.0即增强型蓝牙，它的最高传输速率高达3 Mbps 。

蓝牙3.0支持的理论数据传输速度最高可达24 Mbit / s。

低能耗蓝牙实现了双模式结构，重复使用了蓝牙的RF部分，保证了嵌入式系统与蓝牙的兼容性及其低能耗的性能。

低能耗蓝牙物理层传输速率为1 Mbps ，可实现链路距离为10米左右。

低能耗蓝牙功率消耗只有普通蓝牙的10％。

低能耗蓝牙通常处于休眠状态，我们仅需要在传输数据时将蓝牙唤醒，这样它就可以更好的节约能源和延长电池使用寿命。

2.3 错误校正
蓝牙，ZigBee和低能耗蓝牙使用CRC 校验（循环冗余校验）以防止通信渠道上的错误，CRC侦听错误的能力取决于它的校验长度。

蓝牙（Bluetooth）和ZigBee 利用一个16位的CRC码的错误在链路层控制，低能耗蓝牙提供了一个更高的24位的CRC校验用以侦听错误。

比特误码率被定义为一次传输过程中误码的个数占总的码元的比值。

误码率为10^-6意味着发送10^6个码元，其中会有1个发生错误。

但当误码率很低时，例如误码率处于10^-6—10^-8时，16位的CRC校验就很
难发现传输中的错误。

因此在医疗应用中，我们通常使用16位校验，相比24为校验它们之间并没有太大的差异。

2.4 数据加密和身份验证
由于无线通信的开放性，它很容易受到攻击，攻击者会拦截或获得传输的数据，从而侵犯参与者的隐私。

鉴于这种固有的特点，我们必须通过给加密通信信道，使得只有获得授权的实体才能取得传输数据。

蓝牙技术标准采用E0流算法来加密数据，鉴权过程是基于问询响应模式和共享的加密方式，由链路密钥或主单元密钥产生。

在蓝牙使用E0流算法加密时，将会产生一个最多128位的密钥。

这些密钥取决于蓝牙的PIN码，它们已经被写入了终端设备。

尽管蓝牙使用了128位的密钥，但还是很容易受到攻击。

蓝牙使用基于SAFER的派生密钥算法，即E21和E22用于链路层加密，作为消息认证码进行身份验证。

链路密钥分为临时性链路密钥和半永久性链路密钥。

临时链路密钥在当前会话结束后就不再用, 它由E22算法产生。

蓝牙安全通信中的初始密钥和主单元密钥都属于临时链路密钥;半永久性链路密钥在当前会话终止后仍可使用的链路密钥, 半永久性链路密钥由E21算法产生。

蓝牙安全通信中的单元密钥和组合密钥都属于半永久性密钥。

当前链路密钥是指正在使用的链路密钥, 它可以是临时性链路密钥,也可以是半永久性链路密钥。

标准对ZigBee的安全性进行了明确说明，要求使用128位密钥的和128位的块长度的AES （高级加密标准）算法。

AES可以有多种使用方式，每种方式都包括数据数据的完整性，数据的安全性，身份认证以及它们的组合功能。

ZigBee采用了分级的安全性策略：无安全性，接入控制表，32比特AES和128比特AES。

如果系统是用于安全性要求不高的场景，可以选择级别较低的安全措施，从而换取系统成本和功耗的降低；反之，在安全性要求较高的应用场景（如军事），可以选择较高的安全级别。

这样，厂商可以综合考虑功耗、系统处理能力、成本和应用环境等方面因素而采取适当的安全级别。

ZigBee分别在MAC层和NWK层采取了安全策略。

在数据经过一跳就到达目的地时，ZigBee只用MAC层提供的安全机制；当在多跳的情况下，ZigBee就要依赖高层来保证安全。

MAC层安全套件(Security Suites)基于以下三种操作模式：计数器(CTR，Counter)模式的
AES加密、密码块链接模式(CBC-MAC, Cipher Block Chaining）的数据完整性、CTR和CBC-MAC相结合的加密和完整性叫做CCM模式)。

IEEE 802.15.4标准要求设备可以支持CCM64模式。

ZIGBEE通过一个128位的密钥以及CCM模式的微小变化支持了AES的CCM模式，具有数据加密/解密，身份验证以及数据完整性功能。

类似于ZIGBEE的标准规范，低能耗蓝牙的数据也由AES工作在CCM模式下进行加密，在低能耗蓝牙中使用一个128位的永久密钥（LTK）来产生加密连接时的会话密钥。

每当永久密钥被分配一个64位的随机数（RAND），同时会产生一个16位的加密区分标识符(EDIV)。

随机数(RAND)和加密区分标识符(EDIV)用来在两个设备配对时识别永久密钥(LTK) ，并建立共享永久密钥以启动加密连接。

另一种128位的密钥，称为身份解决密钥(Identity Resolving Key), 它用于生成和解析通信双方，提供隐私随机IP地址。

低功耗蓝牙能够支持两个建立了信任关系的设备之间的通道能够发送未加密的认证数据。

这是通过数据签名与128位连接的签名解决密钥（CSRK ）。

值得注意的是，流密码相比块密码更容易实现，并且硬件实现的复杂性也不高，另外它也不会传播错误。

尽管ZigBee和低功耗蓝牙采用AES进行加密和验证，算法强度和安全性有了很大程度的提高。

但加密机制和蓝牙认证机制已被证明容易受到攻击，不但会破坏蓝牙通信整体安全性，并会泄露患者的隐私。

2.5调制方式
数字调制技术可以分为三组：幅移键控（ASK ），频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

数据传输速率和可达到的范围直接受到无线技术调制方案决定。

ZigBee 使用PSK调制方式，特别是BPSK 方式和OPSK方式。

蓝牙使用PSK，其中包括BPSK和OPSK 以及频移键控（GFSK）调制方式，而低能耗蓝牙则采用GFSK 调制方式。

频移键控是利用两个不同频率F1和F2的振荡源来代表信号1和0，用数字信号的1和0去控制两个独立的振荡源交替输出。

最小移频键控(MSK)是移频键控(FSK)的一种改进型。

在FSK方式中，相邻码元的频率不变或者跳变一个固定值。

在两个相邻的频率跳变的码元之间，其相位通常是不连续的。

相频键控用于某些调制解调器中的数据传输调制系统。

在最简单的方式中，调制前二进制信号发生器产生0和1信号序列，调制过程中用载波相位来表示二进制信号的1
和0。

PSK和FSK的性能是相似的，但是PSK发送信号时所需要的带宽显著小于FSK的带宽，另一方面FSK相比PSK更容易。

PSK拥有多种形式：它们甚至得到了更为广泛的使用，其中包括：二进制相移键控(BPSK)，差分相移键控(DPSK)，四相相移键控(QPSK) ，差分相移键控(DQPSK)和八进制相移键控（OPSK）。

在一定的带宽范围内，高阶调制形式允许更高的数据传输速率。

然而，高的数据传输速率要求高的信噪比，否则会导致高的误码率，而且会降低数据传输的速率。

第3章结论及展望
我们对蓝牙，Zigbee以及低能耗蓝牙和标准和性能特点进行了分析和比较。

表一对他们的优缺点进行了比较，表二对他们的相似性和差异进行了比较。

表1 蓝牙、ZigBee以及低能耗蓝牙的优缺点比较
表2 蓝牙、ZigBee以及低能耗蓝牙的性能比较
低能耗蓝牙既具备蓝牙的特点又具备Zigbee的特点，同时它也具有一些自身独有的的特点。

低能耗蓝牙规范对蓝牙规范和其他无线传输的缺点进行了改进，尤其在功耗，数据安全性，数据纠错，身份验证等方面都有了很大程度的改进，但是这些改进也减小了带宽，削弱了数据传输速率，但对于无线体域网10米的传输距离和1M的传输速度已经足够。

鉴于目前的发展形势，ZigBee会在医疗保健方面逐步替代蓝牙，低功耗蓝牙作为新兴的无线通信技术，有着巨大的发展潜力，相信在不久的将来它会取代ZiggBee，成为医疗保健行业的一颗新星。

参考文献
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