无线个域网技术及相关协议 (1)

作者简介：刘 新(1977－)，女，博士生，主研方向：无线局域网和 无线个域网中基于 MAC 层的视频传输质量改进；吴秋峰，博士、 教授、博导 收稿日期：2006-02-06 E-mail：liux01@
的原 HomeRF 阵营中的主将也转而投向 802.11b 标准的怀抱， HomeRF 技术在市场更是节节败退，一发不可收拾，最终不 得不宣布黯然退出无线联网市场的角逐。2003 年 HomeRF 工 作 组 前 任 主 席 及 Proxim 公 司 产 品 营 销 主 管 表 示 ， 今 后 HomeRF 工作组将停止研发和推广 HomeRF 规范。曾经风光 无限的 HomeRF 终于走完了它的历史征途。
1 红外技术
红外技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。伴 随这种技术的还有红外线数据标准协会 IrDA。该协会成立于 1993 年，是个非营利性组织，致力于建立无线传播连接的世 界标准，目前在全球拥有 160 个会员，参与的厂商包括计算 机及通信硬件、软件及电话公司等。当前，IrDA 技术的软件 和硬件技术都已经比较成熟，主要的技术优势如下：
第 32 卷 第 22 期 Vol.32 No.22 ·网络与通信·
计算机工程 Computer Engineering
文章编号：1000—3428(2006)22—0102—02 文献标识码：A
无线个域网技术及相关协议
2006 年 11 月 November 2006
中图分类号：TP393.1
刘 新，吴秋峰
蓝牙技术从应用的角度来讲，十分类似于当今广泛用于 微波通信中的一点多址技术。因此，它很容易穿透障碍物实 现全方位的数据传输。除此之外，它的其他技术特点还包括：
(1) 蓝 牙 工 作 在 2.4GHz 的 ISM(Industrial 、 Scientific and Medical)频带上，不需要执照许可证。
4 超宽带(UWB)
超宽带(UWB)技术起源于 20 世纪 50 年代末，此前主要 作为军事技术在雷达探测和定位等应用领域中使用。美国 FCC(联邦通信委员会)于 2002 年 2 月准许该技术进入民用领 域[2]，用户不必进行申请即可使用。作为室内通信用途，FCC 已将 3.1GHz～10.6GHz 频带向 U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。
(1)无需专门申请特定频率的使用执照。 (2)具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。 (3)传输速率已经从开始时候 FIR 的 4Mbps 上升为现在最 新 VFIR 的 16Mbps。在接收的角度方面，也由传统的 30°扩 展到 120°。由于采用点到点的连接，因此数据传输所受的干 扰较少。 除了在技术上有自己的特点外，IrDA 的市场优势也是十 分明显的。红外技术已经发展了多年，因此硬件与相应的软 件技术都已经相当成熟。目前，全世界有 5 000 万台设备采 用 IrDA 技术，并且仍然以年递增 50%的速度增长。当今有 95%的手提电脑都安装了 IrDA 接口。在成本上，红外线 LED 及接收器等组件远较一般 RF 组件来得便宜，大约只是蓝牙 产品的 1/10。在这样的情形下，也导致了 IrDA 在市场上面 得到了普遍应用，对应的产品不少，仍然具有一定的市场价 值，因此在短期内不会退出市场。 但是，IrDA 是一种视距传输技术，核心部件红外线 LED
Wireless Personal Area Network Techniques and Related Protocols
LIU Xin, WU Qiufeng
(Automation Department, Tsinghua University, Beijing 100084)
【Abstract】Wireless personal area network (WPAN) is one of the most mushroom fields in current computer networks. At present typical WPAN technologies can be divided into five classes: IrDA, HomeRF, Bluetooth, Ultra-wideband and Zigbee. This paper introduces the characters and related standards/protocols of these technologies, the application areas and development prospects are analyzed and compared. 【Key words】Wireless personal area network (WPAN); Infrared data association (IrDA); Bluetooth; Ultra-wideband; Zigbee
痛做出解散旗下蓝牙部门的决定。根据蓝牙的定位，蓝牙应 该通过一个体积小、成本低、功耗小、跳速快的单芯片来实 现，只有低廉的价格才能在现有的通信产品、家电产品和办 公产品中引入蓝牙技术。如果蓝牙不能很快在技术与成本上 有新的突破，并找到一个市场广阔的实际用途，那么它有可 能和许多原本很有希望的技术标准一样，逐渐被人遗忘。
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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 无线网络的标准。
2 家庭射频(HomeRF)
家庭射频工作组成立于 1997 年，是由美国家用射频委员 会领导的。它的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。
家庭射频工作组于 1998 年制定了共享无线访问协议 (Shared Wireless Access Protocol，SWAP)。该协议主要针对家 庭无线局域网，其数据通信采用简化的 IEEE 802.11 协议标 准，沿用了以太网带有冲突检测的载波监听多址技术 CSMA/CD；在进行语音通信时它采用 DECT(Digital Enhanced Cordless Telephony)标准，使用 TDMA 时分多址技术。家庭 射频工作频段是 2.4GHz，支持数据和音频，最大数据的传输 速 率 为 2Mbps 。 在 新 的 家 庭 射 频 2.x 标 准 中 ， 采 用 了 WBFH(Wide Band Frequency Hopping，宽带调频)技术来增加 跳频带宽，数据峰值达到 10Mbps。
3 蓝牙(Bluetooth)
1998 年 5 月，5 家世界著名的 IT 公司爱立信、IBM、因 特尔、诺基亚和东芝联合宣布了“蓝牙”计划，使不同厂家 的便携设备在没有电缆连接时，利用无线技术在近距离范围 内具有相互操作的性能。随后这 5 家公司组建了一个特殊的 兴趣组织(SIG)来负责此项计划的开发。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 公司在内的近 2 000 家厂商的广泛支持和采纳。1999 年 7 月 蓝牙 SIG 推出了蓝牙协议 1.0 版。
UWB 通信技术与现有无线通信技术相比，主要特点有： (1)传输速率很高。UWB 的数据传输速率轻易可达到 100Mbps 以上，第 2 代产品可望达到 500Mbps 以上。 (2) 占 用 很 宽 的 频 带 。 UWB 意 为 “ 超 宽 带 ” (Ultra Wideband) ， 这 表 明 它 占 据 的 频 带 宽 度 很 宽 ， 譬 如 要 占 据 从 2GHz～6GHz 之间的 4GHz 带宽。而 GSM 手机使用的带宽只 有 30kHz，802.11b 的带宽也不过是 20MHz 左右。与现有的 无线通信技术相比，UWB 的不同之处在于不使用载波，而是 利用纳秒左右宽度的短脉冲来传输数据。通过调制脉冲的位 置、幅度等来代表不同的信号。 (3)低耗电。常规的无线技术在通信时需要连续发出载波 (电波)，自然要消耗电能，而 UWB 是发出瞬间尖波形电波， 即所谓的脉冲电波——直接按照 0 或 1 发送出去。由于只在 需要时发送出脉冲电波，因而大大减少了耗电量。 (4)低成本。UWB 产品不再需要复杂的射频转换电路和 调制电路，它只需要一种数字方式来产生脉冲，并对脉冲进 行数字调制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，因此 其收发电路的成本很低。现在有的设备生产商已可将这种电 路集成到一个硬币大小的芯片上了。 (5)抗干扰。UWB 对多路径干扰具有固有的抑制能力， 因此特别适合用于室内。 围绕 UWB 的标准之争从一开始就非常激烈。目前二十 几个标准只剩下了 2 个：来自 Freescale 的 DS-UWB[3]和由 TI 倡导的 MBOA[4]。 从技术上讲，MBOA 和 DS-UWB 是无法彼此妥协的。 MBOA 在最近的一次表决中占了约 10%的优势，但仍然没有 达到 75%的绝对多数。从产品上讲，DS-UWB 在开始的时候 走在了前面。它的样品在 2004 年初已经在拉斯维加斯的消费 电子展上展出，但之后的进展比较缓慢，当时存在的问题今 天依然存在，例如功耗很大、需要两根天线分别收发、在天 线与接收器中间有阻挡时会出现花屏等。而另一方 MBOA 正 迎头赶上，来自 Staccato 公司芯片级的物理层芯片在 2004 年 的第一季度已经完成，八、九月份的时候，配合 TI 公司可编 程门阵列(FPGA)的媒体存取控制器(MAC)已经可以工作。这 将是两个芯片的方案，相比较于 DS-UWB 目前的 4 芯片方案 在成本、体积和功耗上占有较大的优势。MBOA 已经得到无 线 USB 的批准，而 DS-UWB 尚未得到，这对于 DS-UWB 是 一个严重的缺憾。新技术、新产品的开发需要经过以下 4 个 阶段：(1)芯片阶段；(2)模块阶段；(3)系统阶段；(4)产品阶 段。DS-UWB 已处于模块阶段，而 MBOA 刚刚进入芯片阶段。