無線局域網與無線個域網標準的演進

摘要：

文章介紹了無線局域網和無線個域網所涉及的主要標準的應用場合、技術特點及協議構成，比較了它們存在的差異及各自的特點，并根據市場發展給出了它們可能的發展趨勢。

關鍵詞：

無線局域網；無線個域網；IEEE801.11標準；HiperLAN/2標準；藍牙技術

Abstract:

Theapplicationoccasions，technicalcharacteristicsandprotocolstructuresofWLANWPANstandardsarediscussed.ThedifferenceandcharacteristicsofWLANWPANstandardsarepresentedandtheirpossibletrendsareanalyzedinconsiderationofthemarketdevelopment.

Keywords:

WLAN;WPAN;IEEEStandard802.11;StandardHiperLAN/2;Bluetoothtechnology

隨著市場和技術的不斷發展，無線短距通信逐漸形成了無線局域網(WLAN)和無線個域網(WPAN)兩大體系，并且呈現出快速發展和相互融合的趨勢。無線局域網主要包含了IEEE802.11系列標準和HiperLAN系列標準，而藍牙技術(Bluetooth)、HomeRF技術和IrDA紅外技術共同構筑了無線個域網(WPAN)的基礎。

1、無線局域網標準

目前，全世界約有4500萬移動工作者，每年商務旅行可達2.8億人次，其中的20%需要Internet網或企業內部網絡的支持，為無線局域網開辟了巨大的應用領域。無線互聯網服務商和移動網絡服務商正在大范圍安裝WLAN，并逐步由機場、賓館和會議中心等熱點場所擴展到辦公室和家庭。幾大相關標準構成了激烈競爭的態勢。

1.1、IEEE802.11標準

802.11是IEEE最初制訂的一個WLAN標準，主要用于解決辦公室局域網和校園網中用戶與用戶終端的無線接入。這個標準的制訂是無線網絡技術發展的一個里程碑，它增強了無線設備互連功能，使WLAN在有移動要求的環境中被廣泛接受。但是采用IEEE802.11系列標準的業務主要限于數據存取，速率最高為2Mbit/s，不能滿足需要。因此，IEEE小組又推出了802.11a和802.11b兩個標準。

這3個標準主要在媒體接入控制(MAC)子層和物理層存在差別。

802.11b的物理層可以同時支持5.5Mbit/s和11Mbit/s兩個速率；擴頻采用補碼鍵控(CCK)調制技術完成(802.11在擴頻時采用一個11位調制芯片)；使用動態速率漂移，隨環境狀況在11Mbit/s、5.5Mbit/s、2Mbit/s和1Mbit/s間切換，且在速率為2Mbit/s和1Mbit/s時與802.11兼容。

802.11a工作在5GHz無須許可證的國家信息基礎設施(U-NII)頻帶，采用正交頻分復用技術(OFDM)；物理層速率可達54Mbit/s，傳輸層達到25Mbit/s；可提供25Mbit/s的無線ATM接口和10Mbit/s的以太網無線幀結構接口以及TDD/TDMA的空中接口；支持語音、數據、圖像業務；一個扇區可接入多個用戶，每個用戶可帶多個用戶終端。

由于頻段不同，導致802.11a和802.11b不兼容。為了解決這個問題，IEEE推出了802.11g標準，它既適應傳統的802.11b標準，在2.4GHz頻段下提供11Mbit/s的數據傳輸率，也符合802.11a標準，在5GHz頻率下提供56Mbit/s數據傳輸率。

1.2、HiperLAN/2標準

HiperLAN/2標準是歐洲電信標準組織(ETSI)為了滿足Internet接入和寬帶多媒體數據業務的需求開發的新一代WLAN技術標準，適用于小范圍(150m)高速(54Mbit/s)無線接入系統，并且有望構筑未來4G技術的基礎。

1.2.1、協議特點

(1)高傳輸速率、支持服務質量

HiperLAN/2物理層數據傳輸速率可達54Mbit/s，網絡層速率可達到32Mbit/s；面向連接的特性使它可直接支持服務質量(QoS)。這兩個特性使HiperLAN/2網絡有利于多種不同類型數據流(如視頻、語音、數據等)同時傳輸。

(2)面向連接的機制

HiperLAN/2網絡中，MT和AP間采用時分多址(TDMA)方式建立數據鏈路，有“點對點”、“點對多點”兩種連接類型。其中，“點對點”是雙向連接，“點對多點”是從AP到MT的單項連接。

(3)自動頻率分配及支持移動性

HiperLAN/2網絡的AP在進行數據傳輸時，能夠在覆蓋范圍內監聽臨近AP和其他無線資源，根據使用情況選擇恰當的無線信道。同時，MT通過測量信噪比，確定信號最好的AP進行傳輸和接收數據。

(4)支持安全性

HiperLAN/2網絡支持鑒權和加密，并且AP和MT可以相互鑒權。

(5)網絡和應用獨立

HiperLAN/2協議棧靈活，可以用于多種類型固定網絡，既可以作為交換式以太網的無線接入子網，也可以作為3G的接入網，接入對于網絡層以上的用戶完全透明，固定網絡上的所有應用都可以在HiperLAN/2網上運行。這種高度靈活性是HiperLAN/2的特色。相比之下，802.11系列標準都只能由以太網支撐。

1.2.2、HiperLAN/2協議棧結構

HiperLAN/2協議棧分為控制和用戶兩個平面。控制平面完成連接的建立、釋放和管理，用戶平面完成已建立連接上的數據傳輸。整個協議有3個基本層：物理層、數據鏈路層和匯聚層。

目前，IEEE正在與ETSI聯合進行5GHz合作項目，目的是將802.11a和HiperLAN/2兩大標準結合，吸取兩者的優點，進一步提高數據吞吐量。

2、無線個域網標準

無線個域網(WPAN)主要指家庭微微網。目前，這個領域主要涉及3個標準：Bluetooth、HomeRF和IrDA。

2.1、Bluetooth技術標準

1994年，愛立信首先提出了Bluetooth開發計劃。1998年5月，愛立信、諾基亞、英特爾、IBM和東芝等5家公司成立了藍牙技術特別興趣小組(SIG)，致力于Bluetooth的研究、開發。目前全部SIG成員已近3000家。

根據計劃，Bluetooth從實驗室進入市場將經過3個階段：

(1)作為附件應用于移動性較大的高端產品中，如移動電話耳機、筆記本電腦插卡、PC卡或只要求性能和功能對價格不太敏感的場合。

(2)嵌入中高檔產品中，如個人數字助理(PDA)、移動電話、PC、筆記本電腦等。Bluetooth模塊的價格會下降到10美元左右，有關的測試和認證也將逐步完善。這一階段將處于2002—2005年間。

(3)進入家用電器、數碼相機及其他各種電子產品。這一階段估計在2005年以后，屆時Bluetooth模塊價格會在2～5美元之間。

目前，Bluetooth正處于第1階段和第2階段的過渡期。市場研究機構ABI公布的“無線系統展望”研究報告指出，到2006年底，Bluetooth將會有超過10億的無線用戶，其中包括5億多無線互聯網用戶。借助Bluetooth技術，手機、便攜設備、個人電腦、筆記本電腦和第3方接入設備將可以互連在一起。安裝Bluetooth模塊的設備將從2001年的不足100萬臺增加到2006年的16億臺。

2.1.1、Bluetooth的特點

Bluetooth的主要技術特點可歸納為以下幾點：

(1)全球可操作性

Bluetooth使用2.4GHz的工業/科學/醫療(ISM)頻段，該頻段在全球各個國家都是有效的，沒有被任何一個組織或行業單獨占有，可自由使用。

(2)10～100m的無線覆蓋范圍

Bluetooth發射功率為1mW(即為0dBm)時的覆蓋范圍為10m，適合于短距設備(如鼠標、鍵盤、耳機等)；發射功率為100mW(20dBm)時，覆蓋范圍可達到100m，適合于設備需要經常變動的場合(如移動電話、訪問接入點、筆記本電腦等)。

(3)多種數據傳輸速率

Bluetooth標準在不斷發展中，最新的BluetoothV2.0標準估計2004年以后推出。新版標準將支持4Mbit/s、8Mbit/s和12Mbit/s多種傳輸速度。

(4)安全性

Bluetooth主要采取以下措施提高系統的安全性：每個Bluetooth單元擁有一個全球唯一的48位物理地址，數據只能由對應的Bluetooth單元接收；Bluetooth提供了基于8～128位密鑰的數據加密機制，保證數據傳輸的可靠性；Bluetooth單元的數據加密密鑰長度可配置，長度為8～128位，由生產廠商在出廠前指定，用戶無法指定密鑰的長度。

2.1.2、Bluetooth系統構成

Bluetooth系統一般可分為天線、鏈路控制、鏈路管理、軟件(協議)4個功能單元。

(1)天線單元

天線單元采用微帶天線，理想覆蓋范圍為0.1mm～10m，通過增大發送功率可將覆蓋半徑延長至100m。

(2)鏈路控制單元

鏈路控制單元一般可分成基帶鏈路控制器、基帶處理器和射頻發射接收器3部分。基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其他常規低層協議；基帶處理器可采用“1/3比例前向糾錯(FEC)碼”、“2/3比例前向糾錯碼”和“數據自動請求重發”3種方案。

(3)鏈路管理單元

鏈路管理單元完成鏈路的設置、鑒權和硬件配置，并通過LMP(鏈路管理協議)實現與遠端鏈路管理單元的通信。

(4)軟件(協議)單元

軟件(協議)單元是獨立的操作系統，不與任何操作系統捆綁。目前，適用于多種操作系統的Bluetooth標準正在完善中。

Bluetooth關鍵技術涉及射頻、基帶、跳頻、網絡特性、全球性地址、協議分層、安全性、糾錯、抗干擾等諸多技術方面，這些技術的突破將會大大推進相關產品的推廣和普及。

2.2、HomeRF技術標準

HomeRF是一種實現家庭電子設備間無線互連的開放性工業標準，由HomeRF工作組專為家庭用戶制訂，可實現網絡中設備(如筆記本電腦、Internet應用設備等)間的漫游。

HomeRF結合了802.11和數字增強無繩通信(DECT)技術，其中數據通信采用簡化的802.11標準，沿用了以太網帶有沖突檢測的載波監聽多址技術；語音通信采用DECT標準，使用TDMA技術，沿用802.11中的介質訪問協議模式，以競爭的方式來獲取對信道的控制權。此標準對流業務規定了高級別的優先權，并采用了帶有優先權的重發機制，提供了對流業務真正意義上的支持。

HomeRF工作在2.4GHz頻段，采用跳頻技術，速率為50跳每秒，數據傳輸速率達2Mbit/s。在HomeRF2.x中，采用寬帶跳頻(WBFH)技術增加跳頻帶寬，數據峰值可達10Mbit/s，并可根據傳輸速率動態調整跳頻帶寬，以滿足未來家庭寬帶通信需求。

2.3、IrDA紅外技術標準

IrDA技術標準為由紅外線數據標準協會制訂的利用紅外線進行點對點通信的無線通信標準。IrDA紅外技術已經發展成熟，并為人們所熟知。它有移動通信設備所必須的體積小、功率低的特點。有關專家認為，對于傳輸速率高、使用次數少、移動范圍小、價格比較低的設備(如打印機、掃描儀、數碼相機等)，IrDA將是首選技術。

3、結束語

WLAN數據傳輸速率高、覆蓋范圍廣，在很多場合得到了應用。但是，以Bluetooth為代表的WPAN技術擁有WLAN不具備的優勢，如支持點對點、點對多點傳輸，功率小，價格便宜，體積小，有行業巨頭支持等，兩者可構筑不同但互補的應用領域。

隨著市場、技術的發展，兩者必將不斷融合。Intersil公司和SiliconWave公司已經宣布合作開發兼容Bluetooth和802.11b標準的WLAN解決方案；美國Mobilian公司已經推出了兼具WLAN和Bluetooth功能的芯片組，這個芯片組由兩個芯片構成，兼有802.11b的無線收發功能和Bluetooth功能，并采用消除電波干擾的方法，使兩種規格的數據可同時通信。

可以預見，WLAN和WPAN將共同為未來移動通信設備提供完整的短距離無線通信環境。□

參考文獻：

[1]劉元安.寬帶無線接入和無線局域網[M].北京:北京郵電大學出版社，2000.

[2]金純.藍牙技術[M].北京:電子工業出版社，2001.

收稿日期：2002-09-03

作者簡介：

谷衛東，湖南大學畢業。工作于深圳市中興通訊股份有限公司西安研究所，從事無線新技術預研工作。

同鳴，西安電子科技大學畢業，碩士。深圳市中興通訊股份有限公司西安研究所主任工程師、系統室主任，負責無線通信系統的規劃與預研。