【導(dǎo)讀】關(guān)于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，生活中已經(jīng)隨處可見(jiàn)。本文總結(jié)了國(guó)際上最新的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的最新技術(shù)。國(guó)際上的通信技術(shù)種類(lèi)將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)劃分為五大區(qū)域，分別是無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)(WWAN)、無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)(WMAN)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)、無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(WPAN)、低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(LR-WPAN)。
一、無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(WPAN)
從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成上來(lái)看，無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)WPAN(Wireless Personal Area Networks)位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)到點(diǎn)的短距離連接。WPAN是基于計(jì)算機(jī)通信的專(zhuān)用網(wǎng)，工作在個(gè)人操作環(huán)境，把需要相互通信的裝置構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，且無(wú)須任何中央管理裝置及軟件。用于無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)的通信技術(shù)有很多，如藍(lán)牙、紅外、UWB、HomeRF等，下面就幾種主要的技術(shù)進(jìn)行講述。
1.藍(lán)牙(Bluetooth)
藍(lán)牙(Bluetooth)是由愛(ài)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它可以用于在較小的范圍內(nèi)通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接的方式實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，從而在各種數(shù)字設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)靈活、安全、低功耗、低成本的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。藍(lán)牙技術(shù)的一般有效通信范圍為10m，強(qiáng)的可以達(dá)到100m左右，其最高速率可達(dá)1Mbps。
藍(lán)牙技術(shù)運(yùn)行在全球通行的、無(wú)須申請(qǐng)?jiān)S可的2.4GHz頻段。采用GFSK調(diào)制技術(shù)，傳輸速率達(dá)1Mbps;采用FHSS擴(kuò)頻技術(shù)，把信道分成若干個(gè)長(zhǎng)為625μs的時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙交替進(jìn)行發(fā)射和接收，實(shí)現(xiàn)時(shí)分雙工。在2.402～2.480GHz頻段內(nèi)含有間隔為1MHz的79個(gè)跳頻載頻及一系列的跳頻序列，跳頻速率為1 600hops/s，每個(gè)時(shí)隙傳送一個(gè)分組數(shù)據(jù)。藍(lán)牙由于采用了時(shí)分雙工，可以防止收發(fā)信機(jī)之間的串?dāng)_;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(lán)牙采用電路交換和分組交換技術(shù)，可獨(dú)立或同時(shí)支持異步數(shù)據(jù)信道和語(yǔ)音信道。每個(gè)同步語(yǔ)音信道數(shù)據(jù)速率為64kbps，語(yǔ)音信號(hào)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(dāng)采用非對(duì)稱(chēng)信道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，其速率可達(dá)723.2kbps;當(dāng)采用對(duì)稱(chēng)信道傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，速率最高為342.6kbps。藍(lán)牙還使用了前向糾錯(cuò)(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)機(jī)制，從而抑制了長(zhǎng)距離鏈路的隨機(jī)噪聲。
基于藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中所扮演的角色有主設(shè)備和從設(shè)備之分。主設(shè)備負(fù)責(zé)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(fù)責(zé)控制主從設(shè)備之間的業(yè)務(wù)傳輸時(shí)間與速率。在組網(wǎng)方式上，通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備中的主設(shè)備與從設(shè)備可以形成一點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，即在主設(shè)備周?chē)M成一個(gè)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(wú)須任何復(fù)雜的軟件支持，但是一個(gè)主設(shè)備同時(shí)最多只能與網(wǎng)內(nèi)的7個(gè)從設(shè)備相連接進(jìn)行通信。同樣，在一個(gè)有效區(qū)域內(nèi)多個(gè)微微網(wǎng)通過(guò)節(jié)點(diǎn)橋接可以構(gòu)成散射網(wǎng)。
藍(lán)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(yīng)用到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中。同時(shí)，也可以廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)設(shè)備(如PDA、手機(jī)、智能電話(huà))、圖像處理設(shè)備(照相機(jī)、打印機(jī)、掃描儀)、安全產(chǎn)品(智能卡、身份識(shí)別、票據(jù)管理、安全檢查)、消遣娛樂(lè)(藍(lán)牙耳機(jī)、MP3、游戲)、汽車(chē)產(chǎn)品(GPS、動(dòng)力系統(tǒng)、安全氣袋)、家用電器(電視機(jī)、電冰箱、電烤箱、微波爐、音響、錄像機(jī))、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(lán)牙技術(shù)的手機(jī)、耳機(jī)和筆記本電腦隨處可見(jiàn)。
2.紅外(IrDA)
IrDA是國(guó)際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)的英文縮寫(xiě)，IrDA技術(shù)是一種利用紅外線(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短距離通信的技術(shù)。IrDA技術(shù)的主要特點(diǎn)有：利用紅外傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)須專(zhuān)門(mén)申請(qǐng)?zhí)囟l段的使用執(zhí)照;具有對(duì)設(shè)備體積小、功率低的特點(diǎn);由于采用點(diǎn)到點(diǎn)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(dá)16Mbps。
由于IrDA使用紅外線(xiàn)作為傳播介質(zhì)。紅外線(xiàn)是波長(zhǎng)在0.75～1000μm之間的無(wú)線(xiàn)電波，是人用肉眼看不到的光線(xiàn)。紅外數(shù)據(jù)傳輸一般采用紅外波段內(nèi)波長(zhǎng)在0.75～25μm之間的近紅外線(xiàn)。紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)成立后，為保證不同廠(chǎng)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(zhǎng)在0.85～0.90μm之間，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)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(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)稱(chēng)SIR(Serial Infrared，串行紅外協(xié)議)，它是基于HP-SIR開(kāi)發(fā)出來(lái)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(guò)對(duì)串行數(shù)據(jù)脈沖的波形壓縮和對(duì)所接收的光信號(hào)電脈沖的波形擴(kuò)展這一編解碼過(guò)程(3/16 EnDec)實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)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(jī)制，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到4Mbps，同時(shí)在低速時(shí)保留1.0標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)充納入IrDA1.1標(biāo)準(zhǔn)之中。
IrDA標(biāo)準(zhǔn)都包括三個(gè)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(fǎng)問(wèn)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(jì)上的目標(biāo)和要求;IrLAP和IrLMP為兩個(gè)軟件層，負(fù)責(zé)對(duì)連接進(jìn)行設(shè)置、管理和維護(hù)。在IrLAP和IrLMP基礎(chǔ)上，針對(duì)一些特定的紅外通信應(yīng)用領(lǐng)域，IrDA還陸續(xù)發(fā)布了一些更高級(jí)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸連接，無(wú)法靈活地組成網(wǎng)絡(luò)等。
但是這些缺點(diǎn)并沒(méi)有給IrDA的應(yīng)用帶來(lái)致命的障礙，紅外技術(shù)已在手機(jī)和筆記本電腦等設(shè)備上得到了廣泛的應(yīng)用。
3.UWB
UWB(Ultra Wideband)技術(shù)最初是被作為軍用雷達(dá)技術(shù)開(kāi)發(fā)的，它是一種不用載波，而采用時(shí)間間隔極短(小于1納秒)的脈沖進(jìn)行通信的方式，能在10m左右的范圍內(nèi)達(dá)到數(shù)百M(fèi)bps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(shí)域通信技術(shù)，UWB采用超短周期脈沖對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，把信號(hào)直接按照0或1發(fā)送出去，而不使用載波，這與此前的無(wú)線(xiàn)通信截然不同。而且脈沖調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)為超寬帶信號(hào)，譜密度極低，信號(hào)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(jí)。UWB采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)，系統(tǒng)具有較大的處理增益，在發(fā)射時(shí)將微弱的無(wú)線(xiàn)電脈沖信號(hào)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(shí)將信號(hào)能量還原出來(lái)，在解擴(kuò)過(guò)程中產(chǎn)生擴(kuò)頻增益，從而抗干擾和抗多徑的能力強(qiáng)。與CDMA系統(tǒng)相比，時(shí)域通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)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(qiáng)等顯著特性，而UWB最引人注目的特點(diǎn)還是其具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以應(yīng)用到家庭中的視頻超高數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中去，解決了以前眾多無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)所不能達(dá)到的高速率數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。
目前有關(guān)UWB的標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有制訂。在UWB標(biāo)準(zhǔn)化的工作上，存在兩大技術(shù)陣營(yíng)：多頻帶正交頻分復(fù)用(MB-OFDM)和直序列碼分多址(DS-CDMA)。這兩大陣營(yíng)的代表廠(chǎng)商前者有德州儀器、英特爾、三星電子等，后者是美國(guó)XtremeSpectrum、FreeScale等為主的DS-CDMA聯(lián)盟。在標(biāo)準(zhǔn)的制訂中，兩個(gè)陣營(yíng)都互不妥協(xié)，目前都還沒(méi)有達(dá)成一致的方案。這兩個(gè)技術(shù)提案都有其各自的特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最終選擇哪種方案還要綜合考慮市場(chǎng)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(kāi)講述。
UWB技術(shù)在無(wú)線(xiàn)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(yīng)用價(jià)值(比如雷達(dá)跟蹤、精確定位)，在商業(yè)多媒體設(shè)備、家庭數(shù)字娛樂(lè)和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)方面也極大地提高了一般消費(fèi)者和專(zhuān)業(yè)人員的適應(yīng)性和滿(mǎn)意度。相信在軍事需求和商業(yè)市場(chǎng)的推動(dòng)下，UWB技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展和成熟起來(lái)，廣泛地應(yīng)用到眾多領(lǐng)域中去。
[page]
4.HomeRF
HomeRF是由HomeRF工作組開(kāi)發(fā)的，它是在家庭區(qū)域范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)字通信的開(kāi)放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為家庭用戶(hù)建立具有互操作性的音頻和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)帶來(lái)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(lán)牙等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)一樣，HomeRF工作在開(kāi)放的2.4GHz頻段，采用跳頻擴(kuò)頻(FHSS)技術(shù)，跳頻速率為50hops/s，共有75個(gè)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(luò)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(wú)線(xiàn)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(dá)2Mbps。在新的HomeRF 2.x標(biāo)準(zhǔn)中，采用了寬帶跳頻(Wide Band Frequency Hopsping，WBFH)技術(shù)來(lái)增加跳頻帶寬，由原來(lái)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(dá)10Mbps。
HomeRF是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)的綜合和改進(jìn)。HomeRF把共享無(wú)線(xiàn)接入?yún)f(xié)議(SWAP)作為網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，采用簡(jiǎn)化的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，沿用類(lèi)似于以太網(wǎng)技術(shù)中的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免(CSMA/CA)方式;當(dāng)進(jìn)行語(yǔ)音通信時(shí)，則采用DECT無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)，使用TDMA技術(shù)。HomeRF提供了對(duì)流媒體真正意義上的支持，其規(guī)定了高級(jí)別的優(yōu)先權(quán)并采用了帶有優(yōu)先權(quán)的重發(fā)機(jī)制，這樣就滿(mǎn)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(biāo)準(zhǔn)相比也存在不少缺陷，這些使得HomeRF技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景受到限制，又加上這一標(biāo)準(zhǔn)推出后，市場(chǎng)策略定位不準(zhǔn)、后續(xù)研發(fā)與技術(shù)升級(jí)進(jìn)展遲緩，因此，從2000年之后，HomeRF技術(shù)開(kāi)始走下坡路，2001年HomeRF的普及率降至30%，逐漸喪失市場(chǎng)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的AnyPoint產(chǎn)品系列中增加對(duì)IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的支持后，HomeRF的發(fā)展前景比較不樂(lè)觀(guān)。這樣看來(lái)，HomeRF很難沖出只能在家庭里應(yīng)用的限制。
5.IEEE 802.15.1
IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)是IEEE批準(zhǔn)的用于無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)的藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它是由藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)演變而來(lái)的。該標(biāo)準(zhǔn)手2002年推出，但是在實(shí)施過(guò)程中進(jìn)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(gè)子層標(biāo)準(zhǔn)。
① 無(wú)線(xiàn)層(RF layer)：無(wú)線(xiàn)層實(shí)現(xiàn)在主站和從站之間發(fā)送比特流。該層的無(wú)線(xiàn)接口基于天線(xiàn)能力，其功率為0～20dBm。藍(lán)牙技術(shù)運(yùn)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(shí)現(xiàn)組合電路交換和分組交換，為同步分組傳輸預(yù)留時(shí)間帶，一個(gè)分組可占1個(gè)信道、3個(gè)信道或者5個(gè)信道，每個(gè)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(fù)責(zé)在藍(lán)牙設(shè)備間建立鏈路。鏈路管理器也對(duì)安全、基帶數(shù)據(jù)包大小協(xié)商、電源模式、藍(lán)牙設(shè)備的周期性控制及藍(lán)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(jìn)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(wú)連接和面向連接服務(wù)的上層協(xié)議，主要是完成協(xié)議的多路復(fù)用/分用，接受上層的分組分段傳輸，在接收端進(jìn)行重組和處理服務(wù)質(zhì)量等。IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的4層標(biāo)準(zhǔn)在第8章的藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中將進(jìn)行較詳細(xì)的講述，在這就簡(jiǎn)單敘述一下。
IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)的工作頻率范圍是2.4 GHz，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的有效帶寬僅為500～700kbps之間。由于IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)與藍(lán)牙特殊利益集團(tuán)(又名藍(lán)牙特別興趣小組)主張的藍(lán)牙1.1標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，為人們廣泛地接受這種連接手機(jī)、計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)鋪平了道路。
6.RFID
RFID是Radio Frequency Identification的縮寫(xiě)，即無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別。RFID技術(shù)是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別貼有標(biāo)簽的目標(biāo)對(duì)象并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作不需要人工干預(yù)，而且可應(yīng)用于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別處于運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)對(duì)象并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，工作快捷方便。
一般的RFID系統(tǒng)由天線(xiàn)(Antenna)、閱讀器(Reader)和標(biāo)簽(Tag)三個(gè)基本部分組成。
① 天線(xiàn)：它主要完成在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)。
② 閱讀器：它是讀取(有時(shí)也可以進(jìn)行寫(xiě)入)標(biāo)簽信息的設(shè)備，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式。
③ 標(biāo)簽：它由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)，其位數(shù)也不同，附著在物體上標(biāo)識(shí)目標(biāo)對(duì)象，俗稱(chēng)電子標(biāo)簽。目前標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽和無(wú)源標(biāo)簽兩種。
RFID技術(shù)的基本工作原理：把標(biāo)簽放入磁場(chǎng)，接收閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量，如果是無(wú)源標(biāo)簽，它發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息，如果是有源標(biāo)簽，它則主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)，然后閱讀器讀取信息并解碼，最后送至中心信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。
目前國(guó)際上RFID的標(biāo)準(zhǔn)還不統(tǒng)一，很多公司企業(yè)都推出各自的標(biāo)準(zhǔn)，而且之間互不兼容。全球主要有兩大陣營(yíng)：歐美的Auto-ID Center與日本的Ubiquitous ID Center(UID)。前者的領(lǐng)導(dǎo)組織是美國(guó)的EPC環(huán)球協(xié)會(huì)，旗下有沃爾瑪集團(tuán)、英國(guó)Tesco等企業(yè)，同時(shí)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(chǎng)商組成。歐美的EPC標(biāo)準(zhǔn)采用860～930MHz的UHF頻段，電子標(biāo)簽的信息位數(shù)為96位，日本RFID標(biāo)準(zhǔn)采用2.45GHz和13.56MHz的頻段，其電子標(biāo)簽的信息位數(shù)為128位。
RFID技術(shù)可運(yùn)用在很多方面，其典型應(yīng)用有物流和供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)制造和裝配、航空行李處理、郵件與快運(yùn)包裹處理、文檔追蹤、圖書(shū)館管理、動(dòng)物身份標(biāo)識(shí)、運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí)、門(mén)禁控制、電子門(mén)票和道路自動(dòng)收費(fèi)等。
[page]
二、低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(LR-WPAN)
1.IEEE 802.15.4/ZigBee
IEEE 802.15.4是為滿(mǎn)足低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)要求而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的低速率WPAN標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)物理層，這兩個(gè)物理層都采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)。在2.45GHz頻段有16個(gè)速率為250kbps的信道，在868 MHz頻段有1個(gè)20kbps的信道，在915MHz頻段有l(wèi)0個(gè)40kbps的信道。IEEE 802.15.4有如下優(yōu)點(diǎn)。
① 網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)：IEEE 802.15.4具有卓越的網(wǎng)絡(luò)能力，在基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡(luò)中，可對(duì)多達(dá)254個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)尋址。
② 適應(yīng)性好：IEEE 802.15.4可與現(xiàn)有控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免(CSMA/CA)方式進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)上，并確定了可以在不同制造商之間共用的應(yīng)用協(xié)議，是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可在眾多的傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。
ZigBee是建立在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上的，因此ZigBee并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、MAC層和數(shù)據(jù)鏈路層采用了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和高層應(yīng)用規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行制訂。基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)可以是一個(gè)由多達(dá)65000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，類(lèi)似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)絡(luò)或GSM網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從典型的75m，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾千米。另外，整個(gè)基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)連接。但基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)主要是為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立的，而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語(yǔ)音通信而建立的。
基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以是監(jiān)控對(duì)象，它還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料，例如，傳感器連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。除此之外，在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備節(jié)點(diǎn)還可以和其網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)不進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)的孤立從設(shè)備節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)連接。基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可支持多到31個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和受控設(shè)備，每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和受控設(shè)備中可以有8種不同的接口方式，可以用來(lái)采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。
ZigBee技術(shù)具有以下特點(diǎn)：
① 數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10～250kbps的帶寬，因而它專(zhuān)注于低數(shù)據(jù)傳輸方面應(yīng)用。
② 功耗低、成本低：由于工作周期很短，并且在應(yīng)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(jiǎn)單，這大大降低了成本。
③ 網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee支持星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一個(gè)基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)從設(shè)備和1個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。
④ 時(shí)延短：通常時(shí)延都在15～30ms之間，因此在對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的自動(dòng)控制領(lǐng)域，ZigBee有著很好的應(yīng)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(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同應(yīng)用模式的影響。
ZigBee主要應(yīng)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(lèi)型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。因而它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制(如自動(dòng)控制設(shè)備、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò))、醫(yī)護(hù)(如監(jiān)視和傳感)、家庭智能控制(如照明、水電氣計(jì)量及報(bào)警)、消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備的遙控裝置、PC外設(shè)的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的高可靠性的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。目前Z-Wave主要專(zhuān)注于家庭自動(dòng)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(shí)別、能量管理系統(tǒng)等。
Z-Wave屬于低速率無(wú)線(xiàn)個(gè)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(yīng)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?yīng)用，由于家用自動(dòng)化系統(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(shí)距離的理論值，實(shí)際的傳輸距離受發(fā)射功率的大小、應(yīng)用模式及網(wǎng)絡(luò)中中繼節(jié)點(diǎn)的使用情況等因素的影響。由于Z-Wave和前面介紹的很多無(wú)線(xiàn)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(guò)使用冗余的傳送機(jī)制來(lái)降低干擾，利用濃縮幀格式和隨機(jī)插入算法保證在網(wǎng)內(nèi)設(shè)備之間高可靠性地進(jìn)行通信。
基于Z-Wave的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有中心結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)之間的地位是平等的。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，而且任意節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。
總之，根據(jù)Z-Wave結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，功耗低，可靠性高，安全性高和其網(wǎng)絡(luò)易管理等特征，Z-Wave在家庭自動(dòng)化領(lǐng)域的市場(chǎng)中將會(huì)占有一席之地。
3.Insteon
Insteon是一種復(fù)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(shí)響應(yīng)，易安裝，易使用，經(jīng)濟(jì)可靠和與X10兼容的特點(diǎn)。Insteon被稱(chēng)為混合通信技術(shù)是因?yàn)樗ㄟ^(guò)電力線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)家庭設(shè)備間的互聯(lián)。Insteon網(wǎng)絡(luò)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因而網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的角色是對(duì)等的，都能發(fā)送報(bào)文、接收?qǐng)?bào)文及轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文，但是出于節(jié)能方面考慮，一般都不轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。
家庭網(wǎng)絡(luò)中單獨(dú)使用電力線(xiàn)或ISM頻段都存在很多問(wèn)題。單獨(dú)使用無(wú)線(xiàn)通信時(shí)，無(wú)線(xiàn)設(shè)備要受到其他設(shè)備的干擾且無(wú)線(xiàn)信號(hào)在家庭環(huán)境中有很強(qiáng)的多徑效應(yīng)。使用電力線(xiàn)存在相位橋接和有嚴(yán)重電流噪聲。為了解決這些問(wèn)題，lnsteon通過(guò)電力線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)構(gòu)成的雙線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，改善了單一介質(zhì)傳輸中的問(wèn)題，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
Insteon網(wǎng)絡(luò)工作在131.65kHz的電力線(xiàn)和904MHz的ISM頻段上，采用CSMA實(shí)現(xiàn)MAC層的訪(fǎng)問(wèn)。當(dāng)工作在131.65 kHz時(shí)，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(dāng)工作在904MHz時(shí)，它采用FSK調(diào)制方式，無(wú)線(xiàn)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(xiàn)上的零交叉點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)電力線(xiàn)設(shè)備和無(wú)線(xiàn)設(shè)備全網(wǎng)同步。Insteon網(wǎng)絡(luò)中有標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文和擴(kuò)展報(bào)文兩種，其中電力線(xiàn)上傳輸?shù)膱?bào)文長(zhǎng)度與無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)膱?bào)文長(zhǎng)度不一樣，傳輸時(shí)報(bào)文需要分割成多個(gè)分組，每個(gè)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(diǎn)前0.8ms至后1.023 ms)傳輸，每個(gè)零交叉期間傳輸?shù)?4bit，標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文和擴(kuò)展報(bào)文長(zhǎng)度分別為120bit、264bit，因此傳輸一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文需6個(gè)零交叉，最后一個(gè)為靜默期，傳輸一個(gè)擴(kuò)展報(bào)文需13個(gè)零交叉，最后兩個(gè)為靜默期。無(wú)線(xiàn)信道上的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文和擴(kuò)展報(bào)文分別為112bit和224bit，需要時(shí)間為2.708ms和5.625 ms。
Insteon技術(shù)利用聯(lián)播轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，因而不需要路由機(jī)制，也不需要網(wǎng)絡(luò)中心控制器。聯(lián)播轉(zhuǎn)發(fā)為接收?qǐng)?bào)文的設(shè)備，在報(bào)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(gè)發(fā)送周期轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)文。聯(lián)播轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：省略路由，簡(jiǎn)化設(shè)備;提高報(bào)文傳輸?shù)目煽啃浴?br />
“簡(jiǎn)單”是Insteon的主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：Insteon的安裝簡(jiǎn)單，無(wú)須網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的登記;Insteon的分組傳輸也簡(jiǎn)單，不需要網(wǎng)絡(luò)控制器，也無(wú)須路由，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備越多越好。Insteon雖簡(jiǎn)單，但功能不單一，基于Insteon的設(shè)備可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)橋接實(shí)現(xiàn)與基于Wi-Fi、藍(lán)牙等設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)通信。除此之外，Insteon和X10相兼容，它們的信號(hào)可以在電力線(xiàn)上共存。這樣使得制造商們可以設(shè)計(jì)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(yùn)行，同時(shí)基于X10的產(chǎn)品可以很容易地升級(jí)到Insteon，這使得市場(chǎng)上遺留下來(lái)的基于X10的產(chǎn)品不會(huì)被淘汰，深受制造商和用戶(hù)喜愛(ài)。基于Insteon技術(shù)的特點(diǎn)，Insteon將來(lái)定會(huì)在家庭智能化中得到廣泛應(yīng)用，帶給人們既便利又豐富的家居生活。
4.HomePlug
HomePlug的全稱(chēng)是Home Plug Power Line Alliance，稱(chēng)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(yīng)用電子、消費(fèi)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(kāi)放的電力線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入規(guī)范。HomePlug的目標(biāo)是只通過(guò)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(guò)新技術(shù)，利用普通的電力線(xiàn)可以傳輸互聯(lián)網(wǎng)上的資料，電話(huà)、電冰箱、攝像機(jī)、電腦及電視等家用電器將來(lái)都可以直接用電線(xiàn)插座就能互聯(lián)在一起。
HomePlug能在電力線(xiàn)上實(shí)現(xiàn)可靠的通信主要是在物理層和媒質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制子層用了適當(dāng)?shù)募夹g(shù)。HomePlug在物理層采用正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)，而且是以突發(fā)模式而不是以連續(xù)模式來(lái)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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量。此外，HomePlug還利用交錯(cuò)連接的Viterbi和Reed Solomon FEC處理有效負(fù)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(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議采用的是載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突避免(CSMA/CA)的變體，其增添了支持優(yōu)先級(jí)，提供公平性并允許對(duì)等待時(shí)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(shuō)，每個(gè)客戶(hù)只在有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)候才啟用發(fā)射機(jī)，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，就立即關(guān)閉發(fā)射機(jī)，同時(shí)發(fā)射機(jī)回復(fù)到接收模式。
目前，HomePlug聯(lián)盟推出的HomePlug 1.0標(biāo)準(zhǔn)支持達(dá)到通過(guò)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(guò)由于該標(biāo)準(zhǔn)將一部分帶寬用于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議任務(wù)，因此實(shí)際最大吞吐率約為8.2Mbps。在參與HomePlug 1.0標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的家庭中，標(biāo)準(zhǔn)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(gè)測(cè)試結(jié)果打消了人們對(duì)電力線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)可行性的顧慮。可想而知，將來(lái)會(huì)有許多廠(chǎng)商會(huì)生產(chǎn)支持HomePlug標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，用戶(hù)可以用同一條電線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)頻率干擾設(shè)計(jì)
手機(jī)無(wú)線(xiàn)通信模塊解析：多模多頻下的射頻挑戰(zhàn)和對(duì)策
無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)頻率干擾及其解決方案研究
