无线个域网WPAN.docx

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无线个域网WPAN

WPAN

------无线个域网

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摘要

如今，便携式技术产品的发展和应用需求迅速增长，继无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork，WLAN）和无线城域网（WirelessMetropolitanAreaNetwork，WMAN）之后，促进了无线个人区域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）的诞生，并使得无线接入的产业链更加完善。

如果把用户接入网（RAN）成为迈向数字家庭的“最后1000米”，那么，个域网就是“最后的50米”。

WPAN是一种与无线广域网、无线城域网、无线局域网并列，但是覆盖范围相对较小的无线网络，是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝连接而提出的新兴无线通信网络技术。

它有效的解决了“最后几米电缆”的问题，进而讲无线联网进行到底。

关键字：

WPAN，分类，关键技术，发展趋势

参考文献..............................................................14

第一章WPAN的基本概念

人们在享受一系列电子产品带来方便的过程中也逐渐感觉到电子产品功能的局限性。

如：

随着外围设备的逐渐增多，用户不仅在自己的计算机上连接打印机、扫描器、调制解调器等外围设备，还会使用USB接口传输数据，频繁地拔插某一接口、在计算机上缠绕无序的各种接线，密密麻麻的布线令使用者心烦不已。

希望能有一种短距离、低成本、小功耗的无线通信方式实现不同设备的互联，为了应用的需求以及解决这些问题，就产生了无线个域网。

无线个人区域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN），简称无线个域网，是一种采用无线连接的个人局域网。

它被用在诸如电话、计算机、附属设备以及小范围（个人局域网的工作范围一般是在10米以内）内的数字助理设备之间的通讯。

支持无线个人局域网的技术包括：

蓝牙、ZigBee、超频波段（UWB）、IrDA、HomeRF等，其中蓝牙技术在无线个人局域网中使用的最广泛。

每一项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥最佳的作用。

WPAN设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低的优点，将取代线缆成为连接包括移动电话、笔记本电脑和掌上设备在内的各类个人便携设备的工具。

WPAN可以随时随地为用户实现设备间的无缝通信，并使用户能够通过移动电话、局域网或广域网的接入点接入互联网。

这种专用网络最重要的特征是采用动态拓扑以适应网络节点的移动性，其优点是按需建网、容错力强、连接不受限制。

因此，WPAN有巨大的市场潜力，它和大范围快速移动情况下的通信应用相辅相成，互为补充，所以从某种意义上来说，WPAN的市场潜力可能更为巨大，以为这种应用可在小范围内实现各种移动通信设备、固定通信设备、计算机以及其他设备、各种数字数据系统甚至各种家用电器的互联，而且价格更为低廉。

随着互联网和多媒体通信的发展，人们对宽带无线通信的需求也也越来越迫切。

虽然有关WPAN的各种的标准目前还在不断的修改，但已展现出强大的生命力，国际上一流的通信、计算机和软件企业正在如火如荼地对此展开研究，酝酿着更大的技术突破。

第二章WPAN的分类

无线个域网的应用范围越来越广泛，设计的关键技术也越来越丰富，WPAN被定位于短距离无线通信技术，但根据不同的应用场合又分为低速WPAN（LR－WPAN）、高速WPAM（HR－WPAN）和超高速WPAN技术。

2.1低速WPAN

低速WPAN是按照IEEE802.15.4，为近距离联网设计的，包括工业监控和组网、办公和家庭自动化与控制、库存管理、人机接口装置以及无线传感器网络等。

LR-WPAN的出现完全是由于市场需要，与WLAN和其他WPAN相比，LR-WPAN结构简单、数据率较低、通信距离近、功耗低，因此LR-WPAN的成本自然也低。

在家庭、工厂与仓库自动化控制，安全监视、保健监视、环境监视，军事行动、消防队员操作指挥、货单自动更新、库存实时跟踪以及在游戏和互动式玩具等方面都可以开展许多低速应用。

有许多低速应用比高速应用对我们的生活更为重要，甚至能够挽救我们的生命。

例如，当你忘记关掉煤气炉或者睡前忘锁门的时候，有了低速WPAN就可以使你获救或免于财产损失。

2.2高速WLAN

高速WLAN是按照IEEE802.15.3建立的WPAN数据传输速率高达55Mbit/s以上。

高速WLAN适合大量多媒体文件、短时间内视频流和MP3等音频文件的传送，并在确保的带宽内提供一定的服务质量（QoS）。

例如：

传送一幅图片，高速WLAN只需1s。

高速率WPAN在宽带无线移动通信网络中占有一席之地。

2.3超高速WPAN

在日常生活中，无线通信装置急剧增长，对更高速率和更快的内容传送的需求与日俱增，这一需求将把网络中各种信息传送速率推向更高，IEEE802.15.3高速WPAN将来不能满足这些需求。

为此，IEEE802.15.3a工作组提出了更高速率的物理层标准，用以替代高速WPAN的物理层，从而构成超高速WPAN的或超宽带（UWB）WPAN。

并且超高速WPAN可支持110-480Mbit/s的数据率。

第三章WPAN的关键技术

WPAN是随着短距离无线移动网络技术的发展而产生的，能够在近距离为设备建立连接，而且WPAN设备是运动的，这意味着WPAN的技术标准应该具有良好的操作性，无论是在汽车、轮船或飞机中，都能不受干扰地传送语音和数据。

最初的时候，这个领域主要涉及三个标准技术：

红外技术（IrDA）、家庭射频（HomeRF）和蓝牙（Bluetooth）。

3.1IrDA技术

IrDA技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。

随着IrDA技术的诞生，红外线数据标准协会IrDA也随之成立，并发布了红外数据通信标准，即IrDA1.0。

它是一种异步、半双工的红外通信方式，红外通信一般采用波段内的近红外线，波长在0.75-25um之间，最高的通信速率只有115.2Kbit/s。

为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果，红外通信将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850-900nm。

当前，IrDA技术的软件和硬件都已经比较成熟，主要的技术优势有：

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须的体积小、功率低的特点。

3.数据传输速率在适用于家庭和办公室使用的微微网中是比较高。

由于采用点到点的连接，所以数据传输所受干扰较少。

除在技术上的特点，IrDA的市场优势也十分明显。

IrDA红外技术已经发展成熟，并为人们所熟知，目前，全世界约有5000万台设备采用IrDA技术，并且每年按50%的速度增长。

并且在成本上，红外线LED及接收器等组件远较一般RF（RadioFrequency）组件便宜，只是蓝牙产品的1/10，因此在这样的情形下，也导致了IrDA技术的普及应用，所以不会退出市场。

对于传输数率高、使用次数少、移动范围小、价格比较低的设备（如：

打印机、扫描仪、数码相机等），IrDA技术将是首选。

但IrDA也有它的局限性。

首先，IrDA技术是一种视距传输技术，也就是说两个具有IrDA端口的设备之间如果要传输数据，中间就不能有阻挡物，这也是IrDA技术的短板。

其次，核心部件红外线LED也不是十分耐用，对不经常使用的扫描仪、数码相机等设备虽然游刃有余，但对于经常使用装配IrDA端口的手机上网，可能很快就不堪重负了。

最后，IrDA没有提供链接级别的安全措施，而是依靠上层协议提供的授权与安全功能。

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。

3.2HomeRF技术

HomeRF技术是无绳电话技术（DECT）和无线局域网（WLAN）技术融合发展的产物。

1997年家庭射频工作组成立，它主旨是在消费者能够承受的前提下，建设家庭中的、能互操作的语音和数据网络。

HomeRF基于共享无线接入协议（sharedwirelessaccessprotocol，SWAP）。

HomeRF的特点是安全可靠、成本低廉、简单易行、不受墙壁和楼层的影响、传输交互式语音数据采用TDMA技术、传输高速数据分组则采用CSMA/CA技术、无线电干扰影响小、支持流媒体。

HomeRF由微软、英特尔、惠普、摩托罗拉和康伯等公司提出，使用开放的2.4GHz频段，采用跳频扩频技术，跳频速率为50跳/秒，共有75个宽带为1MHz的跳频信道。

SWAP使用TDMA+CSMA/CA方式，适合语音和数据业务。

在进行语音通信时，它采用数字增强无绳电话（DECT）标准，DECT使用TDMA时分多址技术，适合于传送交互式语音和其他时间敏感性业务。

在进行数据通信时它采用IEEE802.11的CSMA/CA，CSMA/CA适合于传送高速分组数据。

HomeRF的最大功率为100mV，有效范围50m。

调制方式分为2FSK和4FSK两种，在2FSK方式下，最大的数据传输速率为1Mbps；在4FSK方式下，速率可达2Mbps。

　　HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进：

当进行数据通信时，采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。

但是，该标准与802.11b不兼容，并占据了与802.11b和Bluetooth相同的2.4GHz频率段，所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。

HomeRF无线家庭网络不仅支持家庭娱乐、家庭自动控制，而且支持远程医疗等功能。

随着无线家庭网络技术的日益成熟和完善，更多的网络环境将能够协同工作。

如果无线家庭网络与公用电话交换网（PATN）和以太网进行无缝通信，会使得无线家庭网络成为连接家用计算机、信息家电、家庭安全系统和数字化娱乐中心的骨干网。

3.3INSTEON技术

INSTEON是一个功能强大的无线家庭控制网络技术，它是一种简单、低成本、可靠的整合系统，能够使家庭更加舒适、安全、方便和高效。

INSTEON使用最新的技术建立一个真实的点到点的网状网络，每种设备都是一个点，利用联发转发机制，所以不需要网络的管理，所以负责的网络控制器和路由器并不需要，省略路由，简化设备，提高报文传输的可靠性。

并且INSTEON通过电力线和无线构成了双线网状网络，改善了单一介质传输中的问题，提高了网络的可靠性。

INSTEON网络工作在131.65kHz的电力线和904MHz的ISM频段上，采用CSMA实现MAC层的访问。

根据INSTEON的空中接口规范，用电力线上的零交叉点可实现电力线设备和无线设备全网同步。

INSTEON虽简单，但功能并不单一，基于INSTEON的设备可以通过网络桥接实现与基于Wi-Fi、蓝牙等设备组成的网络进行互联通信。

INSTEON的技术特征决定了它是一种成本低廉、功能完善的智能家居应用方案，深受制造商和用户喜爱。

3.4蓝牙技术

蓝牙（Bluetooth）技术，实际上是一种短距离无线通信技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

说得通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。

蓝牙技术的特点可归纳为：

1.使用全世界通用的频段和跳频技术，不需要申请；

2.采用TDMA（时分多址）技术；

3.支持语音和数据的同时传输；

4.短距离、低功耗、低成本；

5.最大传输速率为1Mbit/s。

通过以下Bluetooth连接，您可以从家庭办公的线路束缚中解脱出来，让您的生

活多一份轻松、多一份乐趣：

从计算机向打印机无线发送文件；将您的计算机无线连接至鼠标和键盘，免去了桌上一堆的杂乱电线；通过连接手机至扬声器召开免提电话会议；从拍照手机向打印机发送图片，并进行打印；通过无线立体声耳机收听从家庭音响或其它类似音频设备传送的流音乐；通过Bluetooth连接从膝上型计算机或手机向媒体查看器发送图片，在电视上查看数码照片等等。

但是蓝牙是一种还没有完全成熟的技术，尽管被描述得前景诱人，但还有待于实际使用的严格检验。

蓝牙的通讯速率也不是很高，在当今这个数据爆炸的时代，可能也会对它的发展有所影响。

目前主流的软件和硬件平台均不提供对蓝牙的支持，这使得蓝牙的应用成本升高，普及难度增大。

ISM频段是一个开放频段，可能会受到诸如微波炉、无绳电话、科研仪器、工业或医疗设备的干扰。

因为有效距离太近了，一般是10米左右。

蓝牙技术是继互联网热、第三代移动通信热之后的又一热门新技术，它所提供的低成本、低功耗的短距离无线通信具有着广阔的应用前景和巨大的技术潜力。

并且，蓝牙可靠的安全性既可以保证通信双方身份的可靠性，又能保证通信数据的安全性，这使得蓝牙在电子商务领域拥有巨大的应用前景，可以说，蓝牙技术必将给我们每个人未来的生活方式带来巨大的变革。

3.5其他关键技术

1.Wibree技术

Wibree，超低功耗蓝牙无线技术，又被称作是“小蓝牙”，是一种能够方便快捷的接入手机和一些诸如翻页控件，个人掌上电脑（PDA），无线计算机外围设备，娱乐设备和医疗设备等便携式设备的一种低能耗无线局域网（WLAN）互动接入技术。

并且突破了蓝牙固有的能量局限，功耗仅为蓝牙的1/10，所以，Wibree将作为蓝牙的超低耗电通信标准进行从新定义。

2.超带宽（UWB）技术

超带宽（UWB）是一种基于IEEE802.15.3的超高速，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速率，具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽及宽、消耗电能低、保密性好、发送功率小等诸多优势，目前已成为无线个域网领域的人们技术之一。

3．ZigBee技术

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低速率无线接入技术。

它是基于IEEE802.15.4研制开发的关于组网、安全和应用软件等方面的技术标准。

ZigBee工作在2.4GHz频段共有27个无线信道，数据传输速率为20-250kbit/s，传输距离为10-75m。

4．Z-Wave技术

Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。

数据传输速率为9.6kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄带宽应用场合。

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技术将是最低功耗和最低成本的技术，有力地推动着低速率无线个人区域网。

目前Z-Wave主要专注于家庭自动化领域，力求为用户提供一个更加舒适、方便和更具人性化的智能家居环境。

5.RFID技术

RFID俗称电子标签，是一种非接触式的自动化识别技术，通过射频信号自动

识别目标对象并获得相关数据。

RFID是由标签、读写器和数据管理系统3个基本要素组成，可广泛的用于物流业、交通运输、医药等各个领域，但由于成本、标准等问题的局限，RFID技术和应用环境还不成熟。

6．NFC技术

NFC，即近距离无线通讯技术。

由飞利浦公司和索尼公司共同开发的NFC是一种非

接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信。

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。

所以，NFC提供了一种简单、触控式的解决方案，可以让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务。

第四章WPAN的发展

随着信息化建设的进程的加快，我国的通信技术获得了越来越快的发展，技术标准一直是国产通信产品产业化的“瓶劲”。

目前，IEEE、ITU和HomeRF等国际组织都致力于WPAN标准的研究，其中IEEE研究的WPAN技术标准主要集中在IEEE802.15系列，是目前国际上最权威的无线个域网标准。

过去，虽然国家标准大部分外国现成的标准，但现在已经达成了要大力发展具有自主知识产权技术的标准。

标准化不仅促进国内产业联盟的发展，还提升产业国际竞争力。

4.1无线个域网标准进展

1.IEEE802.15.1标准是由IEEE与蓝牙特别兴趣小组（SIG）合作共同完成的。

2.IEEE802.15.2，目前，WPAN所使用的无线技术主要使用2.4GHzISM频段，

此外执行IEEE802.11的WLAN设备也和WPAN设备共享统一频段，可预见，这些在同一环境下应用的技术将在互相之间广泛的应用。

3.IEEE802.15.3是针对高速无线个域网制定的无线媒体访问控制层和物理层范

围，它允许无线个域网在家中连接多达245个无线应用设备，传输速度可达11-55Mbit/s，适合多媒体传输，有效距离可达100m。

1）IEEE802.15.3a采用UWB技术来提高速度，最高数据传输速率达480Mbit/s。

2）IEEE802.15.3b主要对MAC层的进行维护改善其兼容性与可实施性。

3）IEEE802.15.3c工作在毫米频段，包括免许可证的57-64GHz。

基于毫米波的WPAN系统能够与基于微波的其他WPAN系统很好的共存。

新标准将提供超过2Gbit/s的数据传输率，可用于高速互联网接入和流媒体传输等，是今后IEEE802.15工作的研究重点。

4.IEEE802.15.4是经济、高效、低数据率、工作在2.4GHz的无线技术，用于个

域网和对等网状网络。

支持传感器、远端控制和家用自动化等，不适合传输语音，通常连接距离小于100m。

1）IEEE802.15.4a，使用基于UWB的物理层，被视为WPAN内UWB核心应用之一，数据传输速率为2Mbit/s，室内传输距离60m、室外为900m，IEEE802.15.4a除提供通信功能以外，还提供高精度测距和定位功能。

2）IEEE802.15.4b主要改良包括解决标准，提高弹性并思考新的频段分配等，它可以有效简化架构并改善互通性，进而提高系统的稳定度。

3）IEEE802.15.4c用于研究各个频段在WPAN中的应用。

4）IEEE802.15.4d目的是定义一个新的物理层和MAC层来满足日本所分配的频率应用方案。

5）IEEE802.15.4e主要是通过定义改进的MAC来增强IEEE802.15.4-2006的MAC层功能，以更好地支持工业市场，并于中国WPAN的修订政策协调发展。

5.IEEE802.15.5主要研究如何使用WPAN的物理层和MAC子层支持网状网络，不再需要ZigBee或IP路由。

网状网络在WPAN中的应用具有很高的实践意义，网状网络可以在不增加传输能量或不提高接收灵敏度的情况下拓展网络范围，可以通过增加迂回路由的方式来提高网络的可靠性，具有更简单的网络组成结构，可以减少重发射的次数来增加设备电池的寿命。

4.2无线个域网技术的发展趋势

过去，WPAN技术得到了飞速的发展，蓝牙、UWB、ZigBee、RFID等各种技术先后出现，在功耗、成本、传输速率、传输距离、组网能力等各有各的特点。

而WPAN的最初想法是实现各种外围设备内的无缝互联，这种想法在未来的很长一段时间内可能还是一个美好的愿望，但是无论如何，当前标准林立的短距离无线通信市场，还需要做许多的标准完善和创新工作。

到目前为止各种无线个域网技术虽然已经取得了很大的进展，但是要达到真正的商业成功，还是从技术和应用两方面改进。

在技术方面：

要进一步提高系统的传输速率和吞吐量；在保证QoS的前提下提高频谱利用率和系统容量；改善功率控制功能，延长个人设备的电池使用寿命；进一步增强系统的安全性；采用智能的无线资源管理技术提供不同的服务请求。

在应用方面：

要进一步降低市场价格，使设备更加容易安装、使用和维护。

结束语

现在，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和互补，无线个域网将在全球范围内获得极为广泛的应用，而且设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低的优点，并且能够取代线缆连接各种用户的设备，给人们的生活带来更多的方便，因此将越来越受到大家的青睐。

参考文献

[1].汪涛.无线网络技术导论.北京：

清华大学出版社.2008

[2].徐小涛，吴延林.无线个域网.北京:

无线个域网.2009

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[4].骆秀芳,夏洪文.基于蓝牙技术的无线个域网.[J]中国有限电视2004

[5].冉隆科.WPAN“三兄弟”——无线个域网再细分.[J]网络世界　2003