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无线传感器网络ZigBee与Z-Wave的标准之争

  ZigBee与Z-Wave发展状况


  产业要得到大规模发展,标准化是前提。在信息产业里往往是标准引领技术和产业的发展。


  在无线传感器网络(WSN)领域中,目前主要有2个标准,ZigBee与Z-Wave。目前多数人看好的是ZigBee,毕竟ZigBee有国际标准IEEE 802.15.4为其技术根基,且目标市场较广、潜在需求用量较大。相对的,丹麦Zensys公司所提出的Z-Wave技术不仅没有国际标准为其依靠,应用上也仅止于家庭自动化,不似ZigBee能同时适用在工控、医疗、安全等多种领域。


  就技术标准而言Z-Wave已矮于ZigBee一截,而推广上,Z-Wave也一样居于弱势。Zensys极力避免他人认定Z-Wave是该公司专属自用的技术,一旦如此认定,势对Z-Wave的普及推广产生阻力,所以Zensys发起、成立了Z-Wave Alliance的联盟机构,期望以机构主导此标准的推广,让Z-Wave技术获得更广泛的采用。


  虽然Z-Wave Alliance已有100多家业者加入成会员,但仔细观察会员名单,却相当缺乏IT、通讯、消费性电子等3C领域的重量级业者来支持,相对的国际级的半导体业者几乎都支持及参与ZigBee,因此Z-Wave连业者阵容、机构气势等方面也一样不如ZigBee。


  不过,Z-Wave的气势低落是2006年1月以前的事,在此之后就风云突变,首先是通讯设备大厂思科(Cisco)宣布投资Zensys公司(Cisco虽投资与支持Z-Wave,但主要也是将Z-Wave技术用在家庭性的无线应用产品上,此方面属于Cisco旗下Linksys的业务范畴),并加入Z-Wave Alliance机构,之后在同年6月与 Intel的创投单位Intel Capital宣布投资Zensys,且一样加入Z-Wave Alliance,顿时Zensys、Z-Wave获得IT、通讯两大领域的重量级业者的力挺,气势大增。


  到了2007年1月,软件巨头Microsoft也呼应Z-Wave技术,在其.NET Micro Framework(简称:.NET MF)上加入对Z-Wave的支持,并宣布与Z-Wave Alliance中的会员业者Leviton、ControlThink等共同研发Z-Wave应用,再加上PC外围大厂Logitech(罗技)也推出使用Z-Wave技术的家庭遥控器,从这种种迹象来看,Z-Wave的发展并没有想象中的悲观,并且从单纯的家庭自动化应用,扩展延伸到数字家庭的领域中。


  此外,Z-Wave标准与Z-Wave功效技术等在近年来也持续进步中,许多技术细节与支持芯片也都有所强化、提升。


  Z-Wave技术更新


  过去,若对Z-Wave有所了解的读者,必然对Z-Wave的传输率表现感到印象深刻,不过这并非是强悍的深刻,反而是低落的深刻,Z-Wave的传输率仅有9.6kbps,虽然WSN本就不强调数据的传输速度、传输量,但也不至于过低,以ZigBee来相对比较,即便不去谈论2.4GHz频段的250kbps传输率,在915MHz频段上也至少有40kbps,或在868MHz频段上也还有20kbps,ZigBee的三种速率模式都没有低至9.6kbps。


  也许Z-Wave阵营已了解到此一弱处,并在之后进行强化改进,新的资料显示,Z-Wave除了原有的9.6kbps速率外,也另增一个可达40kbps速率的模式,以此拉近与ZigBee之间的差距,如此ZigBee除了在2.4GHz的250kbps速率胜过Z-Wave外,另两种模式与Z-Wave无太大差异。


  而且,Z-Wave提出的新速率能与原有9.6kbps速率的节点装置完全兼容互通,即是在同一个Z-Wave网络内能并存运用9.6kbps的节点与40kbps的节点,如此在布建的规划设计与延伸上可更便利。


  在使用频段方面,Z-Wave也与ZigBee差距不大,Z-Wave虽不像ZigBee能在2.4GHz频段使用,但也能在868MHz及908MHz(具体而言是868.42MHz及908.42MHz)的频段工作,且与ZigBee相同的,868MHz频段在欧洲地区运用,908MHz(ZigBee位于相近的915MHz)频段则是在美国地区运用。


  至于无线发送的调制,Z-Wave依旧是使用原有的GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)方式。相对的,ZigBee在868MHz与915MHz频段是使用BPSK(Binary Phase-Shift Keying)调制,而在2.5GHz频段是使用正交式QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying)调制


  欧洲与美国地区的差异


  若更进一步了解,可以发现Z-Wave技术与今日其它新推行的无线技术一样,经常遭遇到各地区电信法规的不同限制,而必须做出各种的因应与妥协。


  举例而言,Z-Wave在欧洲所使用的868MHz频段,在法规上有占空比不得大于百分之一的限制,也就是说:Z-Wave真正在进行无线信号发送的时间与没有在发送无线信号的时间,比例是1:99,若将时间刻度放大来解释,即是发送1秒钟的无线信号后,必须停止、闲置99秒,之后才能进行第二次发送,且发送时间一样只能持续一秒,接下来又是长达99秒的等待。很明显的,此项法规的限制也使Z-Wave不易提升其传输率。


  当然,在长达99秒的等待过程中,Z-Wave节点(或称:装置)可以进入休眠的省电状态,藉此来降低功耗、节省用电,此方面Z-Wave已能达0.1%的占空比,同样以时间刻度放大的角度来说明,若一样以100秒为一个周期单位,Z-Wave可以只工作0.1秒,其余99.9秒的时间都在休眠。


  虽然Z-Wave在欧洲的868MHz频段上有占空比的限制,但相对的在美国908MHz频段上就没有这项限制,所以理论上Z-Wave日后可以在908MHz频段上有更高的速率提升空间。


  不过,美国的908MHz频段却也有另一项缺点,即是对发送功率进行限制,其发送功率不得高于1毫瓦,相对的欧洲在这方面的规范反而较宽松,只要在25mW内都属合法使用,发送功率限制的结果也会连带限制Z-Wave的发送距离、无线覆盖率。至于ZigBee方面目前的最大发送功率也是在1mW(0dBm)内。


  二者间技术上的差异


  既然谈及发送距离,那么也必须比较Z-Wave与ZigBee间的发射差异,Z-Wave的发送距离为100英呎(约30公尺),且要达到如此距离必须在电波的传送路径上没有任何阻挡,然而这并不表示Z-Wave无法进行穿透性传输,Z-Wave的无线发送依旧可以穿墙收发,不过穿越阻隔物的代价是减损传输距离,目前Z-Wave阵营尚未公布穿透性传输表现的相关信息,只以不同的穿透材质而有不同的距离折损来说明。


  同样的,ZigBee方面也并未有完整具体的传输距离信息,仅有32英呎∼246英呎(10公尺∼75公尺)的概略描述,且一样表示必须依据实际发送的环境而定。


  Z-Wave与ZigBee之间除了传输速度、传输距离有别之外,在节点数目、拓朴型态、安全加密上也都各有不同。


  首先是节点数目,此方面Z-Wave并未有所改变,依旧是每个网络内最多232个节点,若想与更多节点联系,就必须使用跨网的桥接(Bridge)技术才行。


  至于ZigBee方面,ZigBee的节点寻址达16-bit,理论上可以达65,536个节点,此远远胜过Z-Wave,此外ZigBee还能选用更大范畴的64-bit寻址,如此节点数就不可限量。更进一步的,IETF已拟定让ZigBee与IPv6接轨整合的6loWPAN(全称为:IPv6 over Low power WPAN),ZigBee节点将可以广大Internet结合,这些方面Z-Wave都无法比拟。


  另外在连接拓朴方面,Z-Wave只有一种拓朴型态,即是网状(Mesh),而ZigBee除了也有网状拓朴外,也支持星状(Star)、丛集状(Cluster)等拓朴。值得注意的是,各节点除了自身所需的信号收发外,也会代为中继传递其它节点的信号,无论是自身需求的收发或转传其它节点的信号,该节点都会脱离休眠状态而进入运行状态,而经常扮演中继工作的节点将比其它节点更为忙碌,功耗也会较多,所以在实际布建时的设计规划上,也会尽量以非使用电池运行的装置来担任忙碌型中继的角色。


  至于安全加密方面,ZigBee使用128-bit的AES对称加密,而Z-Wave则是尚未有任何加密的设计,这其实不难想象,在Z-Wave最初只有9.6kbps的传输带宽下,若再进行加密性传输,则实质数据的传递量将会更少,因此不太可能在9.6kbps中再行加密,不过Z-Wave将速率提升至40kbps后,也应该开始考虑提供加密的措施。


  二者间在应用领域的差异


  平心而论,Z-Wave在订立之初就以家庭自动化应用为目标,而ZigBee则是追求更广泛应用为目标,两者各在最初指导思想就有不同的考虑,自然在规格上也有诸多落差,此实不能单就规格数据表现来论断。


  特别是Z-Wave获得Cisco、Intel、Microsoft等资通讯大厂的支持后,Z-Wave已从单纯的家庭自动化应用,开始扩展延伸到数字家庭领域,甚至是家庭自动化与数字家庭的接轨整合等,加上Z-Wave的各项技术仍在持续提升,从9.6kbps增进到40kbps可说是该阵营的一大鼓舞,同时也是给ZigBee更大的竞争


  此外,ZigBee原先期望也用于PC外围或消费性电子的游戏玩具中,但就目前来看,无论是PC所用的无线鼠标、无线键盘,还是Nintendo Wii的无线游戏控制器、Sony PlayStation 3的无线游戏控制器,都是使用蓝牙而非ZigBee,加上蓝牙芯片已多年大量量产,组件的量价均摊已达高度成熟,ZigBee当初设定以更低价格取代蓝牙在控制领域应用,此一构想的实现难度也日益增高。


  由此来看,现在最需要担心的反而不是规格表现偏弱的Z-Wave,反而是追求应用领域最大化的ZigBee,很有可能落入“样样通、样样松”的结果。 Z-Wave占据家庭(家庭自动化、数字家庭;Bluetooth拥有信息(无线键盘/鼠标)、通讯(无线耳机/话筒)、消费性电子(电玩控制器),或许最后最适合ZigBee的将会落在工控、医疗等领域。(资料来源于网络)

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