无线网络通信技术完全介绍(1)(4)
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。
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