無線感測器網路ZigBee與Z-Wave的標準之爭

技術小胖子發表於2017-11-08
 
ZigBee與Z-Wave發展狀況
產業要得到大規模發展，標準化是前提。在資訊產業裡往往是標準引領技術和產業的發展。
在無線感測器網路（WSN）領域中，目前主要有2個標準，ZigBee與Z-Wave。目前多數人看好的是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，應用上也僅止於家庭自動化，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已矮於ZigBee一截，而推廣上，Z-Wave也一樣居於弱勢。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技術獲得更廣泛的採用。
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援，相對的國際級的半導體業者幾乎都支援及參與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2006年1月以前的事，在此之後就風雲突變，首先是通訊裝置大廠思科（Cisco）宣佈投資Zensys公司（Cisco雖投資與支援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，此方面屬於Cisco旗下Linksys的業務範疇），並加入Z-Wave Alliance機構，之後在同年6月與 Intel的創投單位Intel Capital宣佈投資Zensys，且一樣加入Z-Wave Alliance，頓時Zensys、Z-Wave獲得IT、通訊兩大領域的重量級業者的力挺，氣勢大增。
到了2007年1月，軟體巨頭Microsoft也呼應Z-Wave技術，在其.NET Micro Framework（簡稱：.NET MF）上加入對Z-Wave的支援，並宣佈與Z-Wave Alliance中的會員業者Leviton、ControlThink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的發展並沒有想象中的悲觀，並且從單純的家庭自動化應用，擴充套件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，許多技術細節與支援晶片也都有所強化、提升。
Z-Wave技術更新
過去，若對Z-Wave有所瞭解的讀者，必然對Z-Wave的傳輸率表現感到印象深刻，不過這並非是強悍的深刻，反而是低落的深刻，Z-Wave的傳輸率僅有9.6kbps，雖然WSN本就不強調資料的傳輸速度、傳輸量，但也不至於過低，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20kbps，ZigBee的三種速率模式都沒有低至9.6kbps。
也許Z-Wave陣營已瞭解到此一弱處，並在之後進行強化改進，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2.4GHz的250kbps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相容互通，即是在同一個Z-Wave網路內能並存運用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。
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868MHz及908MHz（具體而言是868.42MHz及908.42MHz）的頻段工作，且與ZigBee相同的，868MHz頻段在歐洲地區運用，908MHz（ZigBee位於相近的915MHz）頻段則是在美國地區運用。
至於無線傳送的調製，Z-Wave依舊是使用原有的GFSK（Gaussian Frequency Shift Keying）方式。相對的，ZigBee在868MHz與915MHz頻段是使用BPSK（Binary Phase-Shift Keying）調製，而在2.5GHz頻段是使用正交式QPSK（Quadrature Phase-Shift Keying）調製
歐洲與美國地區的差異
若更進一步瞭解，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，在法規上有佔空比不得大於百分之一的限制，也就是說：Z-Wave真正在進行無線訊號傳送的時間與沒有在傳送無線訊號的時間，比例是1：99，若將時間刻度放大來解釋，即是傳送1秒鐘的無線訊號後，必須停止、閒置99秒，之後才能進行第二次傳送，且傳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%的佔空比，同樣以時間刻度放大的角度來說明，若一樣以100秒為一個週期單位，Z-Wave可以只工作0.1秒，其餘99.9秒的時間都在休眠。
雖然Z-Wave在歐洲的868MHz頻段上有佔空比的限制，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日後可以在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，即是對傳送功率進行限制，其傳送功率不得高於1毫瓦，相對的歐洲在這方面的規範反而較寬鬆，只要在25mW內都屬合法使用，傳送功率限制的結果也會連帶限制Z-Wave的傳送距離、無線覆蓋率。至於ZigBee方面目前的最大傳送功率也是在1mW（0dBm）內。
二者間技術上的差異
既然談及傳送距離，那麼也必須比較Z-Wave與ZigBee間的發射差異，Z-Wave的傳送距離為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，然而這並不表示Z-Wave無法進行穿透性傳輸，Z-Wave的無線傳送依舊可以穿牆收發，不過穿越阻隔物的代價是減損傳輸距離，目前Z-Wave陣營尚未公佈穿透性傳輸表現的相關資訊，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方面也並未有完整具體的傳輸距離資訊，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傳送的環境而定。
Z-Wave與ZigBee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並未有所改變，依舊是每個網路內最多232個節點，若想與更多節點聯絡，就必須使用跨網的橋接（Bridge）技術才行。
至於ZigBee方面，ZigBee的節點定址達16-bit，理論上可以達65,536個節點，此遠遠勝過Z-Wave，此外ZigBee還能選用更大範疇的64-bit定址，如此節點數就不可限量。更進一步的，IETF已擬定讓ZigBee與IPv6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。
另外在連線拓樸方面，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，也支援星狀（Star）、叢集狀（Cluster）等拓樸。值得注意的是，各節點除了自身所需的訊號收發外，也會代為中繼傳遞其它節點的訊號，無論是自身需求的收發或轉傳其它節點的訊號，該節點都會脫離休眠狀態而進入執行狀態，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執行的裝置來擔任忙碌型中繼的角色。
至於安全加密方面，ZigBee使用128-bit的AES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的傳輸頻寬下，若再進行加密性傳輸，則實質資料的傳遞量將會更少，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後，也應該開始考慮提供加密的措施。
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，此實不能單就規格資料表現來論斷。
特別是Z-Wave獲得Cisco、Intel、Microsoft等資通訊大廠的支援後，Z-Wave已從單純的家庭自動化應用，開始擴充套件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
此外，ZigBee原先期望也用於PC外圍或消費性電子的遊戲玩具中，但就目前來看，無論是PC所用的無線滑鼠、無線鍵盤，還是Nintendo Wii的無線遊戲控制器、Sony PlayStation 3的無線遊戲控制器，都是使用藍芽而非ZigBee，加上藍芽晶片已多年大量量產，元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芽在控制領域應用，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、樣樣鬆”的結果。 Z-Wave佔據家庭（家庭自動化、數字家庭；Bluetooth擁有資訊（無線鍵盤／滑鼠）、通訊（無線耳機／話筒）、消費性電子（電玩控制器），或許最後最適合ZigBee的將會落在工控、醫療等領域。(資料來源於網路)




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