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网罗无线通信技术之无线个域网中若干关键技术

2009-7-28 10:24| 投稿: net

摘要:      作 者:中国计算机报   无线个域网(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定...
     作 者:中国计算机报   无线个域网(WirelessPersonalAreaNetwork,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。   WPAN介绍与标准现状   WPAN是一种与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)并列但覆盖范围相对较小的无线网络。在网络构成上,WPAN位于整个网络链的末端,用于实现同一地点终端与终端间的连接,如连接手机和蓝牙耳机等。WPAN所覆盖的范围一般在10m半径以内,必须运行于许可的无线频段。WPAN设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点。   目前,IEEE、ITU和HomeRF等组织都致力于WPAN标准的研究,其中IEEE组织对WPAN的规范标准主要集中在802.15系列。802.15.1本质上只是蓝牙底层协议的一个正式标准化版本,大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组(SIG)完成,其成果由IEEE批准,原始的802.15.1标准基于Bluetooth1.1,目前大多数蓝牙器件中采用的都是这一版本。新的版本802.15.1a对应于Bluetooth1.2,它包括某些QoS增强功能,并完全后向兼容。802.15.2负责建模和解决WPAN与WLAN间的共存问题,目前正在标准化。802.15.3也称WiMedia,旨在实现高速率,原始版本规定的速率高达55Mb/s,使用基于802.11但与之不兼容的物理层。后来多数厂商倾向于使用802.15.3a,它使用超宽带(UWB)的多频段OFDM联盟的物理层,速率高达480Mb/s。并且生产802.15.3a产品的厂商成立了WiMedia联盟,其任务是对设备进行测试和贴牌,以保证标准的一致性。802.15.4也称Zigbee技术,主要任务是低功耗、低复杂度、低速率的WPAN标准制定,该标准定位于低数据传输速率的应用。附表给出了各种技术之间的比较。   WPAN的关键技术   蓝牙这是大家熟知的无线联网技术,也是目前WPAN应用的主流技术。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。不过,蓝牙设备的兼容性不好。   图1为一款IBM的无线蓝牙鼠标,右边是无线接收器。   UWB(超宽带)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。不过,目前,学术界对UWB是否会对其他无线通信系统产生干扰仍在争论当中。   图2为一款FreescaleUWB芯片组。   Zigbee这是一种新兴的短距离、低功率、低速率无线接入技术。Zigbee标准是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的关于组网、安全和应用软件等方面的技术标准,是IEEE802.15.4的扩展集,它由Zigbee联盟与IEEE802.15.4工作组共同制定。Zigbee工作在2.4GHz频段,共有27个无线信道,数据传输速率为20kb~250kb/s,传输距离为10~75m。   图3为美国Crossbow公司开发的一款符合Zigbee协议的产品MPR2400CA。   RFID俗称电子标签。它是一种非接触式的自动识别技术,通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID由标签、解读器和天线三个基本要素组成。RFID可被广泛应用于物流业、交通运输、医药、食品等各个领域。然而,由于成本、标准等问题的局限,RFID技术和应用环境还很不成熟。主要表现在:制造技术复杂,生产成本高;标准尚未统一;应用环境和解决方案不够成熟,安全性将接受考验。   图4为一款RFID读卡器。   WPAN的未来展望   在过去的几年里,WPAN技术得到了飞速的发展,蓝牙、UWB、Zigbee、RFID、Z-Wave、NFC以及Wibree等各种技术竞相提出,在功耗、成本、传输速率、传输距离、组网能力等方面又各有特点。而WPAN的初衷是实现各种外围设备小范围内的无缝互联,这种想法在未来很长的一段时间内可能还只是一个美好的愿望。但是,无论如何,在当前标准林立的短距离无线通信市场,我们所要做的应该是完善和创新。未来这些技术的命运,是走向融合,还是多足鼎立,我们只能等待市场的选择。   蓝牙、UWB、Zigbee与RFID技术对比   链接:其他无线个域网技术   NFC这是由飞利浦、诺基亚和索尼主推的一种由RFID衍生出来的短距离无线通信技术。使用双方只需互相接近,就可以完成信息交换,并访问内容和服务。NFC可以对无线网络进行快速、主动设置,也可以用作虚拟连接器,服务于现有蜂窝状网络、蓝牙和802.11设备。   Wibree这是诺基亚在赫尔基辛的研究中心宣布的一种新的短距离无线通信技术。该技术可以在设备间进行连接,并且突破了蓝牙固有的能量局限,功耗仅为蓝牙的1/10。2007年6月12日,SIG与Wibree论坛宣布Wibree并入蓝牙,Wibree将作为蓝牙的超低耗电通信标准重新进行定义。   Z-Wave2005年1月,为了开发家庭自动化应用市场,美国芯片和软件开发商Zensys公司与其他60多家厂商在CES(ConsumerElectronicsShow)大会上宣布成立Wave联盟。该联盟推出了基于射频的、低成本、低功耗、高可靠的适于组网的双向无线通信技术,即Z-Wave。Z-Wave的数据传输速率为9.6kb/s,信号有效覆盖范围在室内是30m,室外可达100m,适合窄宽带应用场合。随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,Z-Wave技术是最低功耗和最低成本的技术,Z-Wave正有力地推动着低速率无线个域网的发展。
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