無線通訊網路如何分類

無線根據國際上所採用的通訊技術種類可將無線感測器網路劃分為無線廣域網(WWAN)、無線都會網路(WMAN)、無線區域網(WLAN)、無線個域網(WPAN)、低速率無線個域網(LR-WPAN)。以下是對各類網路各自常見和常用的通訊技術進行簡單介紹。

三、無線區域網(WLAN)

無線區域網是指以無線電波、紅外線等無線媒介來代替目前有線區域網中的傳輸媒介(比如電纜)而構成的網路。無線區域網內使用的通訊技術覆蓋範圍一般為半徑100m左右，也就是說差不多幾個房間或小公司的辦公室。當然實際的覆蓋範圍受很多因素影響，比如通訊區域中的高大障礙物。

IEEE

802.11系列標準是IEEE制訂的無線區域網標準，主要對網路的物理層和媒質訪問控制層進行規定，其中重點是對媒質訪問控制層的規定。目前該系列的標準有：IEEE802.11、IEEE

802.11b、IEEE 802.11a、IEEE 802.11g、IEEE 802.11d、IEEE 802.11e、IEEE802.11f、IEEE

802.11h、IEEE 802.11i、IEEE 802.11j等，其中每個標準都有其自身的優勢和缺點。

下面就IEEE已經制訂且涉及物理層的4種IEEE 802.11系列標準：IEEE 802.11、IEEE802.11a、IEEE 802.11b和IEEE

802.11g進行簡單介紹。

1.IEEE

IEEE

802.11是最早提出的無線區域網網路規範，是IEEE於1997年6月推出的，它工作於2.4GHz的ISM頻段，物理層採用紅外、跳頻擴頻(Frequency

Hopsping SpreadSpectrum，FHSS)或直接序列擴頻(Direct Sequence Spread

Spectrum，DSSS)技術，其最高可達2Mbps，它主要應用於解決辦公室區域網和校園網中使用者終端等的無線接入問題。使用FHSS技術時，2.4GHz頻道被劃分成75個1MHz的子頻道，當接收方和傳送方協商一個調頻的模式，資料則按照這個序列在各個子頻道上進行傳送，每次在IEEE

802.11網路上進行的會話都可能採用了一種不同的跳頻模式，採用這種跳頻方式避免了兩個傳送端同時採用同一個子頻段;而DSSS技術將2.4GHz的頻段劃分成14個22MHz的子頻段，資料就從14個頻段中選擇一個進行傳送而不需要在子頻段之間跳躍。由於臨近的頻段互相重疊，在這14個子頻段中只有3個頻段是互不覆蓋的。IEEE

802.11由於上的限制，在2000年也緊跟著推出了改進後的IEEE

。但隨著網路的發展，特別是IP語音、影片資料流等高頻寬網路應用的需要，IEEE

802.11b只有11Mbps的資料傳輸率不能滿足實際需要。於是，傳輸速率高達54Mbps的IEEE

802.11a和IEEE802.11g也都陸續推出。

2.IEEE

IEEE 802.11b又稱為Wi-Fi，是目前最普及、應用最廣泛的無線標準。IEEE 802.11b工作於2.4GHz頻帶，物理層支援5.5

Mbps和11 Mbps 兩個速率。IEEE 802.11b的傳輸速率會因環境干擾或傳輸距離而變化，其速率在1 Mbps、2 Mbps、5.5 Mbps、11

Mbps 之間切換，而且在1 Mbps、2 Mbps速率時與IEEE 802.11相容。IEEE

802.11b採用了直接序列擴頻DSSS技術，並提供資料加密，使用的是高達128位的有線等效(WiredEquivalent

Privacy，WEP)。但是IEEE 802.11b和後面推出的工作在5GHz頻率上的IEEE802.11a標準不相容。

從工作方式上看，IEEE

802.11b的工作模式分為兩種：點對點模式和基本模式。點對點模式是指和之間的通訊方式，即一臺配置了的計算機可以與另一臺配置了無線網絡卡的計算機進行通訊，對於小規模無線網路來說，這是一種非常方便的互聯方案;而基本模式則是指無線網路的擴充或無線和有線網路並存時的通訊方式，這也是IEEE

802.11b最常用的連線方式。在該工作模式下，配置了無線網絡卡的計算機需要透過“無線接入點”才能與另一臺計算機連線，由接入點來負責頻段管理等工作。在頻寬允許的情況下，一個接入點最多可支援1

024個無線節點的接入。當無線節點增加時，網路存取速度會隨之變慢，此時透過新增接入點的數量可以有效地控制和管理頻段。

IEEE

802.11b技術的成熟，使得基於該標準網路產品的成本得到很大的降低，無論家庭還是公司企業使用者，無須太多的資金投入即可組建一套完整的無線區域網。當然，IEEE

802.11b並不是完美的，也有其不足之處，IEEE

802.11b最高11Mbps的傳輸速率並不能很好地滿足使用者高資料傳輸的需要，因而在要求高寬頻時，其應用也受到限制，但是可以作為有線網路的一種很好的補充。

3.IEEE

IEEE

802.11a工作於5GHz頻帶，但在美國是工作於U-NII頻段，即5.15～5.25GHz、5.25～5.35GHz、5.725～5.825GHz三個頻段範圍，其物理層速率可達54

Mbps，傳輸層可達25Mbps。IEEE 802.11a的物理層還可以工作在紅外線頻段，波長為850～950奈米，訊號傳輸距離約10m。IEEE

802.11a採用正交頻分複用(OFDM)的獨特擴頻技術，並提供25Mbps的無線ATM介面和10Mbps的乙太網無線幀結構介面，支援語音、資料、影象業務。IEEE

802.11a使用來增大傳輸範圍，採用資料加密可達152位的WEP。

就技術角度而言，IEEE 802.11a與IEEE 802.11b之間的差別主要體現在工作頻段上。由於IEEE 802.11a工作在與IEEE

802.11b不同的5GHz頻段，避開了大量無線電子產品廣泛採用的2.4GHz頻段，因此其產品在無線通訊過程中所受到的干擾大為降低，抗干擾性較IEEE

802.11b更為出色。高達54Mbps資料傳輸頻寬，是IEEE 802.11a的真正意義所在。當IEEE

802.11b以其11Mbps的資料傳輸率滿足了一般上網瀏覽網頁、資料交換、共享外設等需求的時候，IEEE

802.11a已經為今後無線寬頻網的高資料傳輸要求做好了準備，從長遠的發展角度來看，其競爭力是不言而喻的。此外，IEEE

802.11a的無線網路產品較IEEE802.11b有著更低的功耗，這對及PDA等移動裝置來說也有著重大實用價值。

然而在IEEE 802.1la的普及過程中也面臨著很多問題。首先，來自廠商方面的壓力。IEEE 802.11b已走向成熟，許多擁有IEEE

802.11b產品的廠商會對IEEE

802.11a都持保守態度。從目前的情況來看，由於這兩種技術標準互不相容，不少廠商為了均衡市場需求，直接將其產品做成了“a b”的形式，這種做法雖然解決了“相容”問題，但也使得成本增加。其次，由於相關法律法規的限制，使得5GHz頻段無法在全球各個國家中獲得批准和認可。5GHz頻段雖然令基於IEEE802.11a的裝置具有了低干擾的使用環境，但也有其不利的一面，由於太空中數以千計的人造衛星與地面站通訊也恰恰使用5GHz頻段，這樣它們之間產生的干擾是不可避免的。此外，歐盟也已將5GHz頻率用於其自己制訂的HiperLAN無線通訊標準。

4.IEEE

IEEE 802.11g是對IEEE

802.11b的一種高速物理層擴充套件，它也工作於2.4GHz頻帶，物理層採用直接序列擴頻(DSSS)技術，而且它採用了OFDM技術，使無線網路傳輸速率最高可達54Mbps，並且與IEEE802.11b完全相容。IEEE802.11g和IEEE802.11a的設計方式幾乎是一樣的。

IEEE 802.11g的出現為市場多了一種通訊技術選擇，但也帶來了爭議，爭議的焦點是圍繞在IEEE 802.11g與IEEE

802.11a之間的。與IEEE

802.11a相同的是，IEEE802.11g也採用了OFDM技術，這是其資料傳輸能達到54Mbps的原因。然而不同的是，IEEE

802.11g的工作頻段並不是IEEE 802.11a的工作頻段5GHz，而是和IEEE 802.11b一致的2.4GHz頻段，這樣一來，使得基於IEEE

802.11b技術產品的使用者所擔心的相容性問題得到了很好的解決。

從某種角度來看，IEEE 802.11b可以由IEEE 802.11a來替代，那麼IEEE

802.11g的推出是否就是多餘的呢?答案當然是否定的。IEEE

802.11g除了具備高及相容性的優勢外，其所工作的2.4GHz頻段的訊號衰減程度也不像IEEE 802.11a所在的5GHz那麼嚴重，並且IEEE

802.11g還具備更優秀的“穿透”能力，能在複雜的使用環境中具有很好的通訊效果。但是IEEE 802.11g工作頻段為2.4GHz，使得IEEE

802.11g與IEEE 802.11b一樣極易受到來自微波、無線電話等裝置的干擾。此外，IEEE 802.11g的訊號比IEEE

802.11b的訊號能夠覆蓋的範圍要小得多，使用者需要透過添置更多的無線接入點才能滿足原有使用面積的訊號覆蓋，這或許就是IEEE

802.11g能夠具有高寬頻所付出的代價吧!

IEEE 802.11系列4個標準的一些特性見表1-2。

四、無線個域網(WPAN)

從網路構成上來看，無線個域網WPAN(Wireless Personal Area

Networks)位於整個網路架構的底層，用於很小範圍內的終端與終端之間的連線，即點到點的短距離連線。WPAN是基於計算機通訊的專用網，工作在個人操作環境，把需要相互通訊的裝置構成一個網路，且無須任何中央管理裝置及軟體。用於無線個域網的通訊技術有很多，如藍芽、紅外、UWB、HomeRF等，下面就幾種主要的技術進行講述。

1.藍芽(Bluetooth)

藍芽(Bluetooth)是由愛立信、英特爾、諾基亞、IBM和東芝等公司於1998年5月聯合主推的一種短距離，它可以用於在較小的範圍內透過無線連線的方式實現固定裝置或移動裝置之間的網路互聯，從而在各種數字裝置之間實現靈活、安全、低功耗、低成本的語音和資料通訊。藍芽技術的一般有效通訊範圍為10m，強的可以達到100m左右，其最高速率可達1Mbps。

藍芽技術執行在全球通行的、無須申請許可的2.4GHz頻段。採用GFSK調製技術，傳輸速率達1Mbps;採用FHSS擴頻技術，把通道分成若干個長為625μs的時隙，每個時隙交替進行發射和接收，實現時分雙工。在2.402～2.480GHz頻段內含有間隔為1MHz的79個跳頻載頻及一系列的跳頻序列，跳頻速率為1

600hops/s，每個時隙傳送一個分組資料。藍芽由於採用了時分雙工，可以防止收發信機之間的串擾;採用跳頻技術提高了裝置抗干擾能力，以及提供了一定的安全保障，便於疊區組網。藍芽採用電路交換和分組交換技術，可獨立或同時支援非同步資料通道和語音通道。每個同步語音通道資料速率為64kbps，語音訊號編碼採用脈衝編碼調製或連續可變斜率增量調製方法。當採用非對稱通道傳輸資料時，其速率可達723.2kbps;當採用對稱通道傳輸資料時，速率最高為342.6kbps。藍芽還使用了前向糾錯(Forward

Error Correction，FEC)機制，從而抑制了長距離鏈路的隨機噪聲。

基於藍芽技術的裝置在網路中所扮演的角色有主裝置和從裝置之分。主裝置負責設定跳頻序列，從裝置必須與主裝置保持同步。主裝置負責控制主從裝置之間的業務傳輸時間與速率。在組網方式上，透過藍芽裝置中的主裝置與從裝置可以形成一點到多點的連線，即在主裝置周圍組成一個微微網，網內任何從裝置都可與主裝置通訊，而且這種連線無須任何複雜的軟體支援，但是一個主裝置同時最多隻能與網內的7個從裝置相連線進行通訊。同樣，在一個有效區域內多個微微網透過節點橋接可以構成散射網。

藍芽技術是一種新興的技術，其傳輸使用的功耗很低，它可以應用到中。同時，也可以廣泛應用於無線裝置(如PDA、手機、智慧電話)、影象處理裝置(照相機、印表機、掃描器)、安全產品(智慧卡、身份識別、票據管理、安全檢查)、消遣娛樂(藍芽耳機、MP3、遊戲)、汽車產品(GPS、動力系統、安全氣袋)、家用電器(電視機、電冰箱、電烤箱、微波爐、音響、錄影機)、醫療健身、智慧建築、玩具等領域。如今日常生活中基於藍芽技術的手機、耳機和隨處可見。

2.紅外(IrDA)

IrDA是國際紅外資料協會的英文縮寫，IrDA技術是一種利用紅外線進行點對點短距離通訊的技術。IrDA技術的主要特點有：利用紅外傳輸資料，無須專門申請特定頻段的使用執照;具有對裝置體積小、功率低的特點;由於採用點到點的連線，資料傳輸所受到的干擾較小，資料傳輸速率高，速率可達16Mbps。

由於IrDA使用紅外線作為傳播介質。紅外線是波長在0.75～1000μm之間的無線電波，是人用肉眼看不到的光線。紅外資料傳輸一般採用紅外波段內波長在0.75～25μm之間的近紅外線。紅外資料協會成立後，為保證不同廠商基於紅外技術的產品能獲得最佳的通訊效果，規定所用紅外波長在0.85～0.90μm之間，紅外資料協會相繼也制訂了很多紅外通訊協議，有些注重傳輸速率，有些則注重功耗，也有二者兼顧的。

3.UWB

UWB(Ultra

Wideband)技術最初是被作為軍用雷達技術開發的，它是一種不用載波，而採用時間間隔極短(小於1納秒)的脈衝進行通訊的方式，能在10m左右的範圍內達到數百Mbps至數Gbps的資料傳輸速率。

4.HomeRF

HomeRF是由HomeRF工作組開發的，它是在家庭區域範圍內的計算機和電子裝置之間實現無線數字通訊的開放性工業標準，為家庭使用者建立具有互操作性的音訊和資料通訊網帶來了便利。

HomeRF是IEEE 802.11與DECT(Digital Enhanced Cordless Telephony)的結合。與前面所介紹的IEEE

802.11、IEEE

802.11b、藍芽等一樣，HomeRF工作在開放的2.4GHz頻段，採用跳頻擴頻(FHSS)技術，跳頻速率為50hops/s，共有75個頻寬為1

MHz的跳頻通道，室內覆蓋範圍約45m，調製方式為恆定包絡的FSK調製，且分2FSK與4FSK兩種，採用FSK調製可以有效地抑制無線通訊環境下的干擾和衰落。2FSK方式下，最高資料的傳輸速率為1Mbps;4FSK方式下，速率可達2Mbps。在新的HomeRF

2.x

Hopsping，WBFH)技術來增加跳頻頻寬，由原來的1MHz跳頻通道增加到3MHz和5MHz，跳頻的速率也提高到75hops/s，資料傳輸速率峰值達10Mbps。

HomeRF是對現有無線通訊標準的綜合和改進。HomeRF把共享無線接入協議(SWAP)作為網路的技術指標，當進行資料通訊時，採用簡化的IEEE

802.11標準，沿用類似於乙太網技術中的載波監聽多路訪問/衝突避免(CSMA/CA)方式;當進行語音通訊時，則採用DECT無線通訊標準，使用TDMA技術。HomeRF提供了對流媒體真正意義上的支援，其規定了高級別的優先權並採用了帶有優先權的重發機制，這樣就滿足了播放流媒體所需的高頻寬、低干擾、低誤碼要求。

目前HomeRF技術僅獲得了少數公司的支援，並且由於在抗干擾能力等方面與其他技術標準相比也存在不少缺陷，這些使得HomeRF技術的應用和發展前景受到限制，又加上這一標準推出後，市場策略定位不準、後續研發與技術升級進展遲緩，因此，從2000年之後，HomeRF技術開始走下坡路，2001年HomeRF的普及率降至30%，逐漸喪失市場份額。尤其是晶片製造巨頭英特爾公司決定在其面向家庭無線網路市場的AnyPoint產品系列中增加對IEEE802.11b標準的支援後，HomeRF的發展前景比較不樂觀。這樣看來，HomeRF很難衝出只能在家庭裡應用的限制。

5.IEEE

IEEE

802.15.1標準是IEEE批准的用於無線個域網的藍芽技術標準，它是由藍芽標準演變而來的。該標準手2002年推出，但是在實施過程中進行了修改，於2005年釋出了它的修正版。

目前國際上RFID的標準還不統一，很多公司企業都推出各自的標準，而且之間互不相容。全球主要有兩大陣營：歐美的Auto-ID

Center與日本的Ubiquitous ID

Center(UID)。前者的領導組織是美國的EPC環球協會，旗下有沃爾瑪集團、英國Tesco等企業，同時有IBM、微軟、飛利浦、Auto-ID

Lab等公司提供技術支援;後者主要由日本廠商組成。歐美的EPC標準採用860～930MHz的UHF頻段，電子標籤的資訊位數為96位，日本RFID標準採用2.45GHz和13.56MHz的頻段，其電子標籤的資訊位數為128位。

RFID技術可運用在很多方面，其典型應用有物流和供應鏈管理、生產製造和裝配、航空行李處理、郵件與快運包裹處理、文件追蹤、圖書館管理、動物身份標識、運動計時、門禁控制、電子門票和道路自動收費等。

五、低速率無線個域網(LR-WPAN)

1.IEEE

IEEE 802.15.4是為滿足低功耗、低成本的無線感測器網路要求而專門開發的低速率WPAN標準。IEEE

802.15.4工作在ISM頻段，它定義了2.45GHz頻段和868/915

MHz頻段兩個物理層，這兩個物理層都採用直接序列擴頻(DSSS)技術。在2.45GHz頻段有16個速率為250kbps的通道，在868

MHz頻段有1個20kbps的通道，在915MHz頻段有l0個40kbps的通道。IEEE 802.15.4有如下優點。

① 網路能力強：IEEE 802.15.4具有卓越的網路能力，在基於IEEE 802.15.4的網路中，可對多達254個網路裝置進行動態定址。

② 適應性好：IEEE

802.15.4可與現有控制網路標準無縫整合。透過網路協調器可自動建立網路，採用載波監聽多路訪問/衝突避免(CSMA/CA)方式進行通道存取。

③ 可靠性高：IEEE 802.15.4提供全握手協議，能可靠地傳遞資料。

ZigBee建立在IEEE

802.15.4標準上，並確定了可以在不同製造商之間共用的應用協議，是一種新興的近距離、低複雜度、低功耗、低資料傳輸速率、低成本的無線感測器網路技術。它依據IEEE

802.15.4標準，可在眾多的感測器節點之間相互協調實現通訊。

ZigBee技術具有以下特點：

① 資料傳輸速率低：只有10～250kbps的頻寬，因而它專注於低資料傳輸方面應用。

② 功耗低、成本低：由於工作週期很短，並且在應用中採用了休眠模式，那麼收發資訊功耗較低。ZigBee資料傳輸速率低，協議簡單，這大大降低了成本。

③

網路容量大：ZigBee支援星狀、片狀和網狀網路結構，一個基於ZigBee的網路可以容納最多254個從裝置和1個主裝置，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網路。

④ 時延短：通常時延都在15～30ms之間，因此在對實時性要求高的自動控制領域，ZigBee有著很好的應用和推廣。

⑤ 高安全性：ZigBee提供了資料完整性檢查和鑑定功能，採用AES-128加密演算法。

⑥

有效範圍小：ZigBee的通訊有效覆蓋範圍在10～75m之間，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境，其具體通訊範圍受實際發射功率的大小和各種不同應用模式的影響。

ZigBee主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率要求不高的各種電子裝置之間，典型的傳輸資料型別有周期性資料、間歇性資料和低反應時間資料。因而它的應用目標主要是：工業控制(如自動控制裝置、無線感測器網路)、醫護(如監視和感測)、家庭智慧控制(如照明、水電氣計量及報警)、消費類電子裝置的遙控裝置、PC外設的無線連線等領域。

2.Z-Wave

Z-Wave是Z-Wave聯盟推出的一種基於射頻的、低成本、低功耗、適用於無線感測器網路的高可靠性的無線通訊技術。目前Z-Wave主要專注於家庭自動化領域，主要包括照明系統控制、讀取儀表(水、氣、電)、家用電器功能控制、身份識別、能量管理系統等。

Z-Wave屬於低速率無線個域網通訊技術，其工作頻段為908MHz

ISM頻帶，其著力於窄頻寬應用。Z-Wave的頻寬只有9.6kbps，因而它也不適合用於高資料傳輸的應用，由於家用自動化系統中傳輸的資料量不多，所以其9.6kbps的頻寬已經足夠了。Z-Wave的傳輸距離為室內大於30m，室外大於10m，但這些都只是在單段傳輸時距離的理論值，實際的傳輸距離受發射功率的大小、應用模式及網路中中繼節點的使用情況等因素的影響。由於Z-Wave和前面介紹的很多無線通訊技術一樣工作在ISM頻段，那樣其所受到的干擾很多，但是Z-Wave透過使用冗餘的傳送機制來降低干擾，利用濃縮幀格式和隨機插入演算法保證在網內裝置之間高可靠性地進行通訊。

總之，根據Z-Wave結構簡單，成本低，功耗低，可靠性高，安全性高和其網路易管理等特徵，Z-Wave在家庭自動化領域的市場中將會佔有一席之地。

3.Insteon

Insteon是一種複雜度低，功耗低，資料傳輸速率低，成本低的雙向混合通訊技術，具有即時響應，易安裝，易使用，經濟可靠和與X10相容的特點。Insteon被稱為混合通訊技術是因為它透過電力線和無線兩種方式來實現家庭裝置間的互聯。Insteon網路是點對點通訊的網狀網結構，因而網路中所有裝置的角色是對等的，都能傳送報文、接收報文及轉發報文，但是出於節能方面考慮，一般都不轉發報文。

家庭網路中單獨使用電力線或ISM頻段都存在很多問題。單獨使用無線通訊時，無線裝置要受到其他裝置的干擾且無線訊號在家庭環境中有很強的多徑效應。使用電力線存在相位橋接和有嚴重電流噪聲。為了解決這些問題，lnsteon透過電力線和無線構成的雙線網狀網路，改善了單一介質傳輸中的問題，提高了網路的可靠性。

Insteon網路工作在131.65kHz的電力線和904MHz的ISM頻段上，採用CSMA實現MAC層的訪問。當工作在131.65

kHz時，它採用BPSK調製方式，突發資料速率為13165bps，平均資料速率為2

880bps;當工作在904MHz時，它採用FSK調製方式，無線突發資料速率為38400bps。

根據Insteon的空中介面規範，用電力線上的零交叉點可實現電力線裝置和無線裝置全網同步。Insteon網路中有標準報文和擴充套件報文兩種，其中電力線上傳輸的報文長度與無線傳輸的報文長度不一樣，傳輸時報文需要分割成多個分組，每個分組中需要加入額外的同步位元，且只能在1.823ms的零交叉期間(電壓零點前0.8ms至後1.023

ms)傳輸，每個零交叉期間傳輸的24bit，標準報文和擴充套件報文長度分別為120bit、264bit，因此傳輸一個標準報文需6個零交叉，最後一個為靜默期，傳輸一個擴充套件報文需13個零交叉，最後兩個為靜默期。無線通道上的標準報文和擴充套件報文分別為112bit和224bit，需要時間為2.708ms和5.625

ms。

Insteon技術利用聯播轉發機制，因而不需要路由機制，也不需要網路中心控制器。聯播轉發為接收報文的裝置，在報文轉發跳數為非零，目的地址與自己不相符的情況下，在下一個傳送週期轉發該報文。聯播轉發機制有兩個優點：省略路由，簡化裝置;提高報文傳輸的可靠性。

4.HomePlug