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無線傳感器網絡標準之爭—ZigBee與Z-Wave比較分析

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一、ZigBeeZ-Wave發展狀況


無線傳感器網絡WSN領域中,多數人看好的是ZigBee,畢竟ZigBee有國際標準IEEE 802.15.4為其技術根基,且目標市場較廣、潛在需求用量較大。相對的,丹麥Zensys公司所提出的Z-Wave技術不僅沒有國際標準為其依靠,應用上也僅止于家庭自動化,不似ZigBee能同時適用在工控、醫療、安全等多種領域。


就技術標準而言Z-Wave已矮于ZigBee一截,而推廣上,Z-Wave也一樣居于弱勢。Zensys極力避免他人認定Z-Wave是該公司專屬自用的技術,一旦如此認定,勢對Z-Wave的普及推廣產生阻力,所以Zensys發起、成立了Z-Wave Alliance的聯盟機構,期望以機構主導此標準的推廣,讓Z-Wave技術獲得更廣泛的采用。


雖然Z-Wave Alliance已有100多家業者加入成會員,但仔細觀察會員名單,卻相當缺乏IT、通訊、消費性電子等3C領域的重量級業者來支持,相對的國際級的半導體業者幾乎都支持及參與ZigBee,因此Z-Wave連業者陣容、機構氣勢等方面也一樣不如ZigBee


不過,Z-Wave的氣勢低落是20061月以前的事,在此之后就風云突變,首先是通訊設備大廠思科(Cisco)宣布投資Zensys公司(Cisco雖投資與支持Z-Wave,但主要也是將Z-Wave技術用在家庭性的無線應用產品上,此方面屬于Cisco旗下Linksys的業務范疇),并加入Z-Wave Alliance機構,之后在同年6月與 Intel的創投單位Intel Capital宣布投資Zensys,且一樣加入Z-Wave Alliance,頓時ZensysZ-Wave獲得IT、通訊兩大領域的重量級業者的力挺,氣勢大增。



圖一:圖中為Zensys公司的第二代Z-Wave單芯片-ZM0201ZM0201的封裝尺寸小于第一代的ZM0102,圖中為ZM0201與一枚25美分硬幣的尺寸比較。


 


到了20071月,軟件巨頭Microsoft也呼應Z-Wave技術,在其.NET Micro Framework(簡稱:.NET MF)上加入對Z-Wave的支持,并宣布與Z-Wave  Alliance中的會員業者LevitonControlThink等共同研發Z-Wave應用,再加上PC外圍大廠Logitech(羅技)也推出使用Z-Wave技術的家庭遙控器,從這種種跡象來看,Z-Wave的發展并沒有想象中的悲觀,并且從單純的家庭自動化應用,擴展延伸到數字家庭的領域中。


此外,Z-Wave標準與Z-Wave功效技術等在近年來也持續進步中,許多技術細節與支持芯片也都有所強化、提升。


二、Z-Wave技術更新


過去,若對Z-Wave有所了解的讀者,必然對Z-Wave的傳輸率表現感到印象深刻,不過這并非是強悍的深刻,反而是低落的深刻,Z-Wave的傳輸率僅有9.6kbps,雖然WSN本就不強調數據的傳輸速度、傳輸量,但也不至于過低,以ZigBee來相對比較,即便不去談論2.4GHz頻段的250kbps傳輸率,在915MHz頻段上也至少有40kbps,或在868MHz頻段上也還有20kbpsZigBee的三種速率模式都沒有低至9.6kbps


也許Z-Wave陣營已了解到此一弱處,并在之后進行強化改進,新的資料顯示,Z-Wave除了原有的9.6kbps速率外,也另增一個可達40kbps速率的模式,以此拉近與ZigBee之間的差距,如此ZigBee除了在2.4GHz250kbps速率勝過Z-Wave外,另兩種模式與Z-Wave無太大差異。


而且,Z-Wave提出的新速率能與原有9.6kbps速率的節點裝置完全兼容互通,即是在同一個Z-Wave網絡內能并存運用9.6kbps的節點與40kbps的節點,如此在布建的規劃設計與延伸上可更便利。



圖二:第二代Z-Wave單芯片-ZM0201的內部功能方塊圖,其中包括8051微控制器核心、Z-Wave的軟件API、可存放Z-Wave應用程序的內存空間、Z-Wave的無線射頻收發器(RF Transceiver)等。


在使用頻段方面,Z-Wave也與ZigBee差距不大,Z-Wave雖不像ZigBee能在2.4GHz頻段使用,但也能在868MHz908MHz具體而言是868.42MHz908.42MHz)的頻段工作,且與ZigBee相同的,868MHz頻段在歐洲地區運用,908MHzZigBee位于相近的915MHz)頻段則是在美國地區運用。


至于無線發送的調制,Z-Wave依舊是使用原有的GFSKGaussian Frequency Shift Keying)方式。相對的,ZigBee868MHz915MHz頻段是使用BPSKBinary Phase-Shift Keying)調制,而在2.5GHz頻段是使用正交式QPSKQuadrature Phase-Shift Keying)調制。


三、歐洲與美國地區的差異


若更進一步了解,可以發現Z-Wave技術與今日其它新推行的無線技術一樣,經常遭遇到各地區電信法規的不同限制,而必須做出各種的因應與妥協。


舉例而言,Z-Wave在歐洲所使用的868MHz頻段,在法規上有占空比不得大于百分之一的限制,也就是說:Z-Wave真正在進行無線信號發送的時間與沒有在發送無線信號的時間,比例是199,若將時間刻度放大來解釋,即是發送1秒鐘的無線信號后,必須停止、閑置99秒,之后才能進行第二次發送,且發送時間一樣只能持續一秒,接下來又是長達99秒的等待。很明顯的,此項法規的限制也使Z-Wave不易提升其傳輸率。


當然,在長達99秒的等待過程中,Z-Wave節點(或稱:裝置)可以進入休眠的省電狀態,藉此來降低功耗、節省用電,此方面Z-Wave已能達0.1%的占空比,同樣以時間刻度放大的角度來說明,若一樣以100秒為一個周期單位,Z-Wave可以只工作0.1秒,其余99.9秒的時間都在休眠。



圖三:Zensys公司已推出第三代的Z-Wave單芯片:ZM0301,新世代單芯片使用0.18um制程,價格比第二代低廉15%30%(視需求用量的報價而定),且整合更多硬件資源,包括更大的內建內存,如此應用程序可直接撰寫、燒錄在單芯片內,不用再行外接內存來撰寫、存放應用程序。


 


雖然Z-Wave在歐洲的868MHz頻段上有占空比的限制,但相對的在美國908MHz頻段上就沒有這項限制,所以理論上Z-Wave日后可以在908MHz頻段上有更高的速率提升空間。


不過,美國的908MHz頻段卻也有另一項缺點,即是對發送功率進行限制,其發送功率不得高于1毫瓦,相對的歐洲在這方面的規范反而較寬松,只要在25mW內都屬合法使用,發送功率限制的結果也會連帶限制Z-Wave的發送距離、無線覆蓋率。至于ZigBee方面目前的最大發送功率也是在1mW0dBm)內。


四、二者間技術上的差異


既然談及發送距離,那么也必須比較Z-WaveZigBee間的發射差異,Z-Wave的發送距離為100英呎(約30公尺),且要達到如此距離必須在電波的傳送路徑上沒有任何阻擋,然而這并不表示Z-Wave無法進行穿透性傳輸,Z-Wave的無線發送依舊可以穿墻收發,不過穿越阻隔物的代價是減損傳輸距離,目前Z-Wave陣營尚未公布穿透性傳輸表現的相關信息,只以不同的穿透材質而有不同的距離折損來說明。


同樣的,ZigBee方面也并未有完整具體的傳輸距離信息,僅有32英呎∼246英呎(10公尺75公尺)的概略描述,且一樣表示必須依據實際發送的環境而定。


 




圖四:圖上為Z-Wave技術的標志,圖下則為Z-Wave聯盟的標章。 


Z-WaveZigBee之間除了傳輸速度、傳輸距離有別之外,在節點數目、拓樸型態、安全加密上也都各有不同。


首先是節點數目,此方面Z-Wave并未有所改變,依舊是每個網絡內最多232個節點,若想與更多節點聯系,就必須使用跨網的橋接(Bridge)技術才行。


至于ZigBee方面,ZigBee的節點尋址達16-bit,理論上可以達65,536個節點,此遠遠勝過Z-Wave,此外ZigBee還能選用更大范疇的64-bit尋址,如此節點數就不可限量。更進一步的,IETF已擬定讓ZigBeeIPv6接軌整合的6loWPAN(全稱為:IPv6 over Low power WPAN),ZigBee節點將可以廣大Internet結合,這些方面Z-Wave都無法比擬。


另外在連接拓樸方面,Z-Wave只有一種拓樸型態,即是網狀(Mesh),而ZigBee除了也有網狀拓樸外,也支持星狀(Star)、叢集狀(Cluster)等拓樸。值得注意的是,各節點除了自身所需的信號收發外,也會代為中繼傳遞其它節點的信號,無論是自身需求的收發或轉傳其它節點的信號,該節點都會脫離休眠狀態而進入運行狀態,而經常扮演中繼工作的節點將比其它節點更為忙碌,功耗也會較多,所以在實際布建時的設計規劃上,也會盡量以非使用電池運行的裝置來擔任忙碌型中繼的角色。



圖五:Logitech公司推出使用Z-Wave技術的遙控器:Harmony 890 Advanced Universal Remote,遙控距離100英呎,可遙控15項家庭裝置(包括家用照明),然目前售價仍高,20073月的網站價格為399.99美元


至于安全加密方面,ZigBee使用128-bitAES對稱加密,而Z-Wave則是尚未有任何加密的設計,這其實不難想象,在Z-Wave最初只有9.6kbps的傳輸帶寬下,若再進行加密性傳輸,則實質數據的傳遞量將會更少,因此不太可能在9.6kbps中再行加密,不過Z-Wave將速率提升至40kbps后,也應該開始考慮提供加密的措施。


五、二者間在應用領域的差異


平心而論,Z-Wave在訂立之初就以家庭自動化應用為目標,而ZigBee則是追求更廣泛應用為目標,兩者各在最初指導思想就有不同的考慮,自然在規格上也有諸多落差,此實不能單就規格數據表現來論斷。


特別是Z-Wave獲得CiscoIntelMicrosoft等資通訊大廠的支持后,Z-Wave已從單純的家庭自動化應用,開始擴展延伸到數字家庭領域,甚至是家庭自動化與數字家庭的接軌整合等,加上Z-Wave的各項技術仍在持續提升,從9.6kbps增進到40kbps可說是該陣營的一大鼓舞,同時也是給ZigBee更大的競爭壓力。



圖六:Z-Wave通過中繼傳輸的方式來通訊,圖中為Z-Wave跨房間轉傳聯系的示意圖。


此外,ZigBee原先期望也用于PC外圍或消費性電子的游戲玩具中,但就目前來看,無論是PC所用的無線鼠標、無線鍵盤,還是Nintendo Wii的無線游戲控制器、Sony PlayStation 3的無線游戲控制器,都是使用藍牙而非ZigBee,加上藍牙芯片已多年大量量產,組件的量價均攤已達高度成熟,ZigBee當初設定以更低價格取代藍牙在控制領域應用,此一構想的實現難度也日益增高。


由此來看,現在最需要擔心的反而不是規格表現偏弱的Z-Wave,反而是追求應用領域最大化的ZigBee,很有可能落入“樣樣通、樣樣松”的結果。 Z-Wave占據家庭(家庭自動化、數字家庭;Bluetooth擁有信息(無線鍵盤/鼠標)、通訊(無線耳機/話筒)、消費性電子(電玩控制器),或許最后最適合ZigBee的將會落在工控、醫療等領域。



圖七:Z-Wave為雙向傳輸的無線通信技術,運用此技術可以實現在搖控器上顯示操控信息與狀態訊息,相對的傳統單向紅外線遙控器就難以實現此種設計。


 

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