无线网络通信技术完全介绍

10/12/2015来源:局域网人气:991

无线根据国际上所采用的通信技术种类可将无线传感器网络划分为无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)、低速率无线个域网(LR-WPAN)。以下是对各类网络各自常见和常用的通信技术进行简单介绍。

一、无线广域网(WWAN)

无线广域网WWAN(Wireless Wide Area Networks)主要是为了满足超出一个城市范围的信息交流和网际接入需求,让用户可以和在遥远地方的公众或私人网络建立无线连接。在无线广域网的通信中一般要用到GSM、GPRS、GPS、CDMA和3G等通信技术。

1.GSM

GSM是Global System for Mobile Communications的缩写,意为全球移动通信系统,是世界上应用的主要蜂窝系统之一。20世纪80年代,GSM开始兴起于欧洲,1991年在芬兰正式投入使用,到1997年底,已经在100多个国家实施运营。其发展之迅速,从实际意义上来讲已成为欧洲和亚洲的标准。到2004年,在全世界的183个国家已经建立了540多个GSM通信网络。GSM是基于窄带时分多址(TDMA)制式,允许在一个射频同时进行8组通话。GSM系统包括GSM900MHz、GSM1800MHz及GSM1900MHz等几个频段。由于GSM系统的容量是有限的,在网络用户过载时,就只能通过构建更多的网络设施来满足用户需求。但是GSM在其他方面性能优异,其除了提供标准化的列表和信令系统外,还提供了一些智能的业务,比如全球漫游功能等。GSM系统具有通话质量高,通话死角少,稳定性强,不易受外界干扰,采用SIM卡其防盗能力佳,网络容量大,号码资源丰富,信息灵敏,GSM设备功耗低等重要特点,因而直到现在,GSM在移动通信市场中仍然占有很大份额。

2.GPRS

GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio System)的缩写,是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。GPRS是在现有的GSM网络上开通的一种新的分组数据传输技术,它和GSM一样采用TDMA方式传输语音,但是采用分组的方式传输数据。GPRS提供端到端的、广域的无线ip连接及高达115.2kbps的空中接口传输速率。

GPRS采用了分组交换技术,可实现若干移动用户同时共享一个无线信道或一个移动用户可使用多个无线信道。当用户进行数据传输时则占用信道,无数据传输时则把信道资源让出来,这样不仅极大地提高了无线频带资源的利用率,同时也提供了灵活的差错控制和流量控制,正因如此,GPRS是按传输的数据量来收费的,即按流量收费,而不是按时间来计费的。

GPRS采用信道捆绑和增强数据速率改进来实现高速接入,它可以实现在一个载频或8个信道中实现捆绑,每个信道的传输速率为14.4kbps,在这种情况下,8个信道同时进行数据传输时,GPRS方式最高速率可达115.2kbps。如果GPRS通过数据速率改进,将每个信道的速率提高到48kbps,那么其速率高达384kbps,对于这样的高速率,可以完成更多的业务,比如网页浏览、收/电子邮件等。

GPRS还具有数据传输与语音传输可同时进行并自如切换等特点。总之,相对于原来GSM以拨号接入的电路数据传送方式,GPRS是分组交换技术,具有实时在线、高速传输、流量计费和自如切换等优点,它能全面提升移动数据通信服务。因而,GPRS技术广泛地应用于多媒体、交通工具的定位、电子商务、智能数据和语音、基于网络的多用户游戏等方面。

3.CDMA

CDMA是Code Division Multiple access的缩写,全称为码分多址,它是在数字技术的分支——扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。CDMA是最早由美国高通公司研制出来用于商业的。CDMA研制出来时,正值GSM统领移动通信市场的时候,因此,几乎没有一个移动通信运营商敢使用它。最后是在20世纪90年代初,韩国政府致力于寻找发展本国电子制造业的机会,即使发现欧洲几乎已经垄断了GSM市场之后,还是果断地决定发展CDMA,CDMA从那时开始发展起来。

CDMA具有频谱利用率高、语音质量好、保密性强、掉话率低、电磁辐射小、系统容量大、覆盖广等优点。CDMA能有这么多优点,一方面是扩频通信系统所固有的,另一方面是因为CDMA采用了很多的技术。CDMA系统是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技术结合而成的,因此它具有抗干扰性好、抗信号路径衰落能力强、保密安全性高、同频率可在多个小区内重复使用,以及系统容量大的优点。CDMA系统采用码分多址技术,所有移动用户都占用相同带宽和频率,通过复用方式使得频谱利用率很高;CDMA系统采用软切换技术,这样就完全克服了硬切换所带来的容易掉话的缺点,使得掉话率降低;CDMA采用功率控制和可变速率声码器,使CDMA无线发射功耗低及语音质量好。

CDMA具有上述的技术优势,已经被越来越多的用户所接受,使得CDMA在近些年发展迅速。目前CDMA在美国、韩国和日本等国家都占有很大一部分的市场,尤其在韩国CDMA用户已达移动通信用户的60%,而且CDMA技术也是第三代移动通信系统(3G)的技术基础。

4.GPS

GPS即全球定位系统(Global Positioning System)。GPS是具有在海、陆、空全方位进行实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。它是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验,属于美国第二代卫星导航系统。美国从20世纪70年代开始研制GPS,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成。

GPS系统包括三大部分:空间部分——GPS卫星星座;地面监控部分——地面监控系统;用户设备部分——GPS信号接收机。GPS的空间部分由24颗均匀分布在互成120°角的轨道平面内的卫星组成;其地面监控部分由主控站、注入站和监测站组成,主要是负责卫星的监控和卫星星历的计算;GPS的用户设备主要由GPS信号接收机硬件和处理软件组成。用户通过GPS信号接收机接收GPS卫星信号,经信号处理后获得用户位置、速度等信息,最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。

起初,GPS只应用在军事领域。由于GPS系统具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点,随着人们对GPS研究的日益深入,GPS不再像当初那样仅用于军事领域,也应用到民用领域。在测量方面,由于GPS测量精度高、操作简便、便于携带、全天候操作、观测点之间无须通视等优点,成功地应用于大地测量、工程测量、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。在交通领域,利用GPS技术对各种车辆进行实时跟踪、调度管理,能够起到合理分布车辆,解决交通拥堵等问题。民航运输通过GPS信号接收设备,使驾驶员着陆时能准确对准跑道,引导飞机安全进、离场。在安全领域,可以通过GPS定位技术,迅速知道火灾、车祸等事故发生地,从而能立即展开救援行动,大大降低了事故所带来的损失。

基于GPS的技术优点,伴随着其各种产品的出现和应用领域的不断拓宽,GPS已经深入到国民生产和日常生活的各个方面,为人们的工作和生活带来了方便。

5.3G

3G(Third Generation)是国际电联ITU于2000年确定的,意为“第三代移动通信”,正式命名为IMT-2000。3G的设计目标是在考虑与已有第二代系统的良好兼容性的基础上,提供比第二代系统更大的系统容量和更好的通信质量,而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括语音、数据及多媒体等在内的多种业务。因而第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务,其传输速率在高速移动环境中支持144kbps,步行慢速移动环境中支持384kbps,静止状态下支持2Mbps。

第三代移动通信系统的技术基础是码分多址(CDMA)。第一代移动通信系统采用频分多址(FDMA)的模拟调制方式,采用FDMA的系统具有频谱利用率低,信令干扰语音业务的缺点。第二代移动通信系统主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式,与第一代相比,虽然提高了系统容量,并采用独立信道传送信令,使系统性能大大改善,但是它的系统容量仍然很有限,而且越区切换性能还不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用率高、抗多径衰落能力强、通话质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力,因而第三代移动通信系统把CDMA作为其技术基础。目前,3G推荐的主流技术标准有三种,分别为WCDMA、CDMA2000及中国提出来的TD-SCDMA,虽然是三个不同的标准,但三种系统所使用的无线电核心频段都在2000Hz左右。

(1) WCDMA

WCDMA的全称为Wideband Code Division Multiple Access,它是基于GSM网络发展出来的3G技术规范,它是欧洲提出的宽带CDMA技术标准,与日本提出的宽带CDMA技术标准基本相同,目前两者正在进一步融合。WCDMA标准提出了GSM(2G)→GPRS(2.5G)→EDGE(2.5G)→WCDMA(3G)的演进策略。GPRS和EDGE(Enhanced DataRate for GSM Evolution,增强数据速率的GSM演进)技术被称为2.5代移动通信技术。目前中国移动通信集团公司正在采用这一方案向3G过渡,并已将原来的GSM网络升级为GPRS网络。

(2) CDMA2000

CDMA2000是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术标准,它是由美国主推的宽带CDMA技术标准。CDMA2000标准提出了CDMA IS95(2G)→CDMA20001x(2.5G)→CDMA20003x(3G)的演进策略。其中的CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术,而CDMA20003x与CDMA20001x的主要不同之处是CDMA20003x采用了多路载波技术,通过采用三载波使带宽得到了提高。目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡,并已建成了CDMA IS95网络。

(3) TD-SCDMA

TD-SCDMA的全称为Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access(时分同步CDMA),是由中国大唐电信公司提出的3G标准。TD-SCDMA标准提出不经过2.5代的中间环节直接向3G过渡,对GSM系统向3G的升级非常适用。该标准的提出也表明了中国在移动通信领域的开创性。目前大唐电信公司还没有基于这一标准的可供商用的产品推出,但全球一半以上的设备厂商都宣布可支持该标准。

这3种技术标准的主要技术参数和特点见表1-1。

二、无线城域网(WMAN)

在1999年,美国电气与电子工程师学会(Institute of Electrical and Electronic Engineers,IEEE)设立了IEEE 802.16工作组,其主要工作是建立和推进全球统一的无线城域网技术标准。在IEEE 802.16工作组的努力下,近些年陆续推出了IEEE 802.16、IEEE 802.16a、IEEE802.16b、IEEE 802.16d等一系列标准。然而IEEE主要负责标准的制订,为了使IEEE 802.16系列技术得到推广,在2001年成立了WiMAX(Worldwide InterOperability for Microwave Access,全球微波接入互通)论坛组织,因而相关无线城域网技术在市场上又被称为“WiMAX技术”。

WiMAX技术的物理层和媒质访问控制层(MAC)技术基于IEEE 802.16标准,可以在5.8 GHz、3.5 GHz和2.5 GHz这三个频段上运行。WiMAX利用无线发射塔或天线,能提供面向互联网的高速连接。其接入速率最高达75 Mbps,胜过有线DSL技术,最大距离可达50km,覆盖半径达1.6km,它可以替代现有的有线和DSL连接方式,来提供最后1km的无线宽带接入。因而,WiMAX可应用于固定、简单移动、便携、游牧和自由移动这五类应用场景。

WiMAX论坛组织是WiMAX推广的大力支持者,目前该组织拥有近300个成员,其中包括Alcatel、AT&T、FUJITSU、英国电信、诺基亚和英特尔等行业巨头。WiMAX之所以能获得如此多公司的支持和推动,与其所具有的技术优势也是分不开的。WiMAx的技术优势可以简要概括为以下几点。

(1) 传输距离远、接入速度高、应用范围广

WiMAX采用正交频分复用(Orthogonal Freguency Division Multiplexing,OFDM)技术,能有效地抗多径干扰;同时采用自适应编码调制技术,可以实现覆盖范围和传输速率的折中;利用自适应功率控制,可以根据信道状况动态调整发射功率。正因为有这些技术,WiMAX的无线信号传输距离最远可达50km,最高接入速度达到75Mbps。由于其具有传输距离远、接入速度高的优势,其可以应用于广域接入、企业宽带接入、移动宽带接入,以及数据回传等几乎所有的宽带接入市场。

(2) 不存在“最后1km”的瓶颈限制,系统容量大

WiMAX作为一种宽带无线接入技术,它可以将Wi-Fi热点连接到互联网,也可作为DSL等有线接入方式的无线扩展,实现最后1km的宽带接入。WiMAX可为50km区域内的用户提供服务,用户只要与基站建立宽带连接即可享受服务,因而其系统容量大。

(3) 提供广泛的多媒体通信服务

由于WiMAX具有很好的可扩展性和安全性,从而可以提供面向连接的、具有完善QoS保障的、电信级的多媒体通信服务,其提供的服务按优先级从高到低有主动授予服务、实时轮询服务、非实时轮询服务和尽力投递服务。

(4) 安全性高

WiMAX空中接口专门在MAC层上增加了私密子层,不仅可以避免非法用户接入,保证合法用户顺利接入,而且还提供了加密功能(比如EAP-SIM认证),保护用户隐私。

当然,WiMAX发展还面临许多的问题,具体概括为以下几点。

① 成本问题。相对于有线产品,成本太高,不利于普及。

② 技术标准和频率问题。许多国家的频率资源紧缺,目前都还没有分配出频带给WiMAX技术适用,频率的分配直接影响系统的容量和规模,这决定了运营商的投资力度和经营方向。

③ 与现有网络的相互融合问题。IEEE 802.16系列技术标准只是规定空中接口,而对于业务、用户的认证等标准都没有一个统一的规范,因而需要通过借助现有网络来完成,因此必须解决与现有网络的相互融合问题。

总之,从技术层面讲,WiMAX更适合用于城域网建设的“最后1km”无线接入部分,尤其对于新兴的运营商更为合适。WiMAX技术具备传输距离远、数据速率高的特点,配合其他设备(比如VoIP、Wi-Fi等)可提供数据、图像和语音等多种较高质量的业务服务。在有线系统难以覆盖的区域和临时通信需要的领域,可作为有线系统的补充,具有较大的优势。随着WiMAX的大规模商用,其成本也将大幅度降低。相信在未来的无线宽带市场中,尤其是专用网络市场中,WiMAX将占有重要位置。

三、无线局域网(WLAN)

无线局域网是指以无线电波、红外线等无线媒介来代替目前有线局域网中的传输媒介(比如电缆)而构成的网络。无线局域网内使用的通信技术覆盖范围一般为半径100m左右,也就是说差不多几个房间或小公司的办公室。当然实际的覆盖范围受很多因素影响,比如通信区域中的高大障碍物。

IEEE 802.11系列标准是IEEE制订的无线局域网标准,主要对网络的物理层和媒质访问控制层进行规定,其中重点是对媒质访问控制层的规定。目前该系列的标准有:IEEE802.11、IEEE 802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11d、IEEE 802.11e、IEEE802.11f、IEEE 802.11h、IEEE 802.11i、IEEE 802.11j等,其中每个标准都有其自身的优势和缺点。

下面就IEEE已经制订且涉及物理层的4种IEEE 802.11系列标准:IEEE 802.11、IEEE802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g进行简单介绍。

1.IEEE 802.11

IEEE 802.11是最早提出的无线局域网网络规范,是IEEE于1997年6月推出的,它工作于2.4GHz的ISM频段,物理层采用红外、跳频扩频(Frequency Hopsping SpreadSpectrum,FHSS)或直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)技术,其数据传输速率最高可达2Mbps,它主要应用于解决办公室局域网和校园网中用户终端等的无线接入问题。使用FHSS技术时,2.4GHz频道被划分成75个1MHz的子频道,当接收方和发送方协商一个调频的模式,数据则按照这个序列在各个子频道上进行传送,每次在IEEE 802.11网络上进行的会话都可能采用了一种不同的跳频模式,采用这种跳频方式避免了两个发送端同时采用同一个子频段;而DSSS技术将2.4GHz的频段划分成14个22MHz的子频段,数据就从14个频段中选择一个进行传送而不需要在子频段之间跳跃。由于临近的频段互相重叠,在这14个子频段中只有3个频段是互不覆盖的。IEEE 802.11由于数据传输速率上的限制,在2000年也紧跟着推出了改进后的IEEE 802.11b。但随着网络的发展,特别是IP语音、视频数据流等高带宽网络应用的需要,IEEE 802.11b只有11Mbps的数据传输率不能满足实际需要。于是,传输速率高达54Mbps的IEEE 802.11a和IEEE802.11g也都陆续推出。

2.IEEE 802.11b

IEEE 802.11b又称为Wi-Fi,是目前最普及、应用最广泛的无线标准。IEEE 802.11b工作于2.4GHz频带,物理层支持5.5 Mbps和11 Mbps 两个速率。IEEE 802.11b的传输速率会因环境干扰或传输距离而变化,其速率在1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps、11 Mbps 之间切换,而且在1 Mbps、2 Mbps速率时与IEEE 802.11兼容。IEEE 802.11b采用了直接序列扩频DSSS技术,并提供数据加密,使用的是高达128位的有线等效保密协议(WiredEquivalent Privacy,WEP)。但是IEEE 802.11b和后面推出的工作在5GHz频率上的IEEE802.11a标准不兼容。

从工作方式上看,IEEE 802.11b的工作模式分为两种:点对点模式和基本模式。点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式,即一台配置了无线网卡的计算机可以与另一台配置了无线网卡的计算机进行通信,对于小规模无线网络来说,这是一种非常方便的互联方案;而基本模式则是指无线网络的扩充或无线和有线网络并存时的通信方式,这也是IEEE 802.11b最常用的连接方式。在该工作模式下,配置了无线网卡的计算机需要通过“无线接入点”才能与另一台计算机连接,由接入点来负责频段管理等工作。在带宽允许的情况下,一个接入点最多可支持1 024个无线节点的接入。当无线节点增加时,网络存取速度会随之变慢,此时通过添加接入点的数量可以有效地控制和管理频段。

IEEE 802.11b技术的成熟,使得基于该标准网络产品的成本得到很大的降低,无论家庭还是公司企业用户,无须太多的资金投入即可组建一套完整的无线局域网。当然,IEEE 802.11b并不是完美的,也有其不足之处,IEEE 802.11b最高11Mbps的传输速率并不能很好地满足用户高数据传输的需要,因而在要求高宽带时,其应用也受到限制,但是可以作为有线网络的一种很好的补充。

3.IEEE 802.11a

IEEE 802.11a工作于5GHz频带,但在美国是工作于U-NII频段,即5.15~5.25GHz、5.25~5.35GHz、5.725~5.825GHz三个频段范围,其物理层速率可达54 Mbps,传输层可达25Mbps。IEEE 802.11a的物理层还可以工作在红外线频段,波长为850~950纳米,信号传输距离约10m。IEEE 802.11a采用正交频分复用(OFDM)的独特扩频技术,并提供25Mbps的无线ATM接口和10Mbps的以太网无线帧结构接口,支持语音、数据、图像业务。IEEE 802.11a使用正交频分复用技术来增大传输范围,采用数据加密可达152位的WEP。

就技术角度而言,IEEE 802.11a与IEEE 802.11b之间的差别主要体现在工作频段上。由于IEEE 802.11a工作在与IEEE 802.11b不同的5GHz频段,避开了大量无线电子产品广泛采用的2.4GHz频段,因此其产品在无线通信过程中所受到的干扰大为降低,抗干扰性较IEEE 802.11b更为出色。高达54Mbps数据传输带宽,是IEEE 802.11a的真正意义所在。当IEEE 802.11b以其11Mbps的数据传输率满足了一般上网浏览网页、数据交换、共享外设等需求的时候,IEEE 802.11a已经为今后无线宽带网的高数据传输要求做好了准备,从长远的发展角度来看,其竞争力是不言而喻的。此外,IEEE 802.11a的无线网络产品较IEEE802.11b有着更低的功耗,这对笔记本电脑及PDA等移动设备来说也有着重大实用价值。

然而在IEEE 802.1la的普及过程中也面临着很多问题。首先,来自厂商方面的压力。IEEE 802.11b已走向成熟,许多拥有IEEE 802.11b产品的厂商会对IEEE 802.11a都持保守态度。从目前的情况来看,由于这两种技术标准互不兼容,不少厂商为了均衡市场需求,直接将其产品做成了“a+b”的形式,这种做法虽然解决了“兼容”问题,但也使得成本增加。其次,由于相关法律法规的限制,使得5GHz频段无法在全球各个国家中获得批准和认可。5GHz频段虽然令基于IEEE802.11a的设备具有了低干扰的使用环境,但也有其不利的一面,由于太空中数以千计的人造卫星与地面站通信也恰恰使用5GHz频段,这样它们之间产生的干扰是不可避免的。此外,欧盟也已将5GHz频率用于其自己制订的HiperLAN无线通信标准。

4.IEEE 802.11g

IEEE 802.11g是对IEEE 802.11b的一种高速物理层扩展,它也工作于2.4GHz频带,物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术,而且它采用了OFDM技术,使无线网络传输速率最高可达54Mbps,并且与IEEE802.11b完全兼容。IEEE802.11g和IEEE802.11a的设计方式几乎是一样的。

IEEE 802.11g的出现为无线传感器网络市场多了一种通信技术选择,但也带来了争议,争议的焦点是围绕在IEEE 802.11g与IEEE 802.11a之间的。与IEEE 802.11a相同的是,IEEE802.11g也采用了OFDM技术,这是其数据传输能达到54Mbps的原因。然而不同的是,IEEE 802.11g的工作频段并不是IEEE 802.11a的工作频段5GHz,而是和IEEE 802.11b一致的2.4GHz频段,这样一来,使得基于IEEE 802.11b技术产品的用户所担心的兼容性问题得到了很好的解决。

从某种角度来看,IEEE 802.11b可以由IEEE 802.11a来替代,那么IEEE 802.11g的推出是否就是多余的呢?答案当然是否定的。IEEE 802.11g除了具备高数据传输速率及兼容性的优势外,其所工作的2.4GHz频段的信号衰减程度也不像IEEE 802.11a所在的5GHz那么严重,并且IEEE 802.11g还具备更优秀的“穿透”能力,能在复杂的使用环境中具有很好的通信效果。但是IEEE 802.11g工作频段为2.4GHz,使得IEEE 802.11g与IEEE 802.11b一样极易受到来自微波、无线电话等设备的干扰。此外,IEEE 802.11g的信号比IEEE 802.11b的信号能够覆盖的范围要小得多,用户需要通过添置更多的无线接入点才能满足原有使用面积的信号覆盖,这或许就是IEEE 802.11g能够具有高宽带所付出的代价吧!

IEEE 802.11系列4个标准的一些特性见表1-2。

四、无线个域网(WPAN)

从网络构成上来看,无线个域网WPAN(Wireless Personal Area Networks)位于整个网络架构的底层,用于很小范围内的终端与终端之间的连接,即点到点的短距离连接。WPAN是基于计算机通信的专用网,工作在个人操作环境,把需要相互通信的装置构成一个网络,且无须任何中央管理装置及软件。用于无线个域网的通信技术有很多,如蓝牙、红外、UWB、HomeRF等,下面就几种主要的技术进行讲述。

1.蓝牙(Bluetooth)

蓝牙(Bluetooth)是由爱立信、英特尔、诺基亚、IBM和东芝等公司于1998年5月联合主推的一种短距离无线通信技术,它可以用于在较小的范围内通过无线连接的方式实现固定设备或移动设备之间的网络互联,从而在各种数字设备之间实现灵活、安全、低功耗、低成本的语音和数据通信。蓝牙技术的一般有效通信范围为10m,强的可以达到100m左右,其最高速率可达1Mbps。

蓝牙技术运行在全球通行的、无须申请许可的2.4GHz频段。采用GFSK调制技术,传输速率达1Mbps;采用FHSS扩频技术,把信道分成若干个长为625μs的时隙,每个时隙交替进行发射和接收,实现时分双工。在2.402~2.480GHz频段内含有间隔为1MHz的79个跳频载频及一系列的跳频序列,跳频速率为1 600hops/s,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备抗干扰能力,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64kbps,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723.2kbps;当采用对称信道传输数据时,速率最高为342.6kbps。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备和从设备之分。主设备负责设定跳频序列,从设备必须与主设备保持同步。主设备负责控制主从设备之间的业务传输时间与速率。在组网方式上,通过蓝牙设备中的主设备与从设备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,网内任何从设备都可与主设备通信,而且这种连接无须任何复杂的软件支持,但是一个主设备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)、图像处理设备(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.红外(IrDA)

IrDA是国际红外数据协会的英文缩写,IrDA技术是一种利用红外线进行点对点短距离通信的技术。IrDA技术的主要特点有:利用红外传输数据,无须专门申请特定频段的使用执照;具有对设备体积小、功率低的特点;由于采用点到点的连接,数据传输所受到的干扰较小,数据传输速率高,速率可达16Mbps。

由于IrDA使用红外线作为传播介质。红外线是波长在0.75~1000μm之间的无线电波,是人用肉眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内波长在0.75~25μm之间的近红外线。红外数据协会成立后,为保证不同厂商基于红外技术的产品能获得最佳的通信效果,规定所用红外波长在0.85~0.90μm之间,红外数据协会相继也制订了很多红外通信协议,有些注重传输速率,有些则注重功耗,也有二者兼顾的。

IrDA1.0标准简称SIR(Serial Infrared,串行红外协议),它是基于HP-SIR开发出来的一种异步的、半双工的红外通信方式,它以系统的异步通信收发器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,UART)为依托,通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信号电脉冲的波形扩展这一编解码过程(3/16 EnDec)实现红外数据传输。SIR的最高数据速率只有115.2kbps。在1996年,发布了IrDA1.1协议,简称FIR(Fast Infrared,快速红外协议),采用4PPM(Pulse Position Modulation,脉冲相位调制)编译码机制,最高数据传输速率可达到4Mbps,同时在低速时保留1.0标准的规定。之后,IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的VFIR(Very Fast Infrared)技术,并将其作为补充纳入IrDA1.1标准之中。

IrDA标准都包括三个基本的规范和协议:红外物理层连接规范IrPHY(Infrared PhysicalLayer Link Specification)、红外连接访问协议IrLAP(Infrared Link Access Protoco1)和红外连接管理协议IrLMP(Infrared Link Management Protoco1)。IrPHY规范制订了红外通信硬件设计上的目标和要求;IrLAP和IrLMP为两个软件层,负责对连接进行设置、管理和维护。在IrLAP和IrLMP基础上,针对一些特定的红外通信应用领域,IrDA还陆续发布了一些更高级别的红外协议,如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等。

IrDA技术缺陷主要有:

·受视距影响其传输距离短;

·要求通信设备的位置固定;

·其点对点的传输连接,无法灵活地组成网络等。

但是这些缺点并没有给IrDA的应用带来致命的障碍,红外技术已在手机和笔记本电脑等设备上得到了广泛的应用。

3.UWB

UWB(Ultra Wideband)技术最初是被作为军用雷达技术开发的,它是一种不用载波,而采用时间间隔极短(小于1纳秒)的脉冲进行通信的方式,能在10m左右的范围内达到数百Mbps至数Gbps的数据传输速率。

UWB的工作频段为3.1~10.6GHz,作为一种时域通信技术,UWB采用超短周期脉冲对信号进行调制,把信号直接按照0或1发送出去,而不使用载波,这与此前的无线通信截然不同。而且脉冲调制产生的信号为超宽带信号,谱密度极低,信号的中心频率在650MHz~5GHz之间,发送功率非常小,平均功率为亚毫瓦量级。UWB采用跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中,输出功率甚至低于普通设备产生的噪声;接收时将信号能量还原出来,在解扩过程中产生扩频增益,从而抗干扰和抗多径的能力强。与CDMA系统相比,时域通信系统结构简单,成本相对较低。UWB技术具有上述高速率、低成本、低功耗和抗多径能力强等显著特性,而UWB最引人注目的特点还是其具有很高的数据传输速率,可以应用到家庭中的视频超高数据传输应用中去,解决了以前众多无线通信技术所不能达到的高速率数据传输问题。

目前有关UWB的标准还没有制订。在UWB标准化的工作上,存在两大技术阵营:多频带正交频分复用(MB-OFDM)和直序列码分多址(DS-CDMA)。这两大阵营的代表厂商前者有德州仪器、英特尔、三星电子等,后者是美国XtremeSpectrum、FreeScale等为主的DS-CDMA联盟。在标准的制订中,两个阵营都互不妥协,目前都还没有达成一致的方案。这两个技术提案都有其各自的特点和技术优势,最终选择哪种方案还要综合考虑市场等因素。至于这两种技术提案的具体内容可以查阅相关资料,在这里就不展开讲述。

UWB技术在无线通信技术方面的创新性、利益性具有很大的潜力,不仅在军事上有巨大应用价值(比如雷达跟踪、精确定位),在商业多媒体设备、家庭数字娱乐和个人网络方面也极大地提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。相信在军事需求和商业市场的推动下,UWB技术将会进一步发展和成熟起来,广泛地应用到众多领域中去。

4.HomeRF

HomeRF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备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DECT(Digital Enhanced Cordless Telephony)的结合。与前面所介绍的IEEE 802.11、IEEE 802.11b、蓝牙等无线通信技术一样,HomeRF工作在开放的2.4GHz频段,采用跳频扩频(FHSS)技术,跳频速率为50hops/s,共有75个带宽为1 MHz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1Mbps;4FSK方式下,速率可达2Mbps。在新的HomeRF 2.x标准中,采用了宽带跳频(Wide Band Frequency Hopsping,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75hops/s,数据传输速率峰值达10Mbps。

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(CSMA/CA)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权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IEEE802.11b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。

5.IEEE 802.15.1

IEEE 802.15.1标准是IEEE批准的用于无线个域网的蓝牙技术标准,它是由蓝牙标准演变而来的。该标准手2002年推出,但是在实施过程中进行了修改,于2005年发布了它的修正版。IEEE 802.15.1主要规定了OSI模型中的物理层和数据链路层下的四个子层标准。

① 无线层(RF layer):无线层实现在主站和从站之间发送比特流。该层的无线接口基于天线能力,其功率为0~20dBm。蓝牙技术运行在2.4 GHz频段并且传输链路范围从0.1~10m左右。

② 基带层(Base band Layer):实现组合电路交换和分组交换,为同步分组传输预留时间带,一个分组可占1个信道、3个信道或者5个信道,每个分组以不同跳频发送。它可以完成成帧和信道管理的功能。

③ 链路管理器层(Link Manager):主要负责在蓝牙设备间建立链路。链路管理器也对安全、基带数据包大小协商、电源模式、蓝牙设备的周期性控制及蓝牙设备在所属微微网中与主设备的连接状态等方面进行管理。

④ 逻辑链路控制和适配协议(L2CAP:Logical Link Control and Adaptation Protoco1):提供无连接和面向连接服务的上层协议,主要是完成协议的多路复用/分用,接受上层的分组分段传输,在接收端进行重组和处理服务质量等。IEEE 802.15.1标准所规定的4层标准在第8章的蓝牙技术标准中将进行较详细的讲述,在这就简单叙述一下。

IEEE 802.15.1标准的工作频率范围是2.4 GHz,传输数据时的有效带宽仅为500~700kbps之间。由于IEEE 802.15.1标准与蓝牙特殊利益集团(又名蓝牙特别兴趣小组)主张的蓝牙1.1标准完全兼容,为人们广泛地接受这种连接手机、计算机和其他设备的标准铺平了道路。

6.RFID

RFID是Radio Frequency Identification的缩写,即无线射频识别。RFID技术是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别贴有标签的目标对象并读取相关数据,识别工作不需要人工干预,而且可应用于各种恶劣环境。RFID技术可识别处于运动中的目标对象并可同时识别多个标签,工作快捷方便。

一般的RFID系统由天线(Antenna)、阅读器(Reader)和标签(Tag)三个基本部分组成。

① 天线:它主要完成在标签和阅读器间传递射频信号。

② 阅读器:它是读取(有时也可以进行写入)标签信息的设备,可设计为手持式或固定式。

③ 标签:它由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,根据各标准,其位数也不同,附着在物体上标识目标对象,俗称电子标签。目前标签分为有源标签和无源标签两种。

RFID技术的基本工作原理:把标签放入磁场,接收阅读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量,如果是无源标签,它发送出存储在芯片中的产品信息,如果是有源标签,它则主动发送某一频率的信号,然后阅读器读取信息并解码,最后送至中心信息系统进行有关数据处理。

目前国际上RFID的标准还不统一,很多公司企业都推出各自的标准,而且之间互不兼容。全球主要有两大阵营:欧美的Auto-ID Center与日本的Ubiquitous ID Center(UID)。前者的领导组织是美国的EPC环球协会,旗下有沃尔玛集团、英国Tesco等企业,同时有IBM、微软、飞利浦、Auto-ID Lab等公司提供技术支持;后者主要由日本厂商组成。欧美的EPC标准采用860~930MHz的UHF频段,电子标签的信息位数为96位,日本RFID标准采用2.45GHz和13.56MHz的频段,其电子标签的信息位数为128位。

RFID技术可运用在很多方面,其典型应用有物流和供应链管理、生产制造和装配、航空行李处理、邮件与快运包裹处理、文档追踪、图书馆管理、动物身份标识、运动计时、门禁控制、电子门票和道路自动收费等。

五、低速率无线个域网(LR-WPAN)

1.IEEE 802.15.4/ZigBee

IEEE 802.15.4是为满足低功耗、低成本的无线传感器网络要求而专门开发的低速率WPAN标准。IEEE 802.15.4工作在ISM频段,它定义了2.45GHz频段和868/915 MHz频段两个物理层,这两个物理层都采用直接序列扩频(DSSS)技术。在2.45GHz频段有16个速率为250kbps的信道,在868 MHz频段有1个20kbps的信道,在915MHz频段有l0个40kbps的信道。IEEE 802.15.4有如下优点。

① 网络能力强:IEEE 802.15.4具有卓越的网络能力,在基于IEEE 802.15.4的网络中,可对多达254个网络设备进行动态寻址。

② 适应性好:IEEE 802.15.4可与现有控制网络标准无缝集成。通过网络协调器可自动建立网络,采用载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)方式进行信道存取。

③ 可靠性高:IEEE 802.15.4提供全握手协议,能可靠地传递数据。

ZigBee建立在IEEE 802.15.4标准上,并确定了可以在不同制造商之间共用的应用协议,是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线传感器网络技术。它依据IEEE 802.15.4标准,可在众多的传感器节点之间相互协调实现通信。

ZigBee是建立在IEEE 802.15.4标准之上的,因此ZigBee并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层和数据链路层采用了IEEE 802.15.4标准,但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用支持子层和高层应用规范由ZigBee联盟进行制订。基于ZigBee的网络可以是一个由多达65000个网络节点组成的一个无线传感器网络,类似现有的移动通信的CDMA网络或GSM网络,每一个基于ZigBee的网络中的节点类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信。每个网络节点间的距离可以从典型的75m,到扩展后的几百米,甚至几千米。另外,整个基于ZigBee的网络还可以与现有的其他各种网络连接。但基于ZigBee的网络主要是为自动化控制数据传输而建立的,而移动通信网主要是为语音通信而建立的。基于ZigBee的网络的每个节点不仅本身可以是监控对象,它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料,例如,传感器连接直接进行数据采集和监控。除此之外,在自己信号覆盖的范围内,基于ZigBee的网络的主设备节点还可以和其网络中多个不进行信息转发的孤立从设备节点无线连接。基于ZigBee的无线传感器网络的每个节点可支持多到31个传感器节点和受控设备,每一个传感器节点和受控设备中可以有8种不同的接口方式,可以用来采集和传输数字量和模拟量。

ZigBee技术具有以下特点:

① 数据传输速率低:只有10~250kbps的带宽,因而它专注于低数据传输方面应用。

② 功耗低、成本低:由于工作周期很短,并且在应用中采用了休眠模式,那么收发信息功耗较低。ZigBee数据传输速率低,协议简单,这大大降低了成本。

③ 网络容量大:ZigBee支持星状、片状和网状网络结构,一个基于ZigBee的网络可以容纳最多254个从设备和1个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

④ 时延短:通常时延都在15~30ms之间,因此在对实时性要求高的自动控制领域,ZigBee有着很好的应用和推广。

⑤ 高安全性:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴定功能,采用AES-128加密算法。

⑥ 有效范围小:ZigBee的通信有效覆盖范围在10~75m之间,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境,其具体通信范围受实际发射功率的大小和各种不同应用模式的影响。

ZigBee主要应用在距离短、功耗低且传输速率要求不高的各种电子设备之间,典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。因而它的应用目标主要是:工业控制(如自动控制设备、无线传感器网络)、医护(如监视和传感)、家庭智能控制(如照明、水电气计量及报警)、消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。

2.Z-Wave

Z-Wave是Z-Wave联盟推出的一种基于射频的、低成本、低功耗、适用于无线传感器网络的高可靠性的无线通信技术。目前Z-Wave主要专注于家庭自动化领域,主要包括照明系统控制、读取仪表(水、气、电)、家用电器功能控制、身份识别、能量管理系统等。

Z-Wave属于低速率无线个域网通信技术,其工作频段为908MHz ISM频带,其着力于窄带宽应用。Z-Wave的带宽只有9.6kbps,因而它也不适合用于高数据传输的应用,由于家用自动化系统中传输的数据量不多,所以其9.6kbps的带宽已经足够了。Z-Wave的传输距离为室内大于30m,室外大于10m,但这些都只是在单段传输时距离的理论值,实际的传输距离受发射功率的大小、应用模式及网络中中继节点的使用情况等因素的影响。由于Z-Wave和前面介绍的很多无线通信技术一样工作在ISM频段,那样其所受到的干扰很多,但是Z-Wave通过使用冗余的传送机制来降低干扰,利用浓缩帧格式和随机插入算法保证在网内设备之间高可靠性地进行通信。

基于Z-Wave的网络是一个对等式网络,网络没有中心结构,节点之间的地位是平等的。网络中的节点可以随时加入和离开网络,而且任意节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。

总之,根据Z-Wave结构简单,成本低,功耗低,可靠性高,安全性高和其网络易管理等特征,Z-Wave在家庭自动化领域的市场中将会占有一席之地。

3.Insteon

Insteon是一种复杂度低,功耗低,数据传输速率低,成本低的双向混合通信技术,具有即时响应,易安装,易使用,经济可靠和与X10兼容的特点。Insteon被称为混合通信技术是因为它通过电力线和无线两种方式来实现家庭设备间的互联。Insteon网络是点对点通信的网状网结构,因而网络中所有设备的角色是对等的,都能发送报文、接收报文及转发报文,但是出于节能方面考虑,一般都不转发报文。

家庭网络中单独使用电力线或ISM频段都存在很多问题。单独使用无线通信时,无线设备要受到其他设备的干扰且无线信号在家庭环境中有很强的多径效应。使用电力线存在相位桥接和有严重电流噪声。为了解决这些问题,lnsteon通过电力线和无线构成的双线网状网络,改善了单一介质传输中的问题,提高了网络的可靠性。

Insteon网络工作在131.65kHz的电力线和904MHz的ISM频段上,采用CSMA实现MAC层的访问。当工作在131.65 kHz时,它采用BPSK调制方式,突发数据速率为13165bps,平均数据速率为2 880bps;当工作在904MHz时,它采用FSK调制方式,无线突发数据速率为38400bps。

根据Insteon的空中接口规范,用电力线上的零交叉点可实现电力线设备和无线设备全网同步。Insteon网络中有标准报文和扩展报文两种,其中电力线上传输的报文长度与无线传输的报文长度不一样,传输时报文需要分割成多个分组,每个分组中需要加入额外的同步比特,且只能在1.823ms的零交叉期间(电压零点前0.8ms至后1.023 ms)传输,每个零交叉期间传输的24bit,标准报文和扩展报文长度分别为120bit、264bit,因此传输一个标准报文需6个零交叉,最后一个为静默期,传输一个扩展报文需13个零交叉,最后两个为静默期。无线信道上的标准报文和扩展报文分别为112bit和224bit,需要时间为2.708ms和5.625 ms。

Insteon技术利用联播转发机制,因而不需要路由机制,也不需要网络中心控制器。联播转发为接收报文的设备,在报文转发跳数为非零,目的地址与自己不相符的情况下,在下一个发送周期转发该报文。联播转发机制有两个优点:省略路由,简化设备;提高报文传输的可靠性。

“简单”是Insteon的主要特点和优势:Insteon的安装简单,无须网络设备的登记;Insteon的分组传输也简单,不需要网络控制器,也无须路由,而且相对来说网络中的设备越多越好。Insteon虽简单,但功能不单一,基于Insteon的设备可以通过网络桥接实现与基于Wi-Fi、蓝牙等设备组成的网络进行互联通信。除此之外,Insteon和X10相兼容,它们的信号可以在电力线上共存。这样使得制造商们可以设计基于Insteon/X10混合模式的产品,而且它们可以平等地在各自的环境下运行,同时基于X10的产品可以很容易地升级到Insteon,这使得市场上遗留下来的基于X10的产品不会被淘汰,深受制造商和用户喜爱。基于Insteon技术的特点,Insteon将来定会在家庭智能化中得到广泛应用,带给人们既便利又丰富的家居生活。

4.HomePlug

HomePlug的全称是Home Plug Power Line Alliance,称为家庭插电联盟。家庭插电联盟由松下、英特尔、惠普、夏普等13家公司于2000年3月成立,现已发展成为由90家公司组成的企业联盟,其宗旨是联合包括应用电子、消费电子、软件、硬件、零售等行业的著名公司,致力于为各种信息家电产品建立开放的电力线互联网络接入规范。HomePlug的目标是只通过在安装好的插座上插入电源插头即可构筑起局域网。通过新技术,利用普通的电力线可以传输互联网上的资料,电话、电冰箱、摄像机、电脑及电视等家用电器将来都可以直接用电线插座就能互联在一起。

HomePlug能在电力线上实现可靠的通信主要是在物理层和媒质访问控制子层用了适当的技术。HomePlug在物理层采用正交频分复用技术(OFDM),而且是以突发模式而不是以连续模式来使用OFDM的。OFDM是一种多载波调制技术,它可以提高电力线网络的传输质量。此外,HomePlug还利用交错连接的Viterbi和Reed Solomon FEC处理有效负荷数据,用Turbo Product编码(TPC)处理敏感控制数据字段。

HomePlug的媒质访问控制协议采用的是载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)的变体,其增添了支持优先级,提供公平性并允许对等待时间控制的新特性。采用CSMA/CA,物理层也就可以支持突发传输和接收,也就是说,每个客户只在有数据要发送的时候才启用发射机,数据发送结束,就立即关闭发射机,同时发射机回复到接收模式。

目前,HomePlug联盟推出的HomePlug 1.0标准支持达到通过在10BaseT上的文件传输速率,理论上的最大数据传输率为13Mbps,不过由于该标准将一部分带宽用于网络协议任务,因此实际最大吞吐率约为8.2Mbps。在参与HomePlug 1.0标准测试的家庭中,标准能够适合98%的家庭电气插座,80%以上的家庭平均吞吐率约为5Mbps,这个测试结果打消了人们对电力线联网可行性的顾虑。可想而知,将来会有许多厂商会生产支持HomePlug标准的产品,用户可以用同一条电线既联网又供电,这使得该技术得到推广。