2.5 个人区域网研究与发展在线视频

第五节

个人区域网研究与发展

个人区域网PAN(Personal Area Network)

就是在个人工作地方

把属于个人使用的电子设备

连接起来的这个自组网络

不需要使用接入点 AP

整个网络的范围大约在 10 m左右

由于个人区域网

主要是用无线通信技术

实现联网设备之间的通信

因此就出现了

无线个人区域网

WPAN(Wireless Personal Area Network)

它可以是一个人使用

也可以是若干个人共同使用

它实际上就是一个低功率 小范围 低速率

和低价格的电缆替代技术

目前

在无线传感器网络(WSN)中

主要使用的无线通信技术

是IEEE802.11标准的

WLAN

IEEE802.15.4标准的

无线个人区域网(6LoWPAN)

也就是基于IPv6的

低速无线个人区域网技术

还有蓝牙技术

ZigBee技术

WPAN 和 WLAN 并不是一回事

WPAN 按照前面讲的

是以个人为中心来使用的无线人个区域网

它实际上就是一个低功率 小范围 低速率

和低价格的电缆替代技术

而WLAN

却是同时为许多用户服务的

无线局域网

它是一个大功率 中等范围 高速率的局域网

蓝牙系统

最早使用的 WPAN

是 1994 年爱立信公司推出的蓝牙系统

其标准是 IEEE802.15.1

蓝牙的数据率为 720 kbit/s

通信范围在 10 米左右

蓝牙使用 TDM 方式

和扩频跳频 FHSS 技术

组成不用基站的皮可网(piconet)

也叫做“微微网”

表示这种无线网络的覆盖面积非常小

每一个皮可网有一个主设备(Master)

和最多7个工作的从设备(Slave)

通过共享主设备或从设备

可以把多个皮可网链接起来

形成一个范围更大的扩散网(scatternet)

这种主从工作方式的个人区域网

实现起来价格就会比较便宜

低速 WPAN

低速无线个人区域网

主要用于工业监控组网

办公自动化与控制等领域

其速率是 2 ~ 250 kbit/s

低速 WPAN 的标准是 IEEE802.15.4

最近新修订的标准是

IEEE802.15.4-2006

低速 WPAN 中最重要的就是 ZigBee

ZigBee 技术主要用于各种电子设备

固定的 便携的或移动的

之间的这个无线通信

其主要特点是通信距离短

一般是10 ~ 80 m

传输数据速率低

并且成本低廉

ZigBee 的特点

功耗非常低

在工作时

信号的收发时间很短

而在非工作时

ZigBee 结点处于休眠状态

非常省电

对于某些工作时间和总时间之比小于 1% 的情况

电池的寿命甚至可以超过10 年

网络容量大是它的另一个特点

一个 ZigBee 的网络最多

包括有 255 个结点

其中一个是主节点 主设备

其余则是从设备

若是通过网络协调器

整个网络最多可以支持超过

64000 个节点

ZigBee标准与802.15.4标准的关系

ZigBee标准

是在 IEEE802.15.4 标准基础上发展而来的

所有 ZigBee 产品

也是 IEEE802.15.4 产品

IEEE802.15.4

只是定义了 ZigBee 协议栈的

最低的两层

也就是物理层和 MAC 层

而上面的两层

网络层和应用层

则是由 ZigBee 联盟定义的

在 MAC 层

主要沿用 IEEE802.11

无线局域网标准的 CSMA/CA 协议

在网络层

ZigBee 可采用星形和网状拓扑

或两者的组合

随着IPv4地址的耗尽

由IPv6代替IPv4 协议已是大势所趋

物联网技术的发展

将进一步推动IPv6的部署与应用

2004年11月

互联网工程任务组

IETF

成立了基于IPv6的

低速个人无线区域网

6LoWPAN工作组

将ipv6协议

集成到以IEEE802.15.4为底层协议的

个人无线区域网中

这个低速无线个人局域网协议

层次结构如图所示

通过比较可以看出

基于IPv6的

6LoWPAN

是在IEEE802.15.4的MAC层

与网络层IPv6之间

加入了这个6LoWPAN协议

作为数据链路层

和网络层之间的适配层

同时在传输层采用了

精简的TCP/UDP协议

高速 WPAN

高速 WPAN

用于在便携式多媒体装置之间

传送数据

支持11 ~ 55 Mbit/s 的数据率

标准是IEEE802.15.3

IEEE802.15.3a 工作组

还提出了更高数据率的物理层标准的

超高速 WPAN

它使用超宽带 UWB 技术

超宽带UWB 技术

工作在 3.1 ~ 10.6 GHz 微波频段

有非常高的信道带宽

超宽带信号的带宽

应超过信号中心频率的 25% 以上

或信号的绝对带宽

超过 500 MHz

超宽带技术

使用了瞬间高速脉冲

又称为脉冲无线通信技术

可支持 100 ~ 400 Mbit/s 的数据率

可用于小范围内高速传送图像

或 DVD 质量的多媒体视频文件

超宽带UWB技术的主要特点包括

抗干扰性能强

它的抗干扰性是由于UWB技术

在发射时

将极低的

无线电脉冲信号能量

分散在宽阔的频带中

输出功率甚至低于普通电气设备产生的噪声

因此

与IEEE802.11a/b和蓝牙技术相比

在同等速率的情况下具有更强的抗干扰性

传输速率高

在传输速率方面

它的数据速率

可以达到每秒几十到几百兆字节

高于蓝牙通信速率

也高于IEEE802.11a/b

带宽极宽

带宽

它使用的带宽在1GHz

到几千兆Hz

系统容量大

并且可以与目前的

窄带通信系统同时工作而互不干扰

消耗电能小

与传统无线通信系统

在通信时需要连续发射载波相比

由于UWB不使用载波

可以用小于1mW的

发射功率在非常短暂的时间里

发射代表0和1的脉冲信号

因此消耗电能很少

例如

UWB在4m的范围内

速率为480Mbps时

发射功率约为200uW

而蓝牙系统在

1Mbps速率时发射功率大约需要1mW

再一个是保密性好

保密性是由两个方面的因素决定的

一是扩频通信方式

接收机只有已知发送端

扩频编码时

才能解调出发送的数据

二是系统的发射功率谱密度极低

用传统的接收机无法接受

UWB的应用

由于UWB技术具有技术复杂度低

发射信号功率频谱密度低

对信道容量衰落

不敏感

定位精度高等特点

特别适合室内密集

多径场合的高速无线接入

特别是适用于无线个人区域网

无线人体区域网

以及无线传感器网络之中

在军事方面有着广阔的应用

如警戒雷达 预警机 舰船无线内部通信

战术手持和网络电台

同时由于UWB频段的

无线信号具有较好的穿透墙体

与楼层的能力

因此还可用于研发穿墙雷达

穿地雷达以及成像系统

实现探测地雷

探测地下埋藏的军事目标

和伪装物体的目标

在民用方面

可以用于地质勘探

搜寻地震和其他灾难中的幸存者