无线网络通信技术完全介绍(1)(3)

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。

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