無線通信網絡如何分類？

無線根據國際上所采用的通信技術種類可將無線傳感器網絡劃分為無線廣域網(WWAN)、無線城域網(WMAN)、無線局域網(WLAN)、無線個域網(WPAN)、低速率無線個域網(LR-WPAN)。以下是對各類網絡各自常見和常用的通信技術進行簡單介紹。

三、無線局域網(WLAN)

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

IEEE

802.11系列標準是IEEE制訂的無線局域網標準，主要對網絡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

802.11

IEEE

802.11是最早提出的無線局域網網絡規范，是IEEE于1997年6月推出的，它工作于2.4GHz的ISM頻段，物理層采用紅外、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，它主要應用于解決辦公室局域網和校園網中用戶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，當接收方和發送方協商一個調頻的模式，數據則按照這個序列在各個子頻道上進行傳送，每次在IEEE

802.11網絡上進行的會話都可能采用了一種不同的跳頻模式，采用這種跳頻方式避免了兩個發送端同時采用同一個子頻段;而DSSS技術將2.4GHz的頻段劃分成14個22MHz的子頻段，數據就從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。由于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由于上的限制，在2000年也緊跟著推出了改進后的IEEE

。但隨著網絡的發展，特別是IP語音、視頻數據流等高帶寬網絡應用的需要，IEEE

802.11b只有11Mbps的數據傳輸率不能滿足實際需要。于是，傳輸速率高達54Mbps的IEEE

802.11a和IEEE802.11g也都陸續推出。

2.IEEE

802.11b

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工作于2.4GHz頻帶，物理層支持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兼容。IEEE

802.11b采用了直接序列擴頻DSSS技術，并提供數據加密，使用的是高達128位的有線等效(WiredEquivalent

Privacy，WEP)。但是IEEE 802.11b和后面推出的工作在5GHz頻率上的IEEE802.11a標準不兼容。

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信方式，即一臺配置了的計算機可以與另一臺配置了無線網卡的計算機進行通信，對于小規模無線網絡來說，這是一種非常方便的互聯方案;而基本模式則是指無線網絡的擴充或無線和有線網絡并存時的通信方式，這也是IEEE

802.11b最常用的連接方式。在該工作模式下，配置了無線網卡的計算機需要通過“無線接入點”才能與另一臺計算機連接，由接入點來負責頻段管理等工作。在帶寬允許的情況下，一個接入點最多可支持1

024個無線節點的接入。當無線節點增加時，網絡存取速度會隨之變慢，此時通過添加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，使得基于該標準網絡產品的成本得到很大的降低，無論家庭還是公司企業用戶，無須太多的資金投入即可組建一套完整的無線局域網。當然，IEEE

802.11b并不是完美的，也有其不足之處，IEEE

802.11b最高11Mbps的傳輸速率并不能很好地滿足用戶高數據傳輸的需要，因而在要求高寬帶時，其應用也受到限制，但是可以作為有線網絡的一種很好的補充。

3.IEEE

802.11a

IEEE

802.11a工作于5GHz頻帶，但在美國是工作于U-NII頻段，即5.15～5.25GHz、5.25～5.35GHz、5.725～5.825GHz三個頻段范圍，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納米，信號傳輸距離約10m。IEEE

802.11a采用正交頻分復用(OFDM)的獨特擴頻技術，并提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網無線幀結構接口，支持語音、數據、圖像業務。IEEE

802.11a使用來增大傳輸范圍，采用數據加密可達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。由于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采用的2.4GHz頻段，因此其產品在無線通信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數據傳輸帶寬，是IEEE 802.11a的真正意義所在。當IEEE

802.11b以其11Mbps的數據傳輸率滿足了一般上網瀏覽網頁、數據交換、共享外設等需求的時候，IEEE

802.11a已經為今后無線寬帶網的高數據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的無線網絡產品較IEEE802.11b有著更低的功耗，這對及PDA等移動設備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，由于這兩種技術標準互不兼容，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“兼容”問題，但也使得成本增加。其次，由于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準和認可。5GHz頻段雖然令基于IEEE802.11a的設備具有了低干擾的使用環境，但也有其不利的一面，由于太空中數以千計的人造衛星與地面站通信也恰恰使用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頻率用于其自己制訂的HiperLAN無線通信標準。

4.IEEE

802.11g

IEEE 802.11g是對IEEE

802.11b的一種高速物理層擴展，它也工作于2.4GHz頻帶，物理層采用直接序列擴頻(DSSS)技術，而且它采用了OFDM技術，使無線網絡傳輸速率最高可達54Mbps，并且與IEEE802.11b完全兼容。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信技術選擇，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也采用了OFDM技術，這是其數據傳輸能達到54Mbps的原因。然而不同的是，IEEE

802.11g的工作頻段并不是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，使得基于IEEE

802.11b技術產品的用戶所擔心的兼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，那么IEEE

802.11g的推出是否就是多余的呢?答案當然是否定的。IEEE

802.11g除了具備高及兼容性的優勢外，其所工作的2.4GHz頻段的信號衰減程度也不像IEEE 802.11a所在的5GHz那么嚴重，并且IEEE

802.11g還具備更優秀的“穿透”能力，能在復雜的使用環境中具有很好的通信效果。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、無線電話等設備的干擾。此外，IEEE 802.11g的信號比IEEE

802.11b的信號能夠覆蓋的范圍要小得多，用戶需要通過添置更多的無線接入點才能滿足原有使用面積的信號覆蓋，這或許就是IEEE

802.11g能夠具有高寬帶所付出的代價吧!

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)

從網絡構成上來看，無線個域網WPAN(Wireless Personal Area

Networks)位于整個網絡架構的底層，用于很小范圍內的終端與終端之間的連接，即點到點的短距離連接。WPAN是基于計算機通信的專用網，工作在個人操作環境，把需要相互通信的裝置構成一個網絡，且無須任何中央管理裝置及軟件。用于無線個域網的通信技術有很多，如藍牙、紅外、UWB、HomeRF等，下面就幾種主要的技術進行講述。

1.藍牙(Bluetooth)

藍牙(Bluetooth)是由愛立信、英特爾、諾基亞、IBM和東芝等公司于1998年5月聯合主推的一種短距離，它可以用于在較小的范圍內通過無線連接的方式實現固定設備或移動設備之間的網絡互聯，從而在各種數字設備之間實現靈活、安全、低功耗、低成本的語音和數據通信。藍牙技術的一般有效通信范圍為10m，強的可以達到100m左右，其最高速率可達1Mbps。

藍牙技術運行在全球通行的、無須申請許可的2.4GHz頻段。采用GFSK調制技術，傳輸速率達1Mbps;采用FHSS擴頻技術，把信道分成若干個長為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數據。藍牙由于采用了時分雙工，可以防止收發信機之間的串擾;采用跳頻技術提高了設備抗干擾能力，以及提供了一定的安全保障，便于疊區組網。藍牙采用電路交換和分組交換技術，可獨立或同時支持異步數據信道和語音信道。每個同步語音信道數據速率為64kbps，語音信號編碼采用脈沖編碼調制或連續可變斜率增量調制方法。當采用非對稱信道傳輸數據時，其速率可達723.2kbps;當采用對稱信道傳輸數據時，速率最高為342.6kbps。藍牙還使用了前向糾錯(Forward

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

基于藍牙技術的設備在網絡中所扮演的角色有主設備和從設備之分。主設備負責設定跳頻序列，從設備必須與主設備保持同步。主設備負責控制主從設備之間的業務傳輸時間與速率。在組網方式上，通過藍牙設備中的主設備與從設備可以形成一點到多點的連接，即在主設備周圍組成一個微微網，網內任何從設備都可與主設備通信，而且這種連接無須任何復雜的軟件支持，但是一個主設備同時最多只能與網內的7個從設備相連接進行通信。同樣，在一個有效區域內多個微微網通過節點橋接可以構成散射網。

藍牙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，也可以廣泛應用于無線設備(如PDA、手機、智能電話)、圖像處理設備(照相機、打印機、掃描儀)、安全產品(智能卡、身份識別、票據管理、安全檢查)、消遣娛樂(藍牙耳機、MP3、游戲)、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、錄像機)、醫療健身、智能建筑、玩具等領域。如今日常生活中基于藍牙技術的手機、耳機和隨處可見。

2.紅外(IrDA)

IrDA是國際紅外數據協會的英文縮寫，IrDA技術是一種利用紅外線進行點對點短距離通信的技術。IrDA技術的主要特點有：利用紅外傳輸數據，無須專門申請特定頻段的使用執照;具有對設備體積小、功率低的特點;由于采用點到點的連接，數據傳輸所受到的干擾較小，數據傳輸速率高，速率可達16Mbps。

由于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。紅外數據傳輸一般采用紅外波段內波長在0.75～25μm之間的近紅外線。紅外數據協會成立后，為保證不同廠商基于紅外技術的產品能獲得最佳的通信效果，規定所用紅外波長在0.85～0.90μm之間，紅外數據協會相繼也制訂了很多紅外通信協議，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，而采用時間間隔極短(小于1納秒)的脈沖進行通信的方式，能在10m左右的范圍內達到數百Mbps至數Gbps的數據傳輸速率。

4.HomeRF

HomeRF是由HomeRF工作組開發的，它是在家庭區域范圍內的計算機和電子設備之間實現無線數字通信的開放性工業標準，為家庭用戶建立具有互操作性的音頻和數據通信網帶來了便利。

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、藍牙等一樣，HomeRF工作在開放的2.4GHz頻段，采用跳頻擴頻(FHSS)技術，跳頻速率為50hops/s，共有75個帶寬為1

MHz的跳頻信道，室內覆蓋范圍約45m，調制方式為恒定包絡的FSK調制，且分2FSK與4FSK兩種，采用FSK調制可以有效地抑制無線通信環境下的干擾和衰落。2FSK方式下，最高數據的傳輸速率為1Mbps;4FSK方式下，速率可達2Mbps。在新的HomeRF

2.x

標準中，采用了寬帶跳頻(Wide Band Frequency

Hopsping，WBFH)技術來增加跳頻帶寬，由原來的1MHz跳頻信道增加到3MHz和5MHz，跳頻的速率也提高到75hops/s，數據傳輸速率峰值達10Mbps。

HomeRF是對現有無線通信標準的綜合和改進。HomeRF把共享無線接入協議(SWAP)作為網絡的技術指標，當進行數據通信時，采用簡化的IEEE

802.11標準，沿用類似于以太網技術中的載波監聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)方式;當進行語音通信時，則采用DECT無線通信標準，使用TDMA技術。HomeRF提供了對流媒體真正意義上的支持，其規定了高級別的優先權并采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帶寬、低干擾、低誤碼要求。

目前HomeRF技術僅獲得了少數公司的支持，并且由于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后，市場策略定位不準、后續研發與技術升級進展遲緩，因此，從2000年之后，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。尤其是芯片制造巨頭英特爾公司決定在其面向家庭無線網絡市場的AnyPoint產品系列中增加對IEEE802.11b標準的支持后，HomeRF的發展前景比較不樂觀。這樣看來，HomeRF很難沖出只能在家庭里應用的限制。

5.IEEE

802.15.1

IEEE

802.15.1標準是IEEE批準的用于無線個域網的藍牙技術標準，它是由藍牙標準演變而來的。該標準手2002年推出，但是在實施過程中進行了修改，于2005年發布了它的修正版。

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，而且之間互不兼容。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等公司提供技術支持;后者主要由日本廠商組成。歐美的EPC標準采用860～930MHz的UHF頻段，電子標簽的信息位數為96位，日本RFID標準采用2.45GHz和13.56MHz的頻段，其電子標簽的信息位數為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、生產制造和裝配、航空行李處理、郵件與快運包裹處理、文檔追蹤、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

802.15.4/ZigBee

IEEE 802.15.4是為滿足低功耗、低成本的無線傳感器網絡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，這兩個物理層都采用直接序列擴頻(DSSS)技術。在2.45GHz頻段有16個速率為250kbps的信道，在868

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

① 網絡能力強：IEEE 802.15.4具有卓越的網絡能力，在基于IEEE 802.15.4的網絡中，可對多達254個網絡設備進行動態尋址。

② 適應性好：IEEE

802.15.4可與現有控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器可自動建立網絡，采用載波監聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)方式進行信道存取。

③ 可靠性高：IEEE 802.15.4提供全握手協議，能可靠地傳遞數據。

ZigBee建立在IEEE

802.15.4標準上，并確定了可以在不同制造商之間共用的應用協議，是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據傳輸速率、低成本的無線傳感器網絡技術。它依據IEEE

802.15.4標準，可在眾多的傳感器節點之間相互協調實現通信。

ZigBee技術具有以下特點：

① 數據傳輸速率低：只有10～250kbps的帶寬，因而它專注于低數據傳輸方面應用。

② 功耗低、成本低：由于工作周期很短，并且在應用中采用了休眠模式，那么收發信息功耗較低。ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，這大大降低了成本。

③

網絡容量大：ZigBee支持星狀、片狀和網狀網絡結構，一個基于ZigBee的網絡可以容納最多254個從設備和1個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡。

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提供了數據完整性檢查和鑒定功能，采用AES-128加密算法。

⑥

有效范圍小：ZigBee的通信有效覆蓋范圍在10～75m之間，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境，其具體通信范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設備之間，典型的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據。因而它的應用目標主要是：工業控制(如自動控制設備、無線傳感器網絡)、醫護(如監視和傳感)、家庭智能控制(如照明、水電氣計量及報警)、消費類電子設備的遙控裝置、PC外設的無線連接等領域。

2.Z-Wave

Z-Wave是Z-Wave聯盟推出的一種基于射頻的、低成本、低功耗、適用于無線傳感器網絡的高可靠性的無線通信技術。目前Z-Wave主要專注于家庭自動化領域，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屬于低速率無線個域網通信技術，其工作頻段為908MHz

ISM頻帶，其著力于窄帶寬應用。Z-Wave的帶寬只有9.6kbps，因而它也不適合用于高數據傳輸的應用，由于家用自動化系統中傳輸的數據量不多，所以其9.6kbps的帶寬已經足夠了。Z-Wave的傳輸距離為室內大于30m，室外大于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、應用模式及網絡中中繼節點的使用情況等因素的影響。由于Z-Wave和前面介紹的很多無線通信技術一樣工作在ISM頻段，那樣其所受到的干擾很多，但是Z-Wave通過使用冗余的傳送機制來降低干擾，利用濃縮幀格式和隨機插入算法保證在網內設備之間高可靠性地進行通信。

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

3.Insteon

Insteon是一種復雜度低，功耗低，數據傳輸速率低，成本低的雙向混合通信技術，具有即時響應，易安裝，易使用，經濟可靠和與X10兼容的特點。Insteon被稱為混合通信技術是因為它通過電力線和無線兩種方式來實現家庭設備間的互聯。Insteon網絡是點對點通信的網狀網結構，因而網絡中所有設備的角色是對等的，都能發送報文、接收報文及轉發報文，但是出于節能方面考慮，一般都不轉發報文。

家庭網絡中單獨使用電力線或ISM頻段都存在很多問題。單獨使用無線通信時，無線設備要受到其他設備的干擾且無線信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通過電力線和無線構成的雙線網狀網絡，改善了單一介質傳輸中的問題，提高了網絡的可靠性。

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

kHz時，它采用BPSK調制方式，突發數據速率為13165bps，平均數據速率為2

880bps;當工作在904MHz時，它采用FSK調制方式，無線突發數據速率為38400bps。

根據Insteon的空中接口規范，用電力線上的零交叉點可實現電力線設備和無線設備全網同步。Insteon網絡中有標準報文和擴展報文兩種，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比特，且只能在1.823ms的零交叉期間(電壓零點前0.8ms至后1.023

ms)傳輸，每個零交叉期間傳輸的24bit，標準報文和擴展報文長度分別為120bit、264bit，因此傳輸一個標準報文需6個零交叉，最后一個為靜默期，傳輸一個擴展報文需13個零交叉，最后兩個為靜默期。無線信道上的標準報文和擴展報文分別為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，也不需要網絡中心控制器。聯播轉發為接收報文的設備，在報文轉發跳數為非零，目的地址與自己不相符的情況下，在下一個發送周期轉發該報文。聯播轉發機制有兩個優點：省略路由，簡化設備;提高報文傳輸的可靠性。

4.HomePlug