无线个域网

无线网络技术
无线个域网及其技术研究
摘要：
无线个域网(WPAN)是一种与无线广域网fWWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WEAN)并列但覆盖范围相对较小的无线网络。

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。

阐述了无线个域网基本概念、网络分类及特点。

并将其与无线局域网进行简单比较’同时对相关技术进行了分析。

关键词：无线个域网，无线局域网，红外数据标准协会；蓝牙；超宽带；ZigBee 正文：
随着新兴的无线通讯技术、低价位的无线设施、网际网络的普及化，无线网络变得愈来愈普及。

目前无线通信技术从涵盖范围划分主要分为四大类，即无线个域网(WPAN)、无线局域网何LAN)、无线城域网(WMAN)、无线广域网(WWAN)，其中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。

无线个域网指的是在便携式消费电器和通信设备之间进行短距离自组连接的网络覆盖范围一般在10m半径以内这里的自组连接有两层含义(1)设备可以承担主控功能又可以承担被控功能(2)设备可以很容易地加入或者离开现有网络[1]目前使用较为广泛的近距离无线通信技术包括红外数据传输和蓝牙还有一些非常具有发展潜力的技术标准如超宽带和Zigbee等它们都有各自的特点或基于
传输速度距离耗电量的特殊要求或着眼于功能的扩充性
目前，无线个域网(PAN)的主要技术有红外技术(IrDA)、家庭射频(HomeRF)、蓝牙(Bluetooth)、超带宽(I珊璐)、ZigBee、射频识别(RFID)等。

其共同的特点是短距离、低功耗、低成本和个人专用，但是这些技术在功耗、成本、传输速率、传输距离、组网能力、应用等方面各有特点，没有一种技术能够完美到可以满足所有的需求。

1、红外技术(IrDA)
红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网的技术。

红外线数据标准协会IrDA由HP、Compaq、Intel等20多家公司组成，成立于1993年，致力于建立无线传播连接的世界标准。

红外线数据标准协会规定所用红外波长在0．85-0．90pm之间。

1994年第一个红外数据通信标准IrDA 1．0发布，它是一种异步的、半双工的红外通信方式，在1m范围内最高数据速率只有115．2kbit／s。

1996年，发布了IrDA1．1协议，最高数据传输速率可达到4Mbit／s，之后推出的VFIR技术最高数据传输速率可达16Mbit／s，接收角度由传统的30。

扩展到120。

，并将其作为补充纳人IrDA 1.1标准之中。

当前，IrDA技术的软件和硬件技术都已经比较成熟，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。

IrDA的不足在于它是一种视距传输技术，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，这在两台设备之间是容易实现的，但多台设备间就必须调整彼此的位置和角度。

红外技术的主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差，其点对点的传输连接，无法灵活地组成网络。

此外，核心部件红外线LED也不是十分耐用。

技术上的缺点造成红外技术
终究不能成为无线个域网的标准，IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

2、家庭射频技术（HomeRF）
家庭射频技术(HomeRF)是由美国家用射频委员会领导的成立于1997年的家庭射频工作组开发的，首批成员包括Intel、IBM、Compaq、3Com、Philips,Microsoft、Motorola等公司，其主旨是在消费者能够承受的前提下，建设家庭中的互操作性语音和数据网络。

HorneRF工作在开放的2．4GHz的ISM(工业、科学和医学)频段，不需要申请许可证。

采用跳频扩频技术，跳频速率为50跳／S，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，分为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。

在2FSK方式下，最高数据传输速率为1Mbit／s；在4KK方式下，速率可达2Mbit／s。

在新的HomeRF2．X标准中，采用了宽带跳频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10Mbit／s，它可根据数据传输速率动态调整跳频带宽。

HomeRF对流媒体业务规定了高级别的优先权，采用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。

3、蓝牙技术(Bluetooth)
1998年5月，爱立信、诺基亚、英特尔、IBM和东芝等5家公司联合宣布了以第十世纪丹麦国王的名字Bluetooth命名的“蓝牙”计划，成立了蓝牙技术特别兴趣小组(SIG)。

这项计划一经公布，就得到了包括摩托罗拉、朗讯、康柏、西门子以及微软等大公司在内的上千家厂商的广泛支持和采纳，他们的共同目标是建立一个全球性的小范围短距离无线通信技术，即蓝牙技术。

蓝牙技术的主要特
点如下：①全球范围适用：蓝牙也工作在开放的2．4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2．4--2．4835GI-Iz。

②语音和数据的多业务传输：采用电路交换和分组交换技术，支持64kbit／s的实时语音传输和1Mbit／s、4Mbit ／s、8Mbit／s等多种速率的数据传输，蓝牙3．0版的数据传输率提高到了24Mbit ／s，语音和数据可以单独或同时传输。

③支持点到点和点到多点的连接，可以建立临时性的对等连接：用无线方式将若干相互靠近的蓝牙设备连成微微网，一个微微网内包含一个主设备和最多7个从设备。

多个微微网之间也可以进行相互连接，构成散射网，任一蓝牙设备在微微网和散射网中，既可作主设备又可作从设备，还可同时兼作主、从设备。

它是典型的无中心网络，具有自然灵活的组网方式。

④具有很好的抗干扰能力：在2．4～2．4835GHz频段内含有79个带宽为1MHz的信道，蓝牙技术以1MHz带宽信道，1Mbit／s信息速率和高斯频移键控(GFSK)调制进行跳频扩频，跳频速率为1600跳/s，每个频率持续625μs，数据包按时隙传送，采用时分双工(TDD)传输方案实现全双工传输。

采用前向纠错(FEC)编码和自动请求重传(ARQ)纠错机制，减少远距离传输时的随机噪声影响。

⑤低功耗、低辐射、低成本和小体积：蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式——激活模式、呼吸模式、保持模式和休眠模式。

激活模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。

蓝牙设备的功耗能够根据使用模式自动调节，减少发射功率。

随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块，蓝牙产品价格飞速下降。

蓝牙模块体积很小、便于集成。

⑥10m～100m的无线覆盖范围，蓝牙设备最大发射功率分为3个等级：100mw、2．5mw和1mW，发射功率为1mW时的覆盖范围为10m，适合于短距设备(如鼠标、键盘、耳机等)，发射功率为100mW时，覆盖范围可达到100m，适合于设备
需要经常变动的场合(如移动电话、访问接入点、笔记本电脑等)。

⑦开放的接口标准：SIG为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。

⑧安全性：采用鉴权和加密等措施保证设备识别码在全球的唯一性以及通信过程中设备的安全保密。

4、ZigBee技术
ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低复杂度、低成本、容量大的无线通信技术，是当前面向无线传感器网络的技术标准。

ZigBee一词来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息。

ZigBee技术的主要特点有：①低速率：ZigBee的工作频段为2．4GHz、915MHz或868MHz，分别提供250kbit／s、40kbit ／s和20kbit／s的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

②低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为lmW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。

设备可以在电池的驱动下运行数月甚至数年。

③低成本：协议套件紧凑而简单，通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，成本较低，并且ZigBee协议是免专利费的。

④低时延：Zig[k的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。

相比较，蓝牙需要3--10s，Wi—R则需要3s。

⑤网络容量高：ZigBee技术支持星形网、网状网和混合网三种网络拓扑结构，一个Zig／3ee网络可以容纳最多254个从设备和1个主设备，若通过网络协调器，则整个网络可达到65000多个ZigBee网络节点。

⑥数据传输可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。

⑦高安全：
ZigBee提供了基于循环冗余校验(Q配)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

⑧近距离：传输距离为10～75米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公环境。

在增加RF发射功率后，传输距离将可以更远。

⑨工作频段灵活：采用直接序列扩频(DSSS)技术工作在开放的ISM频段，2．4GHZ(全球，16信道)、915MHZ(美国，10信道)或868MHZ(欧洲，1信道)。

5、超宽带(UWB)技术
超宽带（UWB)技术起源于20世纪50年代末。

主要作为军事技术在雷达探测和定位等应用领域中使用。

随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出。

2002年，美国联邦通信委员会(FFC)批准UWB在3．1～10．6GHz的频率范围、以受限的发射功率进行商业应用。

超宽带技术是指信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于0．2的无线通信方案。

在10m的范围内，脉冲所占用的带宽高达几个GHz，数据传输速率可以达到1Gbit／s，设备发射功率却很小。

超宽带无线通信技术以其传输速率高、抗干扰性能强、低功耗、隐蔽性好、定位精度高等突出优点，在无线通信领域得到广泛的应用。

它存在的主要问题是由于系统占用的带宽很高，可能会干扰现有其他无线通信系统。

6、射频识别(RFID)技术
RFID技术是从20世纪80年代走向成熟的一项自动识别技术，它利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递，并通过传递的信息达到识别目的的技术。

RFID由标签、阅读器和天线三个基本要素组成。

电子标
签与阅读器配合完成对被识别对象的信息采集功能，信息处理系统则根据需求承担相应的信息控制和处理工作。

与传统的识别方式相比，RFID技术无需直接接触、无需光学可视、无需人工干预即可完成信息输入和处理，并且操作快捷方便，具有防水、防磁、耐高温、使用寿命长、标签上数据存储量大、可以加密和更改等优点，可广泛应用于物流业、交通运输、医药、食品等多个领域。

7、WPAN的应用
高速率WPAN的应用可以分为两大类：第一类涉及大宗(多兆字节)数据文档传送，第二类涉及时视像和高质量声音研。

在第一类应用中，在以数字格式存储多兆字节照片文档和视像流的数字照相机和摄像机方面能找到许多有用的应用对消费者心理的研究表明，通常当传送时间超过7—15s时用户就不满意了。

利用蓝牙技术，把—个含有3MB图像或视像流的数据文档从一架照相机传到一台PC机大约需要1min。

如果需要传送多个这样的文档的话，目前蓝牙技术提供的1Mbi/s数据速率显然是不够的，至少要高—个数量级。

另一种应用与MP3或CD 格式的音乐文档的配送相关，我们希望可以在Pc机和Mp3播放机或CD机之间传送这些文档。

但是—个只含一首歌的MP3文档的信息量往往大于3MB，如果想在7—15s以内传送完毕，就要求物理层数据速率必须超过1Mbps。

在第二类应用中，在高质量声音和视像的配送方面有若干引人注目的应用。

一种应用是数字摄像机在电视机上进行无线播放。

数字摄像机使用DV格式，在电视机上实时播放的话需要大约30Mbit/s(包括5：1压缩)的数据速率。

另外一种应用是在笔记本电脑与投影仪之间提供无线连接。

实时传送以60Hz作1024*768扫描的电脑图片需架38Mbit/s的数据速率。

高速率16PAN还可以在家庭娱乐系统方面成功地取代电缆枝术．例如利用无线链路把19．2Mbit/s以高清晰度
MPEG2数据流或9．8Mbit/sDVD数据流传送到高清晰度显示器上同样高质量的声音也可以以无线方式传给环绕声音响设备。

在高质量声音应用方面CD声音的传送需要1．5Mbil，s的数据速率，因此，在CD机或MP3播放机与无线头戴耳机或扬声器之间也可以建立高速率WRAN连接。

高速率WPAN的另一应用领域是配有高质量声音和3维图像的交互式游戏。

高速率WPAN可以用来在多玩家游戏控制台和高清晰度显示器或虚拟现实目镜之间建立无线连接。

8、结语
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、应用等方面又各有特点。

WPAN的初衷是实现各种外围设备小范围内的无缝互联，随着无线个域网技术的不断发展以及和其他类型无线网络的不断融合与互补，无线个域网将在全球范围内获得极为广泛的应用，取代线缆连接各种个人用户设备，给人们的生活带来方便和快捷。