無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中幾種無線通信技術(shù)的比較分析

劉毅

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司營口分公司，遼寧 營口 115000）

1 引言

無線傳感器 (Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。紅外線、IEEE8011、HomeRF和藍牙技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中四種典型的無線通信技術(shù)。

2 四種典型的無線通信技術(shù)

2.1 紅外線

紅外線是波長在750nm至1mm之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光同，是一種人的眼睛看不到的光線。

紅線通信一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在0.75um至25um之間。為了保證不同廠商的紅線產(chǎn)品能夠獲得最佳的通信效果，紅外通信協(xié)議將紅外數(shù)據(jù)通信所采用的光波波長的范圍限定在850nm至900nm之內(nèi)。

紅外通信有著成本低廉、連接方便、簡單易用和結(jié)構(gòu)緊湊的特點，因此在小弄的移動設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。這些設(shè)備包括筆記本電腦、掌上電腦、面頂盒、游戲機、移動電話、計算器、尋呼機、儀器儀表、MP3播放機、數(shù)碼相機以及打印機之類的計算機外圍設(shè)備等等。

2.2 IEEE8011

IEEE8011是IEEE（氣和電子工作師協(xié)會）制定的一個無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中的用戶終端之間的無線接入。IEEE8011業(yè)務(wù)主要限于數(shù)據(jù)存取，傳輸速率最高只能達到2Mbps。由于IEEE8011在速率上的不足，已不能滿足數(shù)據(jù)應(yīng)用的需求；因此，IEEE又相繼推出了IEEE8011b和IEEE8011a這兩個新的標(biāo)準(zhǔn)。三者之間技術(shù)差別主要在于MAC(Mediuln Access Control,媒介訪問控制)子層和物理層。

IEEE8011b標(biāo)準(zhǔn)。IEEE8011b(wi-Fi)使用開放的4GHz直接序列擴頻,最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mbps,無需直線傳播.使用動態(tài)速率轉(zhuǎn)換,當(dāng)射頻情況變差時,可將數(shù)據(jù)傳輸速率降低為5.5 Mbps、2 Mbps 和 1 Mbps。且當(dāng)工作在 2 Mbps和1 Mbps速率時可向下兼容IEEE8011。IEEE8011b的使用范圍在室外為300米，在辦公環(huán)境中則最長為100米。使用與以太網(wǎng)類似的連接協(xié)議和數(shù)據(jù)包確認(rèn)，來提供可靠的數(shù)據(jù)傳送和網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效使用。IEEE8011b運作模式基本分為兩種：點對點模式和基本模式，點對點模式是指無線網(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡之間的通信方式。

IEEE8011a標(biāo)準(zhǔn)。IEEE8011a工作在5GHzU-NII頻帶，從而避開了擁擠的4GHz頻段。物理層速率可達54 Mbps，傳輸層可達25 Mbps。采用正交頻分復(fù)用（OFDM）的獨特擴頻技術(shù)；可提供25 Mbps的無線ATM接口、10 Mbps以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口和TDD/TDMA的空中接口，支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)，一個扇區(qū)可接入多個用戶，每個用戶可帶多個用戶終端。

IEEE8011a在使用頻率的選擇和數(shù)據(jù)傳輸速率上都優(yōu)于IEEE8011b，不過其芯片還沒有進入市場，加之設(shè)備昂貴、不兼容IEEE8011b、空中接力不好和點對點連接很不經(jīng)濟，不適合小型設(shè)備。

2.3 HomeRF

HomeRF技術(shù)是無繩電話技術(shù)（數(shù)字式增加型無繩電話或者簡稱為DECT:Digital Enhanced Cordless Telephone）和無線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)相互融合發(fā)展的產(chǎn)物.無線局域網(wǎng)IEEE8011采用CSMA/CA(載波監(jiān)聽多點接入/沖突避免)方式,特別適合于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù);而DECT使用TDMA(時分多路復(fù)用)方式,特別適合于話音通信,將二者進行融合構(gòu)成家庭射頻使用的共享無線應(yīng)用協(xié)議 (SWAT Shared Wireless Access)的代稱,其實質(zhì)量是要建立通用的無線空中接口及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn),使通信和計算機進一步結(jié)合,使不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下,能在近距離范圍內(nèi)具有互用、互操作的性能。

適用設(shè)備多。藍牙技術(shù)最大的優(yōu)點是使眾多電信和電腦設(shè)備無需電纜就能聯(lián)網(wǎng)。例如，如果把藍牙技術(shù)引入到移動電話和膝上型電腦中，就可以去掉連接電纜而通過無線使其建立通信。打印機、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數(shù)字設(shè)備都可以成為藍牙系統(tǒng)的一部分。

工作頻段全求通用。藍牙技術(shù)以無線局域網(wǎng)的IEEE8011標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ)，工作在4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段，該頻段用戶不必經(jīng)過允許，在世界范圍內(nèi)都可以自由使用。

使用方便。藍牙技術(shù)規(guī)范中采用了一種“Plond&Play”的概念，它有點類似“即插即用”。這樣，用戶不必再需要學(xué)習(xí)如何安裝和設(shè)置，凡是嵌入藍牙技術(shù)的設(shè)備一旦搜尋到另一個藍牙設(shè)備，馬上就可以建立聯(lián)系，利用相關(guān)的控制軟件，無須用戶干預(yù)即可傳輸數(shù)據(jù)。

安全加密、抗干擾能力強。ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶。因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預(yù)測的干擾源，例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等。

兼容性好。由于藍牙技術(shù)獨立于操作系統(tǒng)，所以，在各種操作系統(tǒng)中均有良好的兼容特性。

尺寸小、功耗低。所有的技術(shù)和軟件集成于9mm*9mm的微芯片，從而可以集成到各種設(shè)備中，如蜂窩電話、傳呼機、筆記本電腦、PDA、PC，甚至各種家用電器中；與集成的設(shè)備相比可免忽略功耗和成本。

多路多方向鏈接。目前，相距很近的便攜式器件之間的鏈接是用紅外線進行的，但使用起來仍有許多不便和限制。藍牙無線收發(fā)器的鏈接距離可達10米，不限制在直線范圍內(nèi)，甚至設(shè)備不在同一間房內(nèi)也能相互鏈接，并且可以鏈接多個設(shè)備，同時可進行通信的設(shè)備最多可達7個，這就可以把用戶身邊的搖控。但IrDA最大的不足在于發(fā)送端與接收 端之間不能有障礙物，而藍牙無線傳輸時發(fā)送端與接收端不受中間阻擋物的影響，這對于移動用戶來講將更實用。如果藍牙設(shè)備的價格能夠進一步降低人們可接受 的程度，對傳統(tǒng)的IrDA將構(gòu)成挑戰(zhàn)。

IEEE8011雖然傳輸速率快，傳輸距離長，但其成本較高，功耗較大。目前IEEE8011的實現(xiàn)方式 主要還是靠無線網(wǎng)卡或接入 點設(shè)備。藍牙成本低、功耗小、體積小，可以便捷地用于更多的設(shè)備。

2.4 藍牙技術(shù)

相對于其它幾種無線通信技術(shù)，藍牙技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有如下一些優(yōu)勢：

中短通信距離性：藍牙的通信距離為10m-100m，屬于是中短距離無線通信，這個范圍的距離要比IEEE8011b標(biāo)準(zhǔn)的短，但是又要比紅外線的通信距離長，比較適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

便攜性：為了適合于便攜設(shè)備的集成，藍牙模塊的設(shè)計尺寸要比一般的RF裝置小，這樣集成有藍牙模塊的Sink網(wǎng)關(guān)在大小上沒有很大的變化，適合于在對設(shè)備體積有嚴(yán)格要求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中使用。

節(jié)能性：藍牙模塊的功耗非常小，一般只有10mw,當(dāng)集成在Sink網(wǎng)關(guān)上時，可以使用微型電池進行長時間的供電，非常適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)低功耗的特點。

安全性：藍牙標(biāo)準(zhǔn)在基帶上提供了對傳輸數(shù)據(jù)的加密機制以及在鏈路管理 器上提供的鑒權(quán)機制，保證了Sink網(wǎng)關(guān)與管理終端通信的安全性，非法設(shè)備和用戶是無法獲得對藍牙底層傳輸數(shù)據(jù)和高層服務(wù)的訪問。

抗干擾性：藍牙射頻信號工作在ISM免費頻段，其基帶規(guī)定了1600/秒的跳頻頻率，保證了和其他無線空中接口信號產(chǎn)生碰撞的可能性很小，其他無線信號對它的干擾很小，即使產(chǎn)生了干擾，藍牙也提供了重傳的機制可以保證信息的完整性，同時因為藍牙射頻信號的發(fā)射功率很小，所以也不會對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中其他無線信號產(chǎn)生大的干擾。

3 結(jié)束語

紅外線、IEEE8011、HomeRF和藍牙技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中四種典型的無線通信技術(shù)。通過對四種典型無線通信技術(shù)的性能分析比較，該文得出了相應(yīng)結(jié)論。

[1]袁勇.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能傳輸技術(shù)研究[J].華中科技大學(xué)，2005-11-01.