【導讀】關(guān)于無線通信網(wǎng)絡技術(shù)，生活中已經(jīng)隨處可見。本文總結(jié)了國際上最新的無線通信網(wǎng)絡的最新技術(shù)。國際上的通信技術(shù)種類將無線傳感器網(wǎng)絡劃分為五大區(qū)域，分別是無線廣域網(wǎng)(WWAN)、無線城域網(wǎng)(WMAN)、無線局域網(wǎng)(WLAN)、無線個域網(wǎng)(WPAN)、低速率無線個域網(wǎng)(LR-WPAN)。
一、無線個域網(wǎng)(WPAN)
從網(wǎng)絡構(gòu)成上來看，無線個域網(wǎng)WPAN(Wireless Personal Area Networks)位于整個網(wǎng)絡架構(gòu)的底層，用于很小范圍內(nèi)的終端與終端之間的連接，即點到點的短距離連接。WPAN是基于計算機通信的專用網(wǎng)，工作在個人操作環(huán)境，把需要相互通信的裝置構(gòu)成一個網(wǎng)絡，且無須任何中央管理裝置及軟件。用于無線個域網(wǎng)的通信技術(shù)有很多，如藍牙、紅外、UWB、HomeRF等，下面就幾種主要的技術(shù)進行講述。
1.藍牙(Bluetooth)
藍牙(Bluetooth)是由愛立信、英特爾、諾基亞、IBM和東芝等公司于1998年5月聯(lián)合主推的一種短距離無線通信技術(shù)，它可以用于在較小的范圍內(nèi)通過無線連接的方式實現(xiàn)固定設(shè)備或移動設(shè)備之間的網(wǎng)絡互聯(lián)，從而在各種數(shù)字設(shè)備之間實現(xiàn)靈活、安全、低功耗、低成本的語音和數(shù)據(jù)通信。藍牙技術(shù)的一般有效通信范圍為10m，強的可以達到100m左右，其最高速率可達1Mbps。
藍牙技術(shù)運行在全球通行的、無須申請許可的2.4GHz頻段。采用GFSK調(diào)制技術(shù)，傳輸速率達1Mbps;采用FHSS擴頻技術(shù)，把信道分成若干個長為625μs的時隙，每個時隙交替進行發(fā)射和接收，實現(xiàn)時分雙工。在2.402～2.480GHz頻段內(nèi)含有間隔為1MHz的79個跳頻載頻及一系列的跳頻序列，跳頻速率為1 600hops/s，每個時隙傳送一個分組數(shù)據(jù)。藍牙由于采用了時分雙工，可以防止收發(fā)信機之間的串擾;采用跳頻技術(shù)提高了設(shè)備抗干擾能力，以及提供了一定的安全保障，便于疊區(qū)組網(wǎng)。
藍牙采用電路交換和分組交換技術(shù)，可獨立或同時支持異步數(shù)據(jù)信道和語音信道。每個同步語音信道數(shù)據(jù)速率為64kbps，語音信號編碼采用脈沖編碼調(diào)制或連續(xù)可變斜率增量調(diào)制方法。當采用非對稱信道傳輸數(shù)據(jù)時，其速率可達723.2kbps;當采用對稱信道傳輸數(shù)據(jù)時，速率最高為342.6kbps。藍牙還使用了前向糾錯(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)機制，從而抑制了長距離鏈路的隨機噪聲。
基于藍牙技術(shù)的設(shè)備在網(wǎng)絡中所扮演的角色有主設(shè)備和從設(shè)備之分。主設(shè)備負責設(shè)定跳頻序列，從設(shè)備必須與主設(shè)備保持同步。主設(shè)備負責控制主從設(shè)備之間的業(yè)務傳輸時間與速率。在組網(wǎng)方式上，通過藍牙設(shè)備中的主設(shè)備與從設(shè)備可以形成一點到多點的連接，即在主設(shè)備周圍組成一個微微網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)任何從設(shè)備都可與主設(shè)備通信，而且這種連接無須任何復雜的軟件支持，但是一個主設(shè)備同時最多只能與網(wǎng)內(nèi)的7個從設(shè)備相連接進行通信。同樣，在一個有效區(qū)域內(nèi)多個微微網(wǎng)通過節(jié)點橋接可以構(gòu)成散射網(wǎng)。
藍牙技術(shù)是一種新興的技術(shù)，其傳輸使用的功耗很低，它可以應用到無線傳感器網(wǎng)絡中。同時，也可以廣泛應用于無線設(shè)備(如PDA、手機、智能電話)、圖像處理設(shè)備(照相機、打印機、掃描儀)、安全產(chǎn)品(智能卡、身份識別、票據(jù)管理、安全檢查)、消遣娛樂(藍牙耳機、MP3、游戲)、汽車產(chǎn)品(GPS、動力系統(tǒng)、安全氣袋)、家用電器(電視機、電冰箱、電烤箱、微波爐、音響、錄像機)、醫(yī)療健身、智能建筑、玩具等領(lǐng)域。如今日常生活中基于藍牙技術(shù)的手機、耳機和筆記本電腦隨處可見。
2.紅外(IrDA)
IrDA是國際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會的英文縮寫，IrDA技術(shù)是一種利用紅外線進行點對點短距離通信的技術(shù)。IrDA技術(shù)的主要特點有：利用紅外傳輸數(shù)據(jù)，無須專門申請?zhí)囟l段的使用執(zhí)照;具有對設(shè)備體積小、功率低的特點;由于采用點到點的連接，數(shù)據(jù)傳輸所受到的干擾較小，數(shù)據(jù)傳輸速率高，速率可達16Mbps。
由于IrDA使用紅外線作為傳播介質(zhì)。紅外線是波長在0.75～1000μm之間的無線電波，是人用肉眼看不到的光線。紅外數(shù)據(jù)傳輸一般采用紅外波段內(nèi)波長在0.75～25μm之間的近紅外線。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會成立后，為保證不同廠商基于紅外技術(shù)的產(chǎn)品能獲得最佳的通信效果，規(guī)定所用紅外波長在0.85～0.90μm之間，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會相繼也制訂了很多紅外通信協(xié)議，有些注重傳輸速率，有些則注重功耗，也有二者兼顧的。
IrDA1.0標準簡稱SIR(Serial Infrared，串行紅外協(xié)議)，它是基于HP-SIR開發(fā)出來的一種異步的、半雙工的紅外通信方式，它以系統(tǒng)的異步通信收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)為依托，通過對串行數(shù)據(jù)脈沖的波形壓縮和對所接收的光信號電脈沖的波形擴展這一編解碼過程(3/16 EnDec)實現(xiàn)紅外數(shù)據(jù)傳輸。SIR的最高數(shù)據(jù)速率只有115.2kbps。在1996年，發(fā)布了IrDA1.1協(xié)議，簡稱FIR(Fast Infrared，快速紅外協(xié)議)，采用4PPM(Pulse Position Modulation，脈沖相位調(diào)制)編譯碼機制，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達到4Mbps，同時在低速時保留1.0標準的規(guī)定。之后，IrDA又推出了最高通信速率在16Mbps的VFIR(Very Fast Infrared)技術(shù)，并將其作為補充納入IrDA1.1標準之中。
IrDA標準都包括三個基本的規(guī)范和協(xié)議：紅外物理層連接規(guī)范IrPHY(Infrared PhysicalLayer Link Specification)、紅外連接訪問協(xié)議IrLAP(Infrared Link Access Protoco1)和紅外連接管理協(xié)議IrLMP(Infrared Link Management Protoco1)。IrPHY規(guī)范制訂了紅外通信硬件設(shè)計上的目標和要求;IrLAP和IrLMP為兩個軟件層，負責對連接進行設(shè)置、管理和維護。在IrLAP和IrLMP基礎(chǔ)上，針對一些特定的紅外通信應用領(lǐng)域，IrDA還陸續(xù)發(fā)布了一些更高級別的紅外協(xié)議，如TinyTP、IrOBEX、IrCOMM、IrLAN、IrTran-P等。
IrDA技術(shù)缺陷主要有：
受視距影響其傳輸距離短;
要求通信設(shè)備的位置固定;
其點對點的傳輸連接，無法靈活地組成網(wǎng)絡等。
但是這些缺點并沒有給IrDA的應用帶來致命的障礙，紅外技術(shù)已在手機和筆記本電腦等設(shè)備上得到了廣泛的應用。
3.UWB
UWB(Ultra Wideband)技術(shù)最初是被作為軍用雷達技術(shù)開發(fā)的，它是一種不用載波，而采用時間間隔極短(小于1納秒)的脈沖進行通信的方式，能在10m左右的范圍內(nèi)達到數(shù)百Mbps至數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。
UWB的工作頻段為3.1～10.6GHz，作為一種時域通信技術(shù)，UWB采用超短周期脈沖對信號進行調(diào)制，把信號直接按照0或1發(fā)送出去，而不使用載波，這與此前的無線通信截然不同。而且脈沖調(diào)制產(chǎn)生的信號為超寬帶信號，譜密度極低，信號的中心頻率在650MHz～5GHz之間，發(fā)送功率非常小，平均功率為亞毫瓦量級。UWB采用跳時擴頻信號，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲;接收時將信號能量還原出來，在解擴過程中產(chǎn)生擴頻增益，從而抗干擾和抗多徑的能力強。與CDMA系統(tǒng)相比，時域通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低。
UWB技術(shù)具有上述高速率、低成本、低功耗和抗多徑能力強等顯著特性，而UWB最引人注目的特點還是其具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以應用到家庭中的視頻超高數(shù)據(jù)傳輸應用中去，解決了以前眾多無線通信技術(shù)所不能達到的高速率數(shù)據(jù)傳輸問題。
目前有關(guān)UWB的標準還沒有制訂。在UWB標準化的工作上，存在兩大技術(shù)陣營：多頻帶正交頻分復用(MB-OFDM)和直序列碼分多址(DS-CDMA)。這兩大陣營的代表廠商前者有德州儀器、英特爾、三星電子等，后者是美國XtremeSpectrum、FreeScale等為主的DS-CDMA聯(lián)盟。在標準的制訂中，兩個陣營都互不妥協(xié)，目前都還沒有達成一致的方案。這兩個技術(shù)提案都有其各自的特點和技術(shù)優(yōu)勢，最終選擇哪種方案還要綜合考慮市場等因素。至于這兩種技術(shù)提案的具體內(nèi)容可以查閱相關(guān)資料，在這里就不展開講述。
UWB技術(shù)在無線通信技術(shù)方面的創(chuàng)新性、利益性具有很大的潛力，不僅在軍事上有巨大應用價值(比如雷達跟蹤、精確定位)，在商業(yè)多媒體設(shè)備、家庭數(shù)字娛樂和個人網(wǎng)絡方面也極大地提高了一般消費者和專業(yè)人員的適應性和滿意度。相信在軍事需求和商業(yè)市場的推動下，UWB技術(shù)將會進一步發(fā)展和成熟起來，廣泛地應用到眾多領(lǐng)域中去。
[page]
4.HomeRF
HomeRF是由HomeRF工作組開發(fā)的，它是在家庭區(qū)域范圍內(nèi)的計算機和電子設(shè)備之間實現(xiàn)無線數(shù)字通信的開放性工業(yè)標準，為家庭用戶建立具有互操作性的音頻和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)帶來了便利。
HomeRF是IEEE 802.11與DECT(Digital Enhanced Cordless Telephony)的結(jié)合。與前面所介紹的IEEE 802.11、IEEE 802.11b、藍牙等無線通信技術(shù)一樣，HomeRF工作在開放的2.4GHz頻段，采用跳頻擴頻(FHSS)技術(shù)，跳頻速率為50hops/s，共有75個帶寬為1 MHz的跳頻信道，室內(nèi)覆蓋范圍約45m，調(diào)制方式為恒定包絡的FSK調(diào)制，且分2FSK與4FSK兩種，采用FSK調(diào)制可以有效地抑制無線通信環(huán)境下的干擾和衰落。2FSK方式下，最高數(shù)據(jù)的傳輸速率為1Mbps;4FSK方式下，速率可達2Mbps。在新的HomeRF 2.x標準中，采用了寬帶跳頻(Wide Band Frequency Hopsping，WBFH)技術(shù)來增加跳頻帶寬，由原來的1MHz跳頻信道增加到3MHz和5MHz，跳頻的速率也提高到75hops/s，數(shù)據(jù)傳輸速率峰值達10Mbps。
HomeRF是對現(xiàn)有無線通信標準的綜合和改進。HomeRF把共享無線接入?yún)f(xié)議(SWAP)作為網(wǎng)絡的技術(shù)指標，當進行數(shù)據(jù)通信時，采用簡化的IEEE 802.11標準，沿用類似于以太網(wǎng)技術(shù)中的載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)方式;當進行語音通信時，則采用DECT無線通信標準，使用TDMA技術(shù)。HomeRF提供了對流媒體真正意義上的支持，其規(guī)定了高級別的優(yōu)先權(quán)并采用了帶有優(yōu)先權(quán)的重發(fā)機制，這樣就滿足了播放流媒體所需的高帶寬、低干擾、低誤碼要求。
目前HomeRF技術(shù)僅獲得了少數(shù)公司的支持，并且由于在抗干擾能力等方面與其他技術(shù)標準相比也存在不少缺陷，這些使得HomeRF技術(shù)的應用和發(fā)展前景受到限制，又加上這一標準推出后，市場策略定位不準、后續(xù)研發(fā)與技術(shù)升級進展遲緩，因此，從2000年之后，HomeRF技術(shù)開始走下坡路，2001年HomeRF的普及率降至30%，逐漸喪失市場份額。尤其是芯片制造巨頭英特爾公司決定在其面向家庭無線網(wǎng)絡市場的AnyPoint產(chǎn)品系列中增加對IEEE802.11b標準的支持后，HomeRF的發(fā)展前景比較不樂觀。這樣看來，HomeRF很難沖出只能在家庭里應用的限制。
5.IEEE 802.15.1
IEEE 802.15.1標準是IEEE批準的用于無線個域網(wǎng)的藍牙技術(shù)標準，它是由藍牙標準演變而來的。該標準手2002年推出，但是在實施過程中進行了修改，于2005年發(fā)布了它的修正版。IEEE 802.15.1主要規(guī)定了OSI模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層下的四個子層標準。
① 無線層(RF layer)：無線層實現(xiàn)在主站和從站之間發(fā)送比特流。該層的無線接口基于天線能力，其功率為0～20dBm。藍牙技術(shù)運行在2.4 GHz頻段并且傳輸鏈路范圍從0.1～10m左右。
② 基帶層(Base band Layer)：實現(xiàn)組合電路交換和分組交換，為同步分組傳輸預留時間帶，一個分組可占1個信道、3個信道或者5個信道，每個分組以不同跳頻發(fā)送。它可以完成成幀和信道管理的功能。
③ 鏈路管理器層(Link Manager)：主要負責在藍牙設(shè)備間建立鏈路。鏈路管理器也對安全、基帶數(shù)據(jù)包大小協(xié)商、電源模式、藍牙設(shè)備的周期性控制及藍牙設(shè)備在所屬微微網(wǎng)中與主設(shè)備的連接狀態(tài)等方面進行管理。
④ 邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP：Logical Link Control and Adaptation Protoco1)：提供無連接和面向連接服務的上層協(xié)議，主要是完成協(xié)議的多路復用/分用，接受上層的分組分段傳輸，在接收端進行重組和處理服務質(zhì)量等。IEEE 802.15.1標準所規(guī)定的4層標準在第8章的藍牙技術(shù)標準中將進行較詳細的講述，在這就簡單敘述一下。
IEEE 802.15.1標準的工作頻率范圍是2.4 GHz，傳輸數(shù)據(jù)時的有效帶寬僅為500～700kbps之間。由于IEEE 802.15.1標準與藍牙特殊利益集團(又名藍牙特別興趣小組)主張的藍牙1.1標準完全兼容，為人們廣泛地接受這種連接手機、計算機和其他設(shè)備的標準鋪平了道路。
6.RFID
RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即無線射頻識別。RFID技術(shù)是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別貼有標簽的目標對象并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作不需要人工干預，而且可應用于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別處于運動中的目標對象并可同時識別多個標簽，工作快捷方便。
一般的RFID系統(tǒng)由天線(Antenna)、閱讀器(Reader)和標簽(Tag)三個基本部分組成。
① 天線：它主要完成在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號。
② 閱讀器：它是讀取(有時也可以進行寫入)標簽信息的設(shè)備，可設(shè)計為手持式或固定式。
③ 標簽：它由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，根據(jù)各標準，其位數(shù)也不同，附著在物體上標識目標對象，俗稱電子標簽。目前標簽分為有源標簽和無源標簽兩種。
RFID技術(shù)的基本工作原理：把標簽放入磁場，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應電流所獲得的能量，如果是無源標簽，它發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息，如果是有源標簽，它則主動發(fā)送某一頻率的信號，然后閱讀器讀取信息并解碼，最后送至中心信息系統(tǒng)進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。
目前國際上RFID的標準還不統(tǒng)一，很多公司企業(yè)都推出各自的標準，而且之間互不兼容。全球主要有兩大陣營：歐美的Auto-ID Center與日本的Ubiquitous ID Center(UID)。前者的領(lǐng)導組織是美國的EPC環(huán)球協(xié)會，旗下有沃爾瑪集團、英國Tesco等企業(yè)，同時有IBM、微軟、飛利浦、Auto-ID Lab等公司提供技術(shù)支持;后者主要由日本廠商組成。歐美的EPC標準采用860～930MHz的UHF頻段，電子標簽的信息位數(shù)為96位，日本RFID標準采用2.45GHz和13.56MHz的頻段，其電子標簽的信息位數(shù)為128位。
RFID技術(shù)可運用在很多方面，其典型應用有物流和供應鏈管理、生產(chǎn)制造和裝配、航空行李處理、郵件與快運包裹處理、文檔追蹤、圖書館管理、動物身份標識、運動計時、門禁控制、電子門票和道路自動收費等。
[page]
二、低速率無線個域網(wǎng)(LR-WPAN)
1.IEEE 802.15.4/ZigBee
IEEE 802.15.4是為滿足低功耗、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡要求而專門開發(fā)的低速率WPAN標準。IEEE 802.15.4工作在ISM頻段，它定義了2.45GHz頻段和868/915 MHz頻段兩個物理層，這兩個物理層都采用直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)。在2.45GHz頻段有16個速率為250kbps的信道，在868 MHz頻段有1個20kbps的信道，在915MHz頻段有l(wèi)0個40kbps的信道。IEEE 802.15.4有如下優(yōu)點。
① 網(wǎng)絡能力強：IEEE 802.15.4具有卓越的網(wǎng)絡能力，在基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡中，可對多達254個網(wǎng)絡設(shè)備進行動態(tài)尋址。
② 適應性好：IEEE 802.15.4可與現(xiàn)有控制網(wǎng)絡標準無縫集成。通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器可自動建立網(wǎng)絡，采用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)方式進行信道存取。
③ 可靠性高：IEEE 802.15.4提供全握手協(xié)議，能可靠地傳遞數(shù)據(jù)。
ZigBee建立在IEEE 802.15.4標準上，并確定了可以在不同制造商之間共用的應用協(xié)議，是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)。它依據(jù)IEEE 802.15.4標準，可在眾多的傳感器節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。
ZigBee是建立在IEEE 802.15.4標準之上的，因此ZigBee并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和數(shù)據(jù)鏈路層采用了IEEE 802.15.4標準，但在此基礎(chǔ)上進行了完善和擴展。其網(wǎng)絡層、應用支持子層和高層應用規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟進行制訂。基于ZigBee的網(wǎng)絡可以是一個由多達65000個網(wǎng)絡節(jié)點組成的一個無線傳感器網(wǎng)絡，類似現(xiàn)有的移動通信的CDMA網(wǎng)絡或GSM網(wǎng)絡，每一個基于ZigBee的網(wǎng)絡中的節(jié)點類似移動網(wǎng)絡的一個基站，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信。每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從典型的75m，到擴展后的幾百米，甚至幾千米。另外，整個基于ZigBee的網(wǎng)絡還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡連接。但基于ZigBee的網(wǎng)絡主要是為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立的，而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立的。
基于ZigBee的網(wǎng)絡的每個節(jié)點不僅本身可以是監(jiān)控對象，它還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料，例如，傳感器連接直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。除此之外，在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，基于ZigBee的網(wǎng)絡的主設(shè)備節(jié)點還可以和其網(wǎng)絡中多個不進行信息轉(zhuǎn)發(fā)的孤立從設(shè)備節(jié)點無線連接。基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡的每個節(jié)點可支持多到31個傳感器節(jié)點和受控設(shè)備，每一個傳感器節(jié)點和受控設(shè)備中可以有8種不同的接口方式，可以用來采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。
ZigBee技術(shù)具有以下特點：
① 數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10～250kbps的帶寬，因而它專注于低數(shù)據(jù)傳輸方面應用。
② 功耗低、成本低：由于工作周期很短，并且在應用中采用了休眠模式，那么收發(fā)信息功耗較低。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，這大大降低了成本。
③ 網(wǎng)絡容量大：ZigBee支持星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，一個基于ZigBee的網(wǎng)絡可以容納最多254個從設(shè)備和1個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡。
④ 時延短：通常時延都在15～30ms之間，因此在對實時性要求高的自動控制領(lǐng)域，ZigBee有著很好的應用和推廣。
⑤ 高安全性：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒定功能，采用AES-128加密算法。
⑥ 有效范圍小：ZigBee的通信有效覆蓋范圍在10～75m之間，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境，其具體通信范圍受實際發(fā)射功率的大小和各種不同應用模式的影響。
ZigBee主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率要求不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)。因而它的應用目標主要是：工業(yè)控制(如自動控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡)、醫(yī)護(如監(jiān)視和傳感)、家庭智能控制(如照明、水電氣計量及報警)、消費類電子設(shè)備的遙控裝置、PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域。
2.Z-Wave
Z-Wave是Z-Wave聯(lián)盟推出的一種基于射頻的、低成本、低功耗、適用于無線傳感器網(wǎng)絡的高可靠性的無線通信技術(shù)。目前Z-Wave主要專注于家庭自動化領(lǐng)域，主要包括照明系統(tǒng)控制、讀取儀表(水、氣、電)、家用電器功能控制、身份識別、能量管理系統(tǒng)等。
Z-Wave屬于低速率無線個域網(wǎng)通信技術(shù)，其工作頻段為908MHz ISM頻帶，其著力于窄帶寬應用。Z-Wave的帶寬只有9.6kbps，因而它也不適合用于高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽茫捎诩矣米詣踊到y(tǒng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不多，所以其9.6kbps的帶寬已經(jīng)足夠了。Z-Wave的傳輸距離為室內(nèi)大于30m，室外大于10m，但這些都只是在單段傳輸時距離的理論值，實際的傳輸距離受發(fā)射功率的大小、應用模式及網(wǎng)絡中中繼節(jié)點的使用情況等因素的影響。由于Z-Wave和前面介紹的很多無線通信技術(shù)一樣工作在ISM頻段，那樣其所受到的干擾很多，但是Z-Wave通過使用冗余的傳送機制來降低干擾，利用濃縮幀格式和隨機插入算法保證在網(wǎng)內(nèi)設(shè)備之間高可靠性地進行通信。
基于Z-Wave的網(wǎng)絡是一個對等式網(wǎng)絡，網(wǎng)絡沒有中心結(jié)構(gòu)，節(jié)點之間的地位是平等的。網(wǎng)絡中的節(jié)點可以隨時加入和離開網(wǎng)絡，而且任意節(jié)點的故障不會影響整個網(wǎng)絡的運行，具有很強的抗毀性。
總之，根據(jù)Z-Wave結(jié)構(gòu)簡單，成本低，功耗低，可靠性高，安全性高和其網(wǎng)絡易管理等特征，Z-Wave在家庭自動化領(lǐng)域的市場中將會占有一席之地。
3.Insteon
Insteon是一種復雜度低，功耗低，數(shù)據(jù)傳輸速率低，成本低的雙向混合通信技術(shù)，具有即時響應，易安裝，易使用，經(jīng)濟可靠和與X10兼容的特點。Insteon被稱為混合通信技術(shù)是因為它通過電力線和無線兩種方式來實現(xiàn)家庭設(shè)備間的互聯(lián)。Insteon網(wǎng)絡是點對點通信的網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因而網(wǎng)絡中所有設(shè)備的角色是對等的，都能發(fā)送報文、接收報文及轉(zhuǎn)發(fā)報文，但是出于節(jié)能方面考慮，一般都不轉(zhuǎn)發(fā)報文。
家庭網(wǎng)絡中單獨使用電力線或ISM頻段都存在很多問題。單獨使用無線通信時，無線設(shè)備要受到其他設(shè)備的干擾且無線信號在家庭環(huán)境中有很強的多徑效應。使用電力線存在相位橋接和有嚴重電流噪聲。為了解決這些問題，lnsteon通過電力線和無線構(gòu)成的雙線網(wǎng)狀網(wǎng)絡，改善了單一介質(zhì)傳輸中的問題，提高了網(wǎng)絡的可靠性。
Insteon網(wǎng)絡工作在131.65kHz的電力線和904MHz的ISM頻段上，采用CSMA實現(xiàn)MAC層的訪問。當工作在131.65 kHz時，它采用BPSK調(diào)制方式，突發(fā)數(shù)據(jù)速率為13165bps，平均數(shù)據(jù)速率為2 880bps;當工作在904MHz時，它采用FSK調(diào)制方式，無線突發(fā)數(shù)據(jù)速率為38400bps。
根據(jù)Insteon的空中接口規(guī)范，用電力線上的零交叉點可實現(xiàn)電力線設(shè)備和無線設(shè)備全網(wǎng)同步。Insteon網(wǎng)絡中有標準報文和擴展報文兩種，其中電力線上傳輸?shù)膱笪拈L度與無線傳輸?shù)膱笪拈L度不一樣，傳輸時報文需要分割成多個分組，每個分組中需要加入額外的同步比特，且只能在1.823ms的零交叉期間(電壓零點前0.8ms至后1.023 ms)傳輸，每個零交叉期間傳輸?shù)?4bit，標準報文和擴展報文長度分別為120bit、264bit，因此傳輸一個標準報文需6個零交叉，最后一個為靜默期，傳輸一個擴展報文需13個零交叉，最后兩個為靜默期。無線信道上的標準報文和擴展報文分別為112bit和224bit，需要時間為2.708ms和5.625 ms。
Insteon技術(shù)利用聯(lián)播轉(zhuǎn)發(fā)機制，因而不需要路由機制，也不需要網(wǎng)絡中心控制器。聯(lián)播轉(zhuǎn)發(fā)為接收報文的設(shè)備，在報文轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)為非零，目的地址與自己不相符的情況下，在下一個發(fā)送周期轉(zhuǎn)發(fā)該報文。聯(lián)播轉(zhuǎn)發(fā)機制有兩個優(yōu)點：省略路由，簡化設(shè)備;提高報文傳輸?shù)目煽啃浴?br />
“簡單”是Insteon的主要特點和優(yōu)勢：Insteon的安裝簡單，無須網(wǎng)絡設(shè)備的登記;Insteon的分組傳輸也簡單，不需要網(wǎng)絡控制器，也無須路由，而且相對來說網(wǎng)絡中的設(shè)備越多越好。Insteon雖簡單，但功能不單一，基于Insteon的設(shè)備可以通過網(wǎng)絡橋接實現(xiàn)與基于Wi-Fi、藍牙等設(shè)備組成的網(wǎng)絡進行互聯(lián)通信。除此之外，Insteon和X10相兼容，它們的信號可以在電力線上共存。這樣使得制造商們可以設(shè)計基于Insteon/X10混合模式的產(chǎn)品，而且它們可以平等地在各自的環(huán)境下運行，同時基于X10的產(chǎn)品可以很容易地升級到Insteon，這使得市場上遺留下來的基于X10的產(chǎn)品不會被淘汰，深受制造商和用戶喜愛。基于Insteon技術(shù)的特點，Insteon將來定會在家庭智能化中得到廣泛應用，帶給人們既便利又豐富的家居生活。
4.HomePlug
HomePlug的全稱是Home Plug Power Line Alliance，稱為家庭插電聯(lián)盟。家庭插電聯(lián)盟由松下、英特爾、惠普、夏普等13家公司于2000年3月成立，現(xiàn)已發(fā)展成為由90家公司組成的企業(yè)聯(lián)盟，其宗旨是聯(lián)合包括應用電子、消費電子、軟件、硬件、零售等行業(yè)的著名公司，致力于為各種信息家電產(chǎn)品建立開放的電力線互聯(lián)網(wǎng)絡接入規(guī)范。HomePlug的目標是只通過在安裝好的插座上插入電源插頭即可構(gòu)筑起局域網(wǎng)。通過新技術(shù)，利用普通的電力線可以傳輸互聯(lián)網(wǎng)上的資料，電話、電冰箱、攝像機、電腦及電視等家用電器將來都可以直接用電線插座就能互聯(lián)在一起。
HomePlug能在電力線上實現(xiàn)可靠的通信主要是在物理層和媒質(zhì)訪問控制子層用了適當?shù)募夹g(shù)。HomePlug在物理層采用正交頻分復用技術(shù)(OFDM)，而且是以突發(fā)模式而不是以連續(xù)模式來使用OFDM的。OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，它可以提高電力線網(wǎng)絡的傳輸質(zhì)量。此外，HomePlug還利用交錯連接的Viterbi和Reed Solomon FEC處理有效負荷數(shù)據(jù)，用Turbo Product編碼(TPC)處理敏感控制數(shù)據(jù)字段。
HomePlug的媒質(zhì)訪問控制協(xié)議采用的是載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)的變體，其增添了支持優(yōu)先級，提供公平性并允許對等待時間控制的新特性。采用CSMA/CA，物理層也就可以支持突發(fā)傳輸和接收，也就是說，每個客戶只在有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時候才啟用發(fā)射機，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，就立即關(guān)閉發(fā)射機，同時發(fā)射機回復到接收模式。
目前，HomePlug聯(lián)盟推出的HomePlug 1.0標準支持達到通過在10BaseT上的文件傳輸速率，理論上的最大數(shù)據(jù)傳輸率為13Mbps，不過由于該標準將一部分帶寬用于網(wǎng)絡協(xié)議任務，因此實際最大吞吐率約為8.2Mbps。在參與HomePlug 1.0標準測試的家庭中，標準能夠適合98%的家庭電氣插座，80%以上的家庭平均吞吐率約為5Mbps，這個測試結(jié)果打消了人們對電力線聯(lián)網(wǎng)可行性的顧慮。可想而知，將來會有許多廠商會生產(chǎn)支持HomePlug標準的產(chǎn)品，用戶可以用同一條電線既聯(lián)網(wǎng)又供電，這使得該技術(shù)得到推廣。
相關(guān)閱讀：
解決無線通信系統(tǒng)頻率干擾設(shè)計
手機無線通信模塊解析：多模多頻下的射頻挑戰(zhàn)和對策
無線通信系統(tǒng)頻率干擾及其解決方案研究
