创新型医疗超声波系统设计

　　1 引言

　　ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、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。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee联盟制定了数据链路层（DLL）、网络层（NWK）和应用编程接口（API）规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。

　　蓝牙也是一种短距离无线通信技术，自蓝牙规范发布以采，它在越来越多的领域得到了应用。比如工业自动控制、家庭自动化、电信级的音频传输、PDA、手机和PC机外设等。

　　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。本文将围绕技术和市场两个方面来分析ZigBee和蓝牙这两种短距离无线通信技术，证明蓝牙将在某些应用方面面临ZigBee技术的竞争。最后，对ZigBee和蓝牙的应用和发展提出了建议。

　　2 系统复杂性

　　ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性。这可以从它们的协议栈的参考模型（图1）中看出。ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb；蓝牙协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250Kb。ZigBee定义了两种

　　类型的设备：全功能设备FFD（Ful FuncTIonal Device）和简化功能设备RFD（Reduced FuncTIon Device）。网络为主从结构， 一个网络有一个网络协调者（Coordinator）和最多可达65535个从属设备。网络协调者必须是FFD，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。一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为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，如传感网络、楼宇自动化等。

　　3 安全性

　　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。ZlgBee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。下面分述MAC层和NWK层的安全性。

　　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（OW做CCM模式）。MAC层的AES加密算法可以保护MAC命令、信标、信息帧和应答帧的秘密性、完整性和真实性。MAC帧的头部有一个比特用来指示MAC帧是否加密。每一个密钥只与一个安全套件相关联。为了保证数据完整性，MAC层计算头部和净荷数据得到一个消息完整码（MIC，Message Integrity Code），其长度为4、8或

　　16字节。同时，在每个MAC帧头也都有一个帧编号，用于防止帧丢失和帧重传。密钥的建立、安全操作模式的选择和对处理过程的控制则由高层来负责。

　　NWK层也使用AES，它的安全套件是基于CCM*操作模式。CCM*包括所有CCM的功能，同时提供只加密和只保证完整性的功能。使用CCM*允许单个密钥用于不同的安全套件。因此一个密钥并不只属于单个安全套件，一个高层应用可以灵活地指定NWK所用的安全套件。NWK层负责安全处理，但对处理过程的控制则由高层通过建立密钥和决定使用哪一种CCM*安全套件来实现。此外，帧序号和MIC也可以加在NWK帧中。

　　蓝牙协议在基带部分定义了设备鉴权和链路数据流加密所需要的安全算法和处理过程。设备的鉴权是强制性的，所有的蓝牙设备均支持鉴权过程，而链路的加密则是可选择的。蓝牙设备的鉴权过程是基于问询一响应模式和共享的加密方式。为了使蓝牙链路的数据流具有隐蔽性，可以使用1比特的流密码对链路进行加密。密钥大小随着每个基带分组数据单元（BB—PDU）传输而改变。加密密钥可以从对设备鉴权中得到。这意味着，在使用链路加密之前，两个设备之间至少已经进行了一次鉴权。密钥的最大长度为128比特。

　　从以上分析可以看出，ZigBee和蓝牙在一定程度上都能够保证安全性。但ZigBee比蓝牙更为灵活，这更有利于控制系统成本。