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无线个域网关键技术摘要：无线个域网(WPAN)是当前计算机网络发展最为迅速的领域之一。目前比较典型的无线个域网技术可分为 5 类：红外，蓝牙，家庭射频，超宽带和Zigbee。该文介绍了几种技术的主要特点及其相关标准和协议，并对这些技术的应用范围和市场发展前景作了分析和比较。关键词：无线个域网；红外通信；蓝牙；家庭射频；超宽带；ZigbeeWireless Personal Area Network Key TechniquesAbstract:Wireless personal area network (WPAN) is one of the most mushroom fields in current computer networks. At present typical WPAN technologies can be divided into five classes: IrDA, Bluetooth, HomeRF, Ultra-wideband and Zigbee. This paper introduces the characters and related standards/protocols of these technologies, the application areas and development prospects are analyzed and compared.Key words: Wireless personal area network (WPAN); Infrared data association (IrDA); Bluetooth; Home-RF;Ultra-wideband; Zigbee1前言无线个域网(Wireless Personal Area Network，WPAN)是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能够有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。为小范围内设备建立起无线通信网络，使设备之间的协同工作变得更加方便快捷。这些电子设备可以包括便携式电脑，打印机，蜂窝电话等，它们可以很方便的进行通信，就像使用普通电缆连接一样。WPAN 是以个人为中心来使用的无线个人区域网，它实际上就是一个低功率、小范围、低速率和低价格的电缆替代技术。WPAN可以一个人使用，也可以若干人同时使用，如一个外科手术小组的几位医生把几米范围内使用的一些电子设备组成一个无线个人区域网。WPAN 工作在2.4 GHz的ISM频段，其IEEE 标准都是IEEE的802.15工作组制定1。2无线个域网的关键技术2.1红外通信（IRDF）红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。伴随这种技术的还有红外线数据标准协会IrDA。该协会成立于1993年，是个非营利性组织，致力于建立无线传播连接的世界标准，目前在全球拥有160个会员，参与的厂商包括计算机及通信硬件、软件及电话公司等。当前，IrDA技术的软件和硬件技术都已经比较成熟，主要的技术优势如下：(1)无需专门申请特定频率的使用执照。(2)具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。(3)传输速率已经从开始时候FIR的4Mbps上升为现在最新VFIR的16Mbps。除了在技术上有自己的特点外，IrDA 的市场优势也是十分明显的。红外技术已经发展了多年，因此硬件与相应的软件技术都已经相当成熟。目前，全世界有5000万台设备采用 IrDA 技术，并且仍然以年递增 50%的速度增长。当今有95%的手提电脑都安装了 IrDA 接口。在成本上，红外线 LED及接收器等组件远较一般 RF 组件来得便宜，大约只是蓝牙产品的1/10。在这样的情形下，也导致了IrDA在市场上面得到了普遍应用，对应的产品不少，仍然具有一定的市场价值，因此在短期内不会退出市场。但是IrDA 并非是毫无瑕疵的。首先,IrDA是一种视距传输技术,也就是说两个具有IrDA端口的设备之间如果试图传输数据,中间就不能有阻挡物(这在两个设备之间是容易实现的，但多个电子设备间就必须调整彼此位置和角度等),这也是Bluetooth和HomeRF打IrDA技术的超级法宝。其次,IrDA设备中的核心部件红外线LED不是一种十分耐久的部件, 对于不经常使用的扫描器、数码相机等设备虽然游刃有余, 但如果经常用装配IrDA端口的手机上网,可能很快就不堪重负了。2.2蓝牙(Bluetooth)蓝牙标准是在1998年，由爱立信、诺基亚、IBM等公司共同推出的，即后来的IEEE802.15.1标准。蓝牙技术为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线空中接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种3C设备(通信产品、电脑产品和消费类电子产品)在没有电线或电缆相互连接的情况下能在近距离范围内实现相互通信或操作。蓝牙可以提供720kb/s的数据传输速率和10m的传输距离。蓝色技术有以下主要特点：1、全球范围适用，无地域国界限制；2、快速跳频，可以躲避空中的某个干扰频点使干扰的影响最小化。3、电路结构简单，体积小，以便集成到各种设备中使设备成本低廉。4、功耗微小，对人体伤害也小。5、开放空中接口标准，可同时传输语音和数据6、可以建立临时性的点到点对等连接，也支持点到多点的链接。牙技术运行在全球通行的、无须申请许可的246Hz频段，采用GFSK调制技术，传输速率达1Mbs；采用跳频扩频（frequency hopping spread spectrum，FHSS）扩频技术，把信道分成若干个长为625pts的时隙，每个时隙交替进行发射和接收，实现时分双工。在2.4022.480GHz频段内含有间隔为lMHz的79个跳频载频及一系列的跳频序列，跳频速率为1600hopss，每个时隙传送一个分组数据。蓝牙由于采用了时分双工，可以防止收发信机之间的串扰；采用跳频技术提高了设各抗干扰能力，以及提供了一定的安全保障，便于叠区组网。蓝牙采用电路交换和分组交换技术，可独立或同时支持异步数据信道和语音信道。每个同步语音信道数据速率为64Kbs，语音信号编码采用脉冲编码调制或连续可变斜率增量调制方法。当采用非对称信道传输数据时，其速率可达723.2Kb/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为342.GKbs。蓝牙还使用了前向纠错（forward error correction FEC）机制，从而抑制了长距离链路的随机噪声。基于蓝牙技术的设备在网络中所扮演的角色有主设各和从设各之分。主设各负责设定跳频序列，从设各必须与主设备保持同步。主设各负责控制主从设各之间的业务传输时间与速率。在组网方式上，通过蓝牙设各中的主设各与从设各可以形成一点到多点的连接，即在主设备周围组成一个微微网，网内任何从设各都可与主设各通信，而且这种连接不需要任何复杂的软件支持，但是一个主设各同时最多只能与网内的7个从设备相连接进行通信。同样，在一个有效区域内多个微微网通过节点桥接可以构成散射网。蓝牙技术是一种新兴的技术，其传输使用的功耗很低，它可以应用到无线传感器网络中。同时，也可以广泛应用于无线设备（如PDA、手机、智能电话）、图像处理设各（照相机、打印机、扫描仪）、安全产品（智能卡、身份识别、票据管理、安全检查）、消遣娱乐（蓝牙耳机、MP3、游戏）、汽车产品（GPS、动力系统、安全气袋）、家用电器（电视机、电冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机）、医疗健身、智能建筑、玩具等领域。如今日常生活中基于蓝牙技术的手机、耳机和笔记本电脑随处可见。2.3家庭射频(HomeRF)HomeRF，它是由HomeRF工作组开发的，它是在家庭区域范围内的计算机和电子设各之间实现无线数字通信的开放性工业标准，为家庭用户建立具有互操作性的音频和数据通信网带来了便利。HomeRF是IEEE 802.11与数字增强无绳电话（digital enhanced cordless telephone，DECT）的结合。HorneRF工作在开放的2.46Hz频段，采用跳频扩频技术，跳频速率为50hopss，共有75个带宽为lMHz的跳频信道，室内覆盖范围约45m，调制方式为恒定包络的FSK调制，且分2FSK与4FSK两种，采用FSK调制可以有效地抑制无线通信环境下的干扰和衰落。2FSK方式下，最高数据的传输速率为lMbs；4FSK方式下，速率可达ZMbs。在新的HomeRF2.X标准中，采用了宽带跳频（wide band frequencyhopping，WBFH）技术来增加跳频带宽，由原来的1MHz跳频信道增加到3MHz和5MHz，跳频的速率也提高到75hopss，数据传输速率峰值达10Mbs。HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进。HomeRF把共享无线接入协议（SWAP）作为网络的技术指标，当进行数据通信时，采用简化的IEEE 802.11标准，沿用类似于以太网技术中的载波监听多路访问冲突避免（carrier sensemultiple access with collision aviodance，CSMACA）方式；当进行语音通信时，则采用DECT无线通信标准，使用TDMA技术。HomeRF提供了对流媒体真正意义上的支持，其规定了高级别的优先杈并采用了带有优先权的重发机制，这样就满足了播放流媒体所需的高带宽、低干扰、低误码要求。目前HomeRF技术仅获得了少数公司的支持，并且由于在抗干扰能力等方面与其他技术标准相比也存在不少缺陷，这些使得HomeRF技术的应用和发展前景受到限制，又加上这一标准推出后，市场策略定位不准、后续研发与技术升级进展迟缓，因此，从2000年之后，HomeRF技术开始走下坡路，2001年HomeRF的普及率降至30，逐渐丧失市场份额。尤其是芯片制造巨头英特尔公司决定在其面向家庭无线网络市场的AnyPoint产品系列中增加对IEEE 802.11b标准的支持后，HomeRF的发展前景比较不乐观。这样看来，HomeRF很难冲出只能在家庭里应用的限制。2.4超宽带(UWB)UWB即802.15.3a技术，是一种无载波通信技术。它是一种超高速的短距离无线接入技术。它在较宽的频谱上传送极低功率的信号，能在10m左右的范围内实现每秒数百兆比特的数据传输率，具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、保密性好、发送功率小等诸多优势。UWB早在1960年就开始开发，但仅限于军事应用，美国 FCC于2002年2月准许该技术进入民用领域。与其他传统的无线通信技术相比较,它的技术特点和优越性主要表现在:1、带宽极宽。UWB信号频谱在3.IGHz-10.6GHz之间,所用带宽可高达500MHz至.7SGHzUWB系统容量非常大,并且和目前的窄带通信系统可以同时工作而互不干扰在频率资源日益紧张的今天,开辟了另外一种全新的高速无线通信方式。2、传输速率高。UWB系统使用的超宽频带,即使把发送信号功率谱密度控制得很低,也可以实现高达l00Mb/s到500Mb/s的信息速率。根据香农信道容量公式,假定使用7GHz带宽,那么即使信噪比低至-1OBd,理论信道容量也能达到1Gbz/s。3、通信距离短由于UWB信号的频率成分及其丰富,其高频信号成分随着传播距离的增加强度会迅速衰减,导致UWB信号的严重失真,因此UWB系统更适合于短距离通信研究表明,当收发信机之间距离大于12m之后,UWB的信道容量要低于传统的窄带系统。4、平均发射功率低。UWB系统发射功率非常小,通信设备用低于1mw的发射功率即可进行正常通信。FCC规定UWB的发送功率谱密度必须低于美国放射噪音规定值-41.3dBm/MHz,从理论上来说,UWB信号此时所产生的干扰对于其它通信系统而言,仅相当于宽带白噪声。这样,既可使UWB系统与同频段的现有窄带通信系统保持良好共存,又可以使UWB信号具有良好的隐蔽性,不易被截获,保密性高。5、多径分辨率高。UWB采用了持续时间极短的窄脉冲,其时间、空间分辨力都很强,因此系统的多径分辨率极高(lns脉冲的多径分辨率为3Ocm),接收机通过分集可以获得很强的抗衰落能力;同时在进行测距、定位、跟踪时也能达到更高的精度。还值得一提的是,窄脉冲具有很强的穿透各种障碍物的能力,例如墙壁和地板,因此UWB具有比红外通信更为广泛的应用。6、系统结构简单。体积小、成本低。传统UWB技术使用基带传输,无需进行射频调制和解调,接收机利用相关器即可进行信号检测。因此UWB设备收发信机结构简单,体积小,功耗低,灵活性高,适合于便携型无线应用。2.5 ZigbeeZigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，Zigbee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等。而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年正式问世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。Zigbee技术有以下性能：1、低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作624个月，甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。2、低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且Zigbee免协议专利费3、低速率。Zigbee工作在20250kbps的速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。4