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短距离低功率无线接入系统

谭振辉 乔小玉

摘要：用于无线接入通信的短距离低功耗技术（包括蓝牙，超宽带（UWB）和无线保真（Wi-Fi））侧重于物理层和媒体访问控制（MAC）层。蓝牙是用于短距离交换数据的无线协议。它是RS232数据电缆的替代品。UWB是一种无线电技术，可以在很短的能量范围内使用。它提供了灵活的高带宽无线接入。Wi-Fi可以实现无线连接快速接入设备和无线本地接入网（WLAN）中的移动设备，适用于长距离通信。上述技术的标准化已经在这些技术出现后不久开发出版。在所有标准中，蓝牙和Wi-Fi是最多的重要的。

在短距离低功耗的无线接入网络中，通信距离小于100米，发射功率小，在1-100 mw之间。 这种接入网络为最后一英里接入和热点通信覆盖提供了一个解决方案。与有线局域网（LAN）相比，移动用户可以轻松访问或退出网络。它使得终端设备变得轻松便捷的进行无线网络资源的探索。但是它具有可靠性低，数据传输率低，功耗大等缺点。数据加密和用户安全也是需要解决的问题。短距离低功耗无线接入技术，如蓝牙（IEEE 802.15），超宽带（UWB）（IEEE 802.15.3a）和无线保真（Wi-Fi）（IEEE 802.11）专注于物理层和媒体访问控制（MAC）层。蓝牙是RS232数据线的一种替代技术。UWB连接各种电子设备，提供宽带无线接入的灵活性和便携性。Wi-Fi是短距离无线环境的无缝扩展，可替代有线局域网。

1.蓝牙

1994年，爱立信开始研究低功耗的通信系统，以取代短距离移动有线通信系统。1998年，爱立信，诺基亚，IBM，东芝和英特尔组织了蓝牙特别兴趣小组（SIG）。1999年，蓝牙SIG发布了蓝牙协议的第一个版本。2000年，3COM，杰尔，微软和摩托罗拉加入了蓝牙技术联盟。在2002年，IEEE 802.15组织批准蓝牙协议为IEEE 802.15.1[1]。

作为无线个人区域网（WPAN）接入技术，蓝牙被认为是短距离，低成本电缆的替代传输标准。它也被用作其他网络或Ad hoc网络中的节点之间的桥梁。活动的蓝牙设备监听并响应主设备的呼叫。一旦主设备知道用户设备的地址，它就开始与用户设备连接。用户设备响应主设备的查询，为认证和通信建立跳频序列同步。未使用的设备或者为经认证的设备处于宽带—节能模式。

蓝牙取代短电缆，并传输30-100 mV或15-20 dBm的等效全向辐射功率（EIRP）。蓝牙以2.4-2.4835 GHz的免许可频段运行。为了避免干扰使用相同带宽的其他协议（如IEEE 802.11g），蓝牙协议将频段划分为79个通道（每个1 MHz宽），并通过高斯频移键控（GFSK）将通道每秒更换频率高达1600次。自动重复请求（ARQ）错误纠正机制被用于MAC层来防止强烈的窄带干扰。早期版本的蓝牙协议支持1 Mbit / s的数据速率，但是数据速率可以根据不同的无线应用环境而改变。在服务质量方面，蓝牙的面向无连接的异步无连接链路（ACL）使用复杂的信道准入控制和规划策略来确保服务质量（QoS）。异步服务QoS参数包括长周期数据速率，峰值数据速率，延迟和抖动。蓝牙还在同步时以恒定比特率提供同步服务面向连接（SCO）的链接。蓝牙空间容量的定义是总数据传输速率与覆盖区域的比率。一般来说，蓝牙覆盖了20个直径10米的微蜂窝。微小区的最大数据传输速率为400 kbit / s。蓝牙空间容量是每平方米25 kbit / s。所有微蜂窝的流量由蓝牙主机控制。微小区主机控制从属接入信道。局域网接入协议用于连接外部网络。

所有的蓝牙散射网都是具有不同类型拓扑的Adhoc网络。分散网具有微小区子结构，其中全局连接功能由IP层使用全局寻址和路由机制在移动台之间操作。蓝牙通过查询过程初始化设备之间的通信链路。 主机定期启动查询程序，发现被覆盖区域内设备的MAC地址列表。主设备使用用户设备的MAC地址和时钟通过寻呼进行查询。蓝牙定义了用于允许相互设备认证和服务供应的无线接口和通信堆栈。图1显示了一个蓝牙通信栈。

图1 蓝牙通信协议栈

图1中的链路管理层负责链路结构的类型，认证，加密，QOS，功耗和传输格式。控制层为链路管理层和基带提供命令接口，为硬件设备提供相关接口。逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）提供。面向连接和无连接的数据服务（例如上层协议数据单元的分段和重组，以及对QOS的支持）。RFCOMM点对点协议（PPP）可以直接在L2CAP上使用。

蓝牙设备工作在主机和从机模式下[2]。在基本的蓝牙网络中，一个主设备和七个从设备构成一个微小区。在等待模式中，当移动站不交换数据时，将有多达255个从属移动站。 微微蜂窝能够被连接起来组成一个散射网。散点网是一种多跳无线网络，在拓扑结构方面，两个节点之间没有直接路径，所以必须通过其他节点进行中继。另外，两个微微蜂窝可以通过它们之间公共节点进行通信，它将成为主节点和从节点。

蓝牙支持三种加密方式：无加密（方式一），信道建立后的业务层加密（方式二），信道建立前的链路层加密（方式三）。 有两个级别的加密：可信和不可信。加密服务有三个级别：开放式服务，认证服务和认证授权服务。链路层的认证和加密依赖于四个基本参数：蓝牙对应的48位地址标识，特殊认证密钥，特殊加密密钥和128位随机变量。

2.UWB

与传统的连续波无线电技术不同的是，UWB在其上编码大量信息短脉冲序列，并允许在超低功率谱的扩展下在UWB频谱上进行传输。UWB技术可用于无线Adhoc网络，自由空间光学（FSO），ZigBee，射频识别（RFID），光纤无线电（RoF），蓝牙和家庭无线电（HomeRF）系统。该使用UWB的短距离低功耗无线接入系统具有以下优点：

(1) 大容量

信号能量随着白噪声在UWB频谱上扩展，从而增加信道容量。

(2) 多路径衰落的可能性低，抗干扰性高

多径信道中的短脉冲信号的分辨率高于1ns，可以大大降低多径衰落的影响。抗干扰性与信号带宽成正比。信号带宽越大，抗干扰性越高。

(3) 时间多样性和频率多样性

UWB脉冲持续很短的时间，在前一个和当前脉冲之间留下空白空间。瑞克接收机很容易将来自不同路径的UWB脉冲信号组合起来，以提高检测信号的密度。作为个人局域网（PAN）的首选技术，IEEE802.15.3a超宽带有许多优点，包括从100Mbit / s到1Gbit / s的高数据速率，低功耗和低成本。但是，它使用的带宽非常高，当与其他通信系统[3]共享一个信道时，可能会造成干扰和兼容性问题。

图2说明了UWB系统的协议体系结构。IEEE1394汇聚层与IEEE1394链路层相似。它负责传输层和UBW低层之间的传输。汇聚层包含IEEE1394特定业务汇聚子层（SSCS）和通用部分汇聚子层（CPCS）。

在UWB系统的物理层和数据链路层中，短脉冲序列的相位由信息符号调制。UWB脉冲可以使用双相高斯脉冲或脉冲幅度进行调制，或者根据非常窄的高斯脉冲的位置严格地使用脉冲间隔进行调制。典型的脉冲带宽为0.2-2.0ns，脉冲间隔为10-100ns。脉冲位置可以随意更改通过伪随机间隔。

图3显示了UWB集中式控制网络拓扑结构。该架构采用P2P通信和Ad hoc网络中的Adhoc集中控制。它由几个微微蜂窝组成。每个微微小区选择一个主站并自动控制其他从站。 如果将UWB用于分布式控制模式下的网络拓扑结构，则很难控制每个节点的输出功率和干扰。

为了进一步扩大UWB系统的覆盖范围，数据流控制和网络层管理通过两种类型的桥接器连接UWB无线总线和IEEE 1394骨干网络，如图4所示。IEEE 1394桥接器作为有线和无线巴士。它为IEEE 1394骨干网和UWB无线总线之间的数据流提供以下功能：

1.建立同步通道

2.频道和UWB数据连接频道的逻辑图

3.无线和有线之间的异步时钟数据包和控制数据流

4.在IEEE 1394和UWB之间时钟同步

5.添加或删除IEEE 1394节点和UWB移动终端;

6.配置相关频率资源

图2 协议栈结构 图3 UWB集中式控制网络拓扑结构

图4 连接UWB无线巴士和IEEE1394主干网络的通道

3.Wi-Fi

IEEE于1997年出版IEEE802.11标准，这是Wi-Fi的基础。Wi-Fi运行在2.4 GHz（北美2.4-2.4835 GHz，日本的2.471-2.497 GHz），并支持1 Mbit / s或2 Mbit / s数据速率。Wi-Fi为WLAN内的快速接入设备和移动设备提供无线连接。 Wi-Fi标准指定访问物理媒体的MAC程序，MAC层处理可移植性和相邻小区之间的跨小区切换。1997年，IEEE发布了IEEE 802.11a[4]标准，其速率分别为6,9,12,24,36,48和54 Mbit / s，带宽为5 GHz。这不可以使用IEEE 802.11h动态频率选择和自动感应功率控制技术。经过Lucent和Harris的验证后，IEEE批准使用速率为5.5或11 Mbit / s的IEEE 802.11b[5]。2003年，IEEE发布了IEEE 802.11g[6]，其性能与IEEE 802.11a相似，并与IEEE 802.11b兼容。

除了使用5 GHz，Wi-Fi使用带宽为16 MHz的直接序列扩频（DSSS），补码键控（CCK）和正交频分复用（OFDM）技术。DSSS可以降低宽带噪声。Wi-Fi以相同的频率发送和接收信号。重传数据包的收益来自时间分集。Wi-Fi适应物理层的速率，对高层是透明的。它根据不同的速率使用不同的调制方式。Wi-Fi支持1-54 Mbit / s的速率。Wi-Fi在MAC层使用ARQ纠错，编码和复用技术来防止噪声的影响。IEEE 802.11a和无绳电话共享5 GHz频段。Wi-Fi通过使用传输功率控制技术来抵抗干扰。

一旦Wi-Fi移动台开机，它将扫描所有无线信道并搜索主要传输信号的网络，它选择包含的Ad hoc网络，Wi-Fi移动台，并通过接入点（AP）授权，认证和连接Wi-Fi移动台，并提供从尽力服务到优先保证的QoS。当Wi-Fi移动台成为Ad hoc网络的组成部分时，他们有能力发现新的网络或断开与旧的网络的连接，形成一个新的网络。Wi-Fi移动台可以在通信网络之间漫游，共享公共分配系统资源并允许无缝移动传输。当Wi-Fi移动台成为固定通信的基础设施时，接入点将释放认证和收敛并进入睡眠状态。

Wi-Fi已经定义了两种类型的接入：分布式协调功能（DCF）和点协调功能（PCF）。最简单的网络架构是独立基本服务集（IBSS）。它包含至少两个基站的Ad hoc拓扑。基本服务集（BSS）是扩展服务集（ESS）的扩展网络。在固定通信基础设施中，扩展服务集是通过分配系统连接的一组BSS。图5显示了Wi-Fi网络的典型组件。基站提供的服务包括基站服务和分配系统服务。分配系统服务允许数据在不同BSS中的基站之间传输。

图5 Wi-Fi网络组成

为了确保可靠的接入，Wi-Fi在链路层验证用户设备。 用户设备通过两种身份验证方式，一个是开放系统认证（OSA），另一个是共享密钥认证（SKA）。IEEE 802.1X / EAP框架中的通信设备可以提供不同安全级别的算法选项。

Wi-Fi WLAN体系结构基于BSS。BSS是一组移动或固定的Wi-Fi移动台，它们以某种控制模式访问网络传输媒体。Wi-Fi允许四个无干扰的BSS。在直径100米的覆盖范围内的BSS数据传输速率是900 kbit / s，或者在直径10米的覆盖范围内达到31.4 Mbit / s。IEEE 802.11g支持的最低速率为每平方米0.1 kbit / s，最高速率为每平方米400 kbit / s。

Wi-Fi使用的复用技术包括DSSS和OFDM。DSSS使用11位Barker系列。11码片序列调制一个信息位。1Mbit / s和2Mbit / s调制分别使用二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK）。CCK是16位序列号4或8个信息位。

在固定网络和Ad hoc网络中，Wi-Fi移动台使用DCF运行MAC协议，并使用载波侦听多路访问/冲突避免（CSMA / CA）作为信道接入技术。基本的DCF访问有许多类型。移动台可以优化和选择请求发送/清除发送（RTS / CTS）机制来减少隐藏终端引起的冲突。网络分配矢量（NAV）作为移动台计数器计算数据传输的传输时间。IEEE 802.11e将增强型分布式信道接入（EDCA）和混合协调功能控制信道接入（HCCA）定义为提供混合协调功能（HCF）功能的新协调模式。EDCA提供了8个数据优先级。每个移动台为不同优先级的信道分配不同的帧间间隔（IFS）值。较高级别的队列使用较短的IFS来获得较高的信道访问优先级和较高的退避时间优先级。在HCCA中，移动台负责提供HCF功能集中控制。HCCA保证业务速率，时延和抖动的QoS。

短距离低功耗无线接入系统中常常会丢失无线分组，因此在任何时间间隔内都难以保持加密与解密之间的同步。Wi-Fi安全框架使用利用RC4流密码的无线等效协议（WEP）。在2002年，它将无线保护接入（WPA）定义为WEP的改进，并被IEEE 802.11i所使用。WPA使用802.1 X / EAP，该框架使用用于密码加密的临时密钥完整性协议（TKIP）和用于认证的可扩展认证协议（EAP）。2004年，IEEE 802.11i任务组宣布WPA2为基于IEEE 802.1X和EAP的综合认证框架。针对不同应用环境的不同身份验证和密钥

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