ZigBee与Z-Wave为标准开战

zigbee与z-wave发展状况
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。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
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。
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。

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