短距離低功率無(wú)線通信接入系統(tǒng)

談?wù)褫x 喬曉瑜

摘要:短距離低功率無(wú)線通信接入技術(shù)主要集中在物理層和媒體訪問(wèn)控制(MAC)層,包括藍(lán)牙、超寬帶(UWB)和Wi-Fi等。藍(lán)牙是鏈接近距離設(shè)備的電纜數(shù)據(jù)傳送的輔助技術(shù);UWB 作為窄脈沖無(wú)線電技術(shù)鏈接眾多電子設(shè)備,提供寬帶無(wú)線接入的靈活性和移動(dòng)性;Wi-Fi給快速接入設(shè)備和WLAN內(nèi)移動(dòng)設(shè)備提供無(wú)線鏈接,用于較長(zhǎng)距離鏈接,支持一定功率的移動(dòng)終端接入。短距離低功率無(wú)線通信接入系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程非?？?輔助標(biāo)準(zhǔn)多,但目前仍以藍(lán)牙和Wi-Fi為主。

關(guān)鍵詞:短距離無(wú)線通信;藍(lán)牙;超寬帶;Wi-Fi

Abstract: Short distance low power wireless communication access technologies mainly concentrate in the physical layer and media access control (MAC) layer, including Bluetooth, Ultra-Wideband (UWB), Wi-Fi, etc. Bluetooth is a supplementary technology for short distance data transmission between devices; UWB is a type of narrow band pulse wireless technology for the connection with a variety of devices, providing fair flexibility and mobility; Wi-Fi is used to provide wireless connection for both instant access equipment and WLAN mobile devices, applied in long distance connection and to support the access for a certain power mobile terminals.Although the standardization progress of short distance low power wireless communication access systems is very fast and there are many supplementary standards, the most dominant ones are still Bluetooth and Wi-Fi.

Key words: short distance wireless communication; Bluetooth; UWB; Wi-Fi

短距離低功率無(wú)線通信接入系統(tǒng)主要用于小于100 m短距離和1～100 mW低功率的無(wú)線信息傳輸,可解決最后一公里接入和熱點(diǎn)區(qū)通信覆蓋問(wèn)題。相比有線局域網(wǎng)(LAN)系統(tǒng)而言,具有用戶可動(dòng)態(tài)移動(dòng)地接入或拆離網(wǎng)絡(luò),在不同的環(huán)境中具有終端移動(dòng)性,容易調(diào)度無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是無(wú)線媒介廣播信道帶來(lái)的低可靠性、低數(shù)據(jù)速率和高功率消耗。無(wú)線空中接入帶來(lái)的數(shù)據(jù)加密和用戶安全問(wèn)題。

短距離低功率無(wú)線通信接入技術(shù)主要集中在物理層和媒體訪問(wèn)控制(MAC)層標(biāo)準(zhǔn),如IEEE 802.15的藍(lán)牙技術(shù)和超寬帶(UWB),IEEE 802.11的Wi-Fi。藍(lán)牙作為鏈接近距離設(shè)備的電纜數(shù)據(jù)傳送的輔助技術(shù),UWB作為窄脈沖無(wú)線電技術(shù)鏈接眾多電子設(shè)備,提供寬帶無(wú)線接入的靈活性和移動(dòng)性,Wi-Fi作為計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)鏈接電纜LAN的延伸,無(wú)隙縫地?cái)U(kuò)展至短距離無(wú)線環(huán)境中,提供互操作功能和多媒體業(yè)務(wù)。

1 藍(lán)牙

1994年Ericsson研究以低功率通信系統(tǒng)替代短距離移動(dòng)的電纜通信系統(tǒng),1998年Ericsson、Nokia、IBM、Toshiba和Intel成立藍(lán)牙特別興趣小組(SIG),1999年藍(lán)牙SIG發(fā)布第一版藍(lán)牙協(xié)議,2000年3COM、Agere、Microsoft和Motorola加入藍(lán)牙SIG。2002年IEEE 802.15小組采納藍(lán)牙協(xié)議作為IEEE 802.15.1[1]。

藍(lán)牙作為無(wú)線個(gè)域網(wǎng)接入技術(shù)主要用于短距離、低成本電纜傳輸輔助標(biāo)準(zhǔn),也作為鏈接其他網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋或ad hoc分布式網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。通電后,藍(lán)牙設(shè)備偵聽(tīng)主設(shè)備的詢問(wèn)并響應(yīng)。一旦主設(shè)備掌握從屬設(shè)備的地址,主設(shè)備啟動(dòng)鏈接從屬設(shè)備的程序,從屬設(shè)備響應(yīng)主設(shè)備的詢問(wèn),建立跳頻序列同步,進(jìn)行認(rèn)證和通信。而沒(méi)有認(rèn)證和參與傳輸?shù)脑O(shè)備則進(jìn)入帶寬和功率節(jié)省模式。

藍(lán)牙替代長(zhǎng)度較短電纜,等效全向輻射功率(EIRP)為30～100 mW或15～20 dBm。藍(lán)牙在2.4 GHz頻帶的2.4～2.4835 GHz帶寬上,以1 MHz寬信道,1 Mb/s信息速率和高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制進(jìn)行跳頻擴(kuò)頻,來(lái)自跳頻的頻率分集增益和在MAC層采用自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求(ARQ)糾錯(cuò),對(duì)抗強(qiáng)窄帶干擾。藍(lán)牙與IEEE 802.11g和微波共用2.4 GHz頻帶,采取自適應(yīng)頻率跳變圖案,來(lái)抵抗干擾。在鏈路層具有適配多速率靈活性,藍(lán)牙的速率為分為固定1 Mb/s速率和多種可變速率,以適應(yīng)變化的無(wú)線應(yīng)用環(huán)境。藍(lán)牙也采用標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.15.3a基于精確定時(shí)高速窄帶脈沖的UWB寬頻信號(hào)。

在業(yè)務(wù)質(zhì)量方面,藍(lán)牙面向無(wú)連接的異步鏈路(ACL)采用復(fù)雜信道接納控制和計(jì)劃策略來(lái)保證服務(wù)質(zhì)量(QoS)。異步業(yè)務(wù)QoS參數(shù)有長(zhǎng)周期數(shù)據(jù)速率、峰數(shù)據(jù)速率、等待時(shí)間和抖動(dòng)。藍(lán)牙還在面向連接的同步鏈路(SCO)提供同步恒定比特速率業(yè)務(wù)。藍(lán)牙空間容量為總數(shù)據(jù)傳輸速率與所覆蓋傳輸面積的比。藍(lán)牙覆蓋20個(gè)直徑為10 m的微微區(qū),每個(gè)微微區(qū)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為400 kb/s。藍(lán)牙空間容量為每平方米25 kb/s。微微區(qū)的流量均由藍(lán)牙的主機(jī)點(diǎn)控制,微微區(qū)主機(jī)控制從屬接入信道,LAN接入?yún)f(xié)議鏈接外部網(wǎng)。藍(lán)牙散射網(wǎng)結(jié)構(gòu)均是拓?fù)淇勺兊腶d hoc網(wǎng)絡(luò),散射網(wǎng)為微微區(qū)子結(jié)構(gòu),由IP層以全球?qū)ぶ泛吐酚蓪ふ覚C(jī)理提供移動(dòng)站間的全球鏈接功能。

藍(lán)牙采用查詢程序和尋呼方式來(lái)發(fā)現(xiàn)處于覆蓋區(qū)的設(shè)備,并建立新的鏈接。主機(jī)周期地啟動(dòng)查詢程序來(lái)發(fā)現(xiàn)位于其覆蓋區(qū)設(shè)備的MAC地址表,利用從屬的MAC地址和時(shí)鐘,主設(shè)備以尋呼方式查詢。藍(lán)牙定義了無(wú)線接口和允許設(shè)備互相鑒別與提供業(yè)務(wù)的通信棧,藍(lán)牙通信棧如圖1所示。圖1的鏈接管理層負(fù)責(zé)鏈接結(jié)構(gòu)類(lèi)型、認(rèn)證、加密、QoS、功率消耗和傳輸格式等。控制層給鏈接管理層和基帶提供命令接口,給硬件設(shè)備提供相關(guān)接口。邏輯鏈路控制適配協(xié)議(L2CAP)給上層提供鏈接和無(wú)鏈接的業(yè)務(wù)(如來(lái)自上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的分割和組裝、支持QoS)。可直接在L2CAP上利用RFCOMM的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議(PPP)。

藍(lán)牙設(shè)備可工作在主屬和從屬模式[2],1個(gè)主屬設(shè)備和7個(gè)從屬設(shè)備構(gòu)成的微微網(wǎng)作為最藍(lán)牙的基本網(wǎng)絡(luò)。在等待模式,從屬移動(dòng)站數(shù)可達(dá)255,此時(shí)移動(dòng)站不參與數(shù)據(jù)交換,僅與主機(jī)保持同步。微微網(wǎng)可進(jìn)一步鏈接構(gòu)成散射網(wǎng)。散射網(wǎng)的拓?fù)錇槎嗵鵁o(wú)線網(wǎng)絡(luò),兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間無(wú)直接路由,必須通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)來(lái)中繼。另外,兩個(gè)微微網(wǎng)可通過(guò)歸屬于兩個(gè)微微網(wǎng)的公共節(jié)點(diǎn)來(lái)通信,該節(jié)點(diǎn)可為一個(gè)微微網(wǎng)的主節(jié)點(diǎn)或其他微微網(wǎng)的從屬節(jié)點(diǎn)。

藍(lán)牙的加密類(lèi)型可分成3類(lèi),即無(wú)加密的類(lèi)型1、信道建立后在業(yè)務(wù)層加密的類(lèi)型2、信道建立前在鏈路層加密的類(lèi)型3。分成兩個(gè)加密層次,即信任和非信任層次。加密業(yè)務(wù)分成3個(gè)層次,即開(kāi)放業(yè)務(wù)、認(rèn)證業(yè)務(wù)和認(rèn)證鑒別業(yè)務(wù)層次。鏈路層的鑒別和加密依靠4個(gè)基本參數(shù),即藍(lán)牙對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為48比特的地址識(shí)別器、專(zhuān)用鑒別密鑰、專(zhuān)用加密密鑰和長(zhǎng)度為128 比特的頻率變化隨機(jī)數(shù)。

2 超寬帶

不同于常規(guī)連續(xù)波無(wú)線電技術(shù),UWB在窄脈沖序列上進(jìn)行大信息量的編碼,以極低功率譜擴(kuò)展在超寬帶頻譜上傳輸。UWB技術(shù)可用于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線光通信(FSO)、ZigBee、無(wú)線射頻識(shí)別(RFID),光纖無(wú)線電(ROF)、藍(lán)牙和家庭網(wǎng)絡(luò)(HomeRF)中。短距離低功率無(wú)線通信接入系統(tǒng)采用UWB技術(shù)有下述優(yōu)點(diǎn):

(1)容量高

信號(hào)能量擴(kuò)展在超寬帶頻譜上,呈現(xiàn)白噪聲功率譜,可以提高信道容量。

(2)多徑低衰落概率和對(duì)干擾免疫力強(qiáng)

基于窄脈沖的數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)在多徑信道中的分辨率往往在1 ns以下數(shù)量級(jí),可以明顯減弱多徑衰落影響。對(duì)干擾的免疫力正比于信號(hào)帶寬。信號(hào)帶寬越寬,對(duì)干擾的免疫力就越強(qiáng)。

(3)時(shí)間分集和頻率分集

UWB脈沖持續(xù)時(shí)間非常窄,在前后脈沖間離散分布著空隙,RAKE接收機(jī)容易把不同路徑抵達(dá)的UWB脈沖信號(hào)組合起來(lái),增強(qiáng)被檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)的UWB作為無(wú)線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)的首選技術(shù),具有100 Mb/s～1Gb/s的高數(shù)據(jù)率、低功耗和低成本等優(yōu)點(diǎn)。但是它占據(jù)極寬帶寬,在與其他通信系統(tǒng)共享頻道時(shí),會(huì)產(chǎn)生干擾和兼容問(wèn)題[3]。

一種UWB系統(tǒng)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。IEEE 1394會(huì)聚層類(lèi)似IEEE 1394鏈路層,負(fù)責(zé)事務(wù)處理層和UWB低層次之間的映射,會(huì)聚層含有IEEE 1394特定業(yè)務(wù)會(huì)聚子層(SSCS)和公共部分會(huì)聚子層(CPCS)。

在UWB系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中,以信息符號(hào)調(diào)制窄脈沖序列的相位。UWB脈沖調(diào)制可采用雙相高斯脈沖調(diào)制,脈沖振幅調(diào)制或脈沖間隔嚴(yán)格地按照甚窄高斯脈沖的脈位調(diào)制。典型脈沖寬帶為0.2～2.0 ns,脈沖間隔為10～100 ns,脈沖位置可以是等間隔、隨機(jī)或偽隨機(jī)間隔等。

UWB集中控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。采取ad hoc網(wǎng)絡(luò)中P2P通信和自組織集中控制模式,它由若干微微網(wǎng)組成,每個(gè)微微網(wǎng)選擇一個(gè)主站并自動(dòng)控制其他副站。若UWB用于分布控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),則難于控制各節(jié)點(diǎn)的輸出功率和干擾。

欲進(jìn)一步擴(kuò)展UWB系統(tǒng)的覆蓋面積,數(shù)據(jù)流控制和網(wǎng)絡(luò)層管理通過(guò)兩類(lèi)網(wǎng)橋連接UWB無(wú)線總線和IEEE 1394骨干網(wǎng),見(jiàn)圖4所示。其中,IEEE 1394網(wǎng)橋作為有線與無(wú)線總線的接口,對(duì)在IEEE 1394骨干網(wǎng)和UWB無(wú)線總線間數(shù)據(jù)流來(lái)說(shuō),提供的功能包括:同步信道建立,信道與UWB數(shù)據(jù)鏈路信道的邏輯映射;有線與無(wú)線間異步分組和控制數(shù)據(jù)流的路由選擇;IEEE 1394和UWB間的時(shí)鐘同步,幀和分組同步;增加或減少I(mǎi)EEE 1394節(jié)點(diǎn)和UWB移動(dòng)終端數(shù),配置相應(yīng)的頻率資源。

3 Wi-Fi

1997年IEEE通過(guò)速率為1 Mb/s或2 Mb/s、MAC和物理層帶寬為2.4 GHz(北美洲2.4～2.4835 GHz,日本2.471～2.497 GHz)的IEEE 802.11作為Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn),給快速接入設(shè)備和無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)內(nèi)移動(dòng)設(shè)備提供無(wú)線鏈接。Wi-Fi規(guī)定接入物理媒介的MAC程序、MAC層處理移動(dòng)性和鄰近小區(qū)間的越區(qū)切換。1997年IEEE公布速率為6、9、12、24、36、48和54 Mb/s,帶寬為5 GHz的IEEE 802.11a[4]。它不能采用IEEE 802.11h的動(dòng)態(tài)頻率選擇和自適應(yīng)功率控制技術(shù),經(jīng)過(guò)Lucent和Harris的驗(yàn)證,又批準(zhǔn)速率為5.5或11 Mb/s的IEEE 802.11b[5]。2003年公布性能類(lèi)似IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn),而帶寬為2.4 GHz與IEEE 802.11b兼容的IEEE 802.11g[6]。

Wi-Fi除了使用5 GHz頻帶外,采用16 MHz寬信道的直接系列擴(kuò)展頻譜(DSSS)、輔助編碼鍵控(CCK)和OFDM技術(shù)。DSSS技術(shù)可對(duì)抗寬帶噪聲。Wi-Fi收發(fā)在同一頻率,重傳分組的增益來(lái)自時(shí)間分集。Wi-Fi在物理層適配速率,且對(duì)高層透明,依據(jù)不同速率采用不同的調(diào)制。Wi-Fi的速率范圍為1～54 Mb/s。Wi-Fi在MAC層采用ARQ糾錯(cuò)、編碼和復(fù)用技術(shù),來(lái)避免噪聲影響。IEEE 802.11a和無(wú)繩電話共用5 GHz頻帶,Wi-Fi采取發(fā)射功率控制技術(shù)來(lái)抵抗干擾。

一接通Wi-Fi移動(dòng)站的電源,移動(dòng)站就掃描所有無(wú)線信道,尋找發(fā)射信標(biāo)的主網(wǎng)絡(luò),選擇含有Wi-Fi移動(dòng)站的ad hoc網(wǎng)絡(luò),以接入點(diǎn)(AP)鑒別、認(rèn)證和鏈接Wi-Fi移動(dòng)站,提供從盡力而為到優(yōu)先確保的QoS。當(dāng)Wi-Fi移動(dòng)站成為ad hoc網(wǎng)絡(luò)的組成部分時(shí),Wi-Fi移動(dòng)站具有發(fā)現(xiàn)新網(wǎng)絡(luò)或脫離舊網(wǎng)組成新網(wǎng)絡(luò)的能力。Wi-Fi移動(dòng)站可在通信網(wǎng)絡(luò)間漫游,共享公共分布系統(tǒng)資源,進(jìn)行無(wú)隙縫移動(dòng)傳輸。當(dāng)Wi-Fi移動(dòng)站成為固定通信基礎(chǔ)設(shè)施后,接入點(diǎn)就解鑒別和解融合,并處于休眠的狀態(tài)。

Wi-Fi定義兩種接入方式:即分布協(xié)調(diào)方式(DCF)和點(diǎn)協(xié)調(diào)方式(PCF)。最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是獨(dú)立基本業(yè)務(wù)集,它至少含有兩個(gè)基站的ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?基本業(yè)務(wù)集為延伸業(yè)務(wù)集的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。在固定通信基礎(chǔ)中,延伸業(yè)務(wù)集是以分布系統(tǒng)相連的一組基本業(yè)務(wù)集。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的典型組成單元如圖5所示?；咎峁┑臉I(yè)務(wù)分為基站業(yè)務(wù)和分布系統(tǒng)業(yè)務(wù),分布系統(tǒng)業(yè)務(wù)允許數(shù)據(jù)在歸屬于不同基本業(yè)務(wù)集的基站間傳輸。

Wi-Fi在鏈路層鑒別用戶設(shè)備以保證可靠的接入,鑒別用戶設(shè)備有兩種鑒別方法。一種是開(kāi)放系統(tǒng)鑒別(OSA),另一種是共享密鑰鑒別(SKA)。以IEEE 802.1X/EAP為框架的通信設(shè)備可提供不同安全強(qiáng)度的選擇算法。

Wi-Fi的WLAN結(jié)構(gòu)基于基本業(yè)務(wù)集(BSS),基本業(yè)務(wù)集為一組移動(dòng)或固定Wi-Fi移動(dòng)站,以一定控制方式接入網(wǎng)絡(luò)傳輸媒介。Wi-Fi允許存在4個(gè)無(wú)干擾基本業(yè)務(wù)集,在覆蓋直徑100 m的基本業(yè)務(wù)集的數(shù)據(jù)傳輸速率為910 kb/s,或在覆蓋直徑10 m的基本業(yè)務(wù)集內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸速率為31.4 Mb/s。IEEE 802.11g的空間容量在最低速率時(shí)為每平方米0.1 kb/s,,在最大速率時(shí)為每平方米400 kb/s。

Wi-Fi采用的復(fù)用技術(shù)有:直擴(kuò)擴(kuò)頻和正交頻分復(fù)用(OFDM),直擴(kuò)擴(kuò)頻使用11比特Barker系列,11 碼片序列調(diào)制一個(gè)信息比特,1 Mb/s和2 Mb/s的調(diào)制分別采用二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)和正交移相鍵控(QPSK),輔助編碼鍵控為16比特序列編碼4或8個(gè)信息比特。

在固定通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,Wi-Fi移動(dòng)站以DCF運(yùn)行MAC協(xié)議,以CSMA/CA作為接入信道技術(shù)?；綝CF接入有多種類(lèi)型,移動(dòng)站可優(yōu)化選擇RTS/CTS機(jī)理,來(lái)降低隱藏終端帶來(lái)的碰撞現(xiàn)象。網(wǎng)絡(luò)安置矢量(NAV)作為移動(dòng)站計(jì)數(shù)器,計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K止時(shí)刻。IEEE 802.11e定義新的協(xié)調(diào)方式為加強(qiáng)型分布信道接入(EDCA)和HCF控制信道接入(HCCA),共同提供混合協(xié)調(diào)功能(HCF)。EDCA提供8個(gè)數(shù)據(jù)優(yōu)先等級(jí),每個(gè)移動(dòng)站以不同的幀間距(IFS)值賦于不同優(yōu)先等級(jí)的信道。較高等級(jí)的排隊(duì)使用較短IFS,獲取接入信道的較高優(yōu)先權(quán)和優(yōu)先退避權(quán)時(shí)間。在HCCA中有一移動(dòng)站承擔(dān)集中控制混合協(xié)調(diào)功能。

HCCA可確保業(yè)務(wù)速率、時(shí)延和抖動(dòng)的QoS。

由于短距離低功率無(wú)線通信接入系統(tǒng)中無(wú)線分組經(jīng)常會(huì)丟失,在任意時(shí)間間隔上難以保持加密和解密之間的同步。Wi-Fi安全框架采用應(yīng)用流密碼RC4的無(wú)線等效專(zhuān)用(WEP)協(xié)議。2002年定義無(wú)線保護(hù)接入(WAP)作為WEP的改進(jìn),并被IEEE 802.11i采用。

WAP以802.1X/EAP為框架,暫時(shí)密鑰完整協(xié)議(TKIP)用于加密密碼,擴(kuò)展鑒別協(xié)議(EAP)用于鑒別。2004年IEEE 802.11i工作小組公布WAP2為基于IEEE 802.1X和EAP的綜合鑒別框架,不同應(yīng)用環(huán)境的鑒別和密鑰產(chǎn)生不同的EAP。定義兩組密碼組,即現(xiàn)有設(shè)備的升級(jí)軟件TKIP和基于AES的CCMP。

4 功耗控制

短距離低功率無(wú)線通信接入系統(tǒng)主要用于短距離移動(dòng)和有限電源的袖珍終端接入通信。其中,藍(lán)牙和UWB提供非常低的功率消耗,而Wi-Fi用于比較長(zhǎng)距離鏈接,支持一定功率的移動(dòng)終端接入。

4.1 藍(lán)牙的功率管理

藍(lán)牙的功率管理方式有:僅有時(shí)鐘運(yùn)行而無(wú)數(shù)據(jù)交換的備用方式和終端設(shè)備鏈接到微微網(wǎng)主機(jī)上的數(shù)據(jù)交換方式。鏈接分為4種模式,即激活模式,位于微微網(wǎng)的設(shè)備處于主動(dòng)狀態(tài);偵聽(tīng)模式,以低功率消耗處于偵聽(tīng)狀態(tài);保持模式,設(shè)備ACL流量在一定期間被阻止;等待模式,設(shè)備不再屬于微微網(wǎng)的成員,仍然保持與微微網(wǎng)主機(jī)同步,處于最低功率消耗。

CSR公司研發(fā)出CMOS單片藍(lán)牙設(shè)備,單片藍(lán)牙包括基帶藍(lán)核和無(wú)線藍(lán)核。其中,基帶藍(lán)核含有承擔(dān)鏈路控制器、鏈路管理和主機(jī)控制器接口層功能的固件。無(wú)線藍(lán)核提供閃爍儲(chǔ)存和節(jié)約功率能力。藍(lán)核有兩種低功率節(jié)省模式,即淺睡模式,降低處理器時(shí)鐘速率;深睡模式,大部分電路處于關(guān)閉狀態(tài)。

4.2 固定通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的Wi-Fi功率管理

Wi-Fi設(shè)備有兩個(gè)狀態(tài),即喚醒模式和處于不發(fā)射又不接收的欲睡狀態(tài)。它有兩個(gè)功率管理模式,即激活模式和功率節(jié)省模式。圖6所示為固定結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi的功率管理狀態(tài)圖。處于激活模式的移動(dòng)站欲進(jìn)入功率節(jié)省模式,必須把分組頭的功率管理比特送至接入點(diǎn)。接入點(diǎn)存儲(chǔ)所有功率節(jié)省模式移動(dòng)站的流量。經(jīng)過(guò)一定算法,處于功率節(jié)省模式的移動(dòng)站轉(zhuǎn)換至激活模式,以便接收信標(biāo),而沒(méi)有接入的流量的移動(dòng)站又返回功率節(jié)省模式。

4.3 ad hoc網(wǎng)絡(luò)的Wi-Fi功率管理

由于ad hoc網(wǎng)絡(luò)中無(wú)接入點(diǎn),處于功率節(jié)省模式的移動(dòng)站發(fā)射ad hoc通信量指示信息(ATIM)幀,在ATIM窗期間轉(zhuǎn)換至喚醒狀態(tài),由激活站存儲(chǔ)所有處于功率節(jié)省模式的移動(dòng)站流量。接收到ATIM幀信息的移動(dòng)站保持在喚醒狀態(tài),以便接收信息流量,直至下一個(gè)ATIM窗到達(dá),才返回至功率節(jié)省模式。

與固定通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的功率管理相比,由于無(wú)接入點(diǎn)作為參考站,移動(dòng)站的喚醒或欲睡狀態(tài)由ad hoc網(wǎng)絡(luò)的其他移動(dòng)站來(lái)評(píng)估。在ATIM窗期間,ATIM幀信息的發(fā)射和接收服從DCF和CSMA/CA接入算法。

5 短距離低功率無(wú)線通信接入系統(tǒng)的最新發(fā)展

短距離低功率無(wú)線通信接入系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程非常快而輔助標(biāo)準(zhǔn)也多,但目前仍以藍(lán)牙和Wi-Fi為主。

從藍(lán)牙技術(shù)出現(xiàn),至今已經(jīng)有5個(gè)核心版本技術(shù)。2007年藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟推出了藍(lán)牙技術(shù)的最新版本2.1+EDR,藍(lán)牙技術(shù)的傳輸速率有了很大提高。2.0+EDR跟以前版本的最大分別就是有了增加數(shù)據(jù)速率(EDR)功能,藍(lán)牙一般的速率為1 Mb/s,增加了EDR技術(shù)速率就可以達(dá)到2 Mb/s或者3 Mb/s。2009年,藍(lán)牙聯(lián)盟還將推出兩種技術(shù)[7]:一種是高速率解決方案、一種是低功耗技術(shù)。

2006年,藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟宣布選擇WiMedia聯(lián)盟的UWB技術(shù)作為藍(lán)牙技術(shù)的高速解決方案。同時(shí)藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟還充分利用Wi-Fi,將802.11a、b和g標(biāo)準(zhǔn)添加到藍(lán)牙802.11 AMP規(guī)范中,實(shí)現(xiàn)設(shè)備互操作和高速數(shù)據(jù)傳輸。2008年,藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟就正式宣布了高速率發(fā)展策略,研發(fā)新的無(wú)線射頻替代方案,除支持消費(fèi)類(lèi)藍(lán)牙設(shè)備繼續(xù)使用藍(lán)牙協(xié)議、功能、安全和配對(duì)外,還支持其臨時(shí)使用設(shè)備中預(yù)置的備用無(wú)線電實(shí)現(xiàn)更快的傳輸速率。藍(lán)牙低功耗規(guī)范,將滿足消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品行業(yè)對(duì)通信交互式遠(yuǎn)程控制的需求。據(jù)了解,藍(lán)牙低功耗技術(shù)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于需要超長(zhǎng)電池壽命的設(shè)備,面向需要在不同廠商的產(chǎn)品間實(shí)現(xiàn)交互的人群。

UWB技術(shù)的使用必須解決與其他無(wú)線系統(tǒng)共存的問(wèn)題。針對(duì)UWB與4G的共存研究,檢測(cè)避免(DAA)作為UWB的防干擾技術(shù)在日本和歐洲已經(jīng)受到重視。目前有:融入OFDM、擴(kuò)頻與交織、跳頻等機(jī)制的MB-OFDM-UWB方案;將多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)用于UWB系統(tǒng)的MIMO-OFDM-UWB設(shè)想;UWB與Mesh結(jié)合的應(yīng)用;UWB與智能天線的融合等研究方向。

Wi-Fi聯(lián)盟于2006年末推出了Wi-Fi保護(hù)設(shè)置(WPS)技術(shù)[8],該技術(shù)結(jié)合目前最安全的加密方式WPA/WPA2和簡(jiǎn)單方便的配置方式于一體,使無(wú)線局域網(wǎng)的相關(guān)產(chǎn)品更易于被普通用戶接受。下一步Wi-Fi的趨勢(shì)是采用MIMO技術(shù),Airgo公司已研發(fā)與Wi-Fi兼容的速率為108 Mb/s的MIMO芯片,IEEE 802.11n工作小組規(guī)定MIMO物理層的定義。

6 參考文獻(xiàn)

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[6] IEEE Std 802.11g-2003 (Amendment to IEEE Std 802.11, 1999 Edn (Reaff 2003) as amended by IEEE Stds 802.11a-1999, 802.11b-1999, 802.11b-1999/Cor 1-2001, and 802.11d-2001). IEEE standard for information technology - Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks - Specific requirements, Part 11: Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications [S]. 2003.

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[8] Wi-Fi protected setup specification [R]. Austin, TX ,USA: Wi-Fi Alliance. 2007.

收稿日期:2009-01-13

作者簡(jiǎn)介

談?wù)褫x,北京交通大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,第一、二、三屆中國(guó)“863”計(jì)劃通信主題個(gè)人通信專(zhuān)業(yè)專(zhuān)家組成員,主要從事無(wú)線ATM、擴(kuò)頻通信、個(gè)人通信方面的研究,已發(fā)表研究論文60余篇。

喬曉瑜,北京交通大學(xué)在讀博士研究生,主要研究方向?yàn)閷拵o(wú)線移動(dòng)通信、無(wú)線資源管理、認(rèn)知無(wú)線電。