無線局域網技術及其在家庭網絡中的應用

摘要：無線局域網技術近年來產生了突飛猛進的發(fā)展，目前無線局域網技術所采用的技術標準主要有四種：IEEE802.11家族、藍牙技術、紅外線數據協(xié)會（IrDA）和HomeRF，其中IEEE802.11和藍牙技術應用最為廣泛。家庭網絡是融合通信網絡、控制網絡和多媒體信息網絡于一體的家庭信息化平臺。該文從無線局域網技術及其最新發(fā)展入手，就無線局域網技術在家庭網絡中的應用做出分析與比較。

關鍵詞：無線局域網；藍牙技術；IEEE802.11；家庭網絡；家庭網關

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)29-0353-03

Wireless Local Area Network Technologies and Applications in Home Network

ZHUANG Xiao-hua

(Tianjin Coastal Polytechnic，Tianjin 300451，China)

Abstract: WLAN(Wireless Local Area Network ) technology experienced rapid growth in recent years. There are four major standards in WLAN. They are the IEEE802.11 family， Bluetooth， IrDA and HomeRF. Among them IEEE802.11 and Bluetooth technology are commonly deployed.As an information platform， Home Network combined network communication， controlling network and multimedia network.This paper discussed WLAN technologies and the recent developments in each area， then compared the IEEE802.11 and Bluetooth technology when applied to home network.

Key words: wireless local area network; bluetooth technology; IEEE802.11; home network; home network gateway

隨著計算機網絡技術的逐漸成熟，以快捷高效，組網靈活為優(yōu)勢的無線網絡技術隨之飛速發(fā)展。無線局域網是有線局域網的延伸或替代網絡。無線數據通信， 與有線網鋪設相比， 數據傳輸速率高， 抗干擾性、保密性較強，不受布線接點位置限制。對于生活社區(qū)、旅館、機場車站等人員流動性區(qū)域，建立無線局域網是理想的選擇。

1 無線局域網技術標準

1.1 藍牙技術

藍牙（Bluetooth）是一種小型化、低成本和微功率的無線通信技術。它使用跳頻、時分多址和碼分多址等先進技術，建立多種通信系統(tǒng)之間的信息傳輸。數據傳輸速率最快可以達到3Mbps。2007年7月，SIG推出了Bluetooth 2.1+EDR版本的藍牙技術，改善裝置的配對(pairing)流程、進一步降低了電力消耗。

藍牙工作在開放的2.4 GHz的ISM頻段，大多數國家使用79個頻道，載頻為2402+k MHz（k=0， 1，…，78），頻道間隔1 MHz，采用時分雙工。調制方式為BT=0.5的GFSK，調制指數為0.28~0.35。最大發(fā)射功率分為三個等級，分別是：100mW（20dBm)， 2.5mW(4dBm)和1mW （0dBm)，在4~20dBm范圍內要求采用功率控制。藍牙的著眼點是解決最后1米、10米和100米的無線傳輸問題。

藍牙支持實時的同步定向連接和非實時的異步無定向連接，分別稱為SCO鏈路和ACL鏈路，前者主要傳送話音等實時性強的信息，后者則以數據為主。藍牙支持64kbps的實時語音傳輸和各種速率的數據傳輸，提供了短距離的無線多媒體通信。

跳頻是藍牙的關鍵技術之一。對應于單時隙包，跳頻速率為1600跳每秒；對應于多時隙包，跳頻速率有所降低，但在建鏈時則提高為3200跳每秒。使用這樣高的跳頻速率，使得藍牙系統(tǒng)具有足夠高的抗干擾能力。跳頻序列受控于Bluetooth 48-bit設備地址碼(BD_ ADDR)中的28-bit和29-bit的時鐘，采用以多級蝶形運算為核心的映射方案。該跳頻方案和其他方案相比，具有硬件設備簡單、性能優(yōu)越、便于79/23頻道兩種系統(tǒng)的兼容以及各種狀態(tài)的跳頻序列使用統(tǒng)一的電路來實現等特點。

藍牙技術提供點對點和點對多點的無線鏈接，在任意一個有效通信范圍內，所有設備的地位都是平等的，是一種典型的ad hoc網絡結構。首先提出通信要求的設備稱為主設備(Master)，被動進行通信的設備稱為從設備(Slave)。利用時分多址(TDMA， Time Division Multiple Access)，一個Master最多可同時與7個Slave進行通信并和多個Slave(最多可超過200個)保持同步但不通信。一個Master和一個以上的Slave構成的網絡稱為藍牙的主從網絡(Piconet)。若兩個以上的Piconet之間存在著設備間的通信，則構成了藍牙的分散網絡(Scatternet)。基于TDMA原理和藍牙設備的平等性，任一藍牙設備在Piconet和Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，還可同時既是Master又是Slave。因此，在藍牙技術中沒有基站的概念。

藍牙不但規(guī)定了通信協(xié)議還規(guī)定了應用模型(Profile)。模型中定義了藍牙協(xié)議中消息與過程的一個子集，對使用特定服務過程中的空中接口給出了確切的描述。如果一個藍牙產品符合某個應用模型或者某幾個應用模型，則必須支持模型中所規(guī)定的必備功能、可選功能、條件功能。如果由不同廠商生產的設備都遵循這些模型中的規(guī)定，并通過了認證，那么它們之間可以相互操作，并能保證產品間的互通性和兼容性。

1.2 IEEE802.11標準

IEEE802.11委員會于1997年6月制定了具有里程碑意義的無線局域網標準——IEEE 802.11。IEEE的802.11標準由很多子集構成，它詳細定義了WLAN中從物理層到MAC層的通信協(xié)議。

1.2.1 IEEE802.11

IEEE802.11標準在物理層定義了數據傳輸的信號特征和調制方式，定義了兩種無線電射頻(RF)傳輸方式和一種紅外線傳輸方式。無線射頻傳輸包括直接序列擴頻技術DSSS和跳頻技術FHSS。IEEE802.11在MAC層采用了與以太網CSMA/CD相類似的CSMA/CA(載波偵聽多址訪問/碰撞回避)協(xié)議。

1.2.2 IEEE802.11b

1999年7月正式通過的IEEE802.11b標準，采用的調制技術是補碼鍵控技術(CCK)，其最大信息傳輸速率為11Mbps。由于使用開放的2.4GHz的ISM(Industrial Scientific Medical)頻段，IEEE 802.11b無需申請頻率使用許可證。

1.2.3 IEEE802.11a

IEEE802.11a標準物理層選用能有效降低多徑衰落影響的正交頻分復用(OFDM)調制技術，工作在非開放的5.15～8.825GHz頻段，物理層速率可達54Mb/s。該標準與IEEE802.11b工作在不同的頻段上，不能工作在同一接入點（AP）的網絡里，互不兼容。

1.2.4 IEEE802.11g

IEEE802.11g標準有CCK和OFDM兩種調制方式，以解決IEEE802.11b與IEEE802.11a的互通問題。工作在2.4G頻段，使用OFDM調制技術，使數據傳輸速率最高為54Mbps。IEEE802.11g標準能夠與802.11b的系統(tǒng)互相連通，共存在同一AP的網絡里，保障了后向兼容性。

1.2.5 IEEE802.11n

IEEE802.11n 是IEEE802.11家族中的最新成員，IEEE802.11n工作小組計劃在2009年底批準該標準。IEEE802.11n將MAC層的傳輸速率增加至108Mbps以上，物理層最高速率可達600Mbps。IEEE802.11n協(xié)議為雙頻工作模式(包含2.4G Hz和5GHz兩個工作頻段)，保障了與以往的802.11a/b/g標準兼容。IEEE802.11n標準通過把子頻道帶寬從20MHz提高至40MHz，提高了每子頻道的頻帶寬度;采用MIMO-OFDM技術為系統(tǒng)提供空間復用增益，在不占用額外帶寬，不消耗額外的發(fā)射功率的條件下大大增加信道容量；改進的MAC層協(xié)議，顯著提高了有效負載在物理層比特流中的百分比，因而提高了無線局域網的性能和容量。IEEE802.11n代表了WLAN技術的主流發(fā)展方向，發(fā)展前景非常廣闊。

1.3 紅外線（IrDA）技術

IrDA是一個點到點，窄角、自組織的傳輸標準，在1米范圍內以9. 6Kbps到16Mbps的速率傳輸。IrDA的窄角度傳輸的特性使用戶無需介入操作，與其他無線技術相比提供了安全性和易操作性。由于IrDA是一種視距傳輸技術，發(fā)送點必須能直接看到接收點。在兩個設備之間是容易實現的，但在多個設備間就必須彼此調整位置和角度。而使用其它無線技術的設備很容易和周圍設備組織成網絡進行交互，只要在一定的范圍內，不需要在特定的方向內。

1.4 家庭射頻（HomeRF）技術

家庭射頻（HomeRF）技術是無繩電話技術（DECT Digital Enhanced Cordless Telephone）和無線局域網（WLAN）技術相互融合發(fā)展的產物。無線局域網IEEE802.11采用CSMA/CA（載波監(jiān)聽多點接入/沖突避免）方式，特別適合于數據業(yè)務；而DECT使用TDMA方式，特別適合于話音通信。將二者進行融合，構成家庭射頻使用的共享無線應用協(xié)議（SWAP Shared Wireless Access Protocol）。家庭射頻系統(tǒng)的設計目的就是為了在家用電器設備之間傳送話音和數據，并且能夠與公眾交換電話網PSTN和互聯(lián)網進行交互式操作。遺憾的是由于Intel等大公司轉而支持IEEE802.11技術，HomeRF工作組已于2003年初正式宣布解散。

1.5 無線局域網技術的比較

藍牙技術的速率不高，但它具有自組織網絡特性、低成本、體積小。在個人使用的小型設備中以點到點的拓撲結構取代電纜線的作用，優(yōu)勢在于極低的功耗和價格。IEEE802. 11以較高的速率進行通信，工作距離較遠，但功耗比較大。IEEE802. 11是以大型辦公室或業(yè)務園區(qū)的應用環(huán)境為目標設計的，可支持10到100個接入點，其主要應用是高性能的數據網絡，例如共享文件和Internet接入。紅外線（IrDA）技術的最大優(yōu)點是這種傳輸方式不受無線電干擾， 且紅外線的使用不受國家無線電管理委員會的限制. 但它對非透明物體的透過性極差， 這導致傳輸距離受限。HomeRF的理念是在家庭環(huán)境下建立一個有互操作性的無線語音和數據網絡，并非設計成在企業(yè)環(huán)境中由上百個用戶同時使用的網絡，而是設計成在家庭環(huán)境里為多個應用服務。

2 無線局域網技術在家庭網絡中的應用

2.1 家庭網絡

家庭網絡(Home Network)是指在包括整幢住宅、整個社區(qū)在內的家庭范疇里將個人電腦、信息家電、三表(水表、電度表、煤氣表)、照明系統(tǒng)、安全報警系統(tǒng)與計算機廣域網相連接的一種嶄新技術。

家庭網絡能夠以有線或無線的方式接入各種公共網絡及社區(qū)網絡，如因特網、公眾電話網、公共移動通信網、有線電視網、無線局域網等，為家庭及類似的室內場所提供話音、視頻和數據等業(yè)務的服務。家庭網絡又能夠將家庭或室內場所中的電腦、服務器、數字設備、數碼家電、安全監(jiān)控設備等聯(lián)成網絡，通過有線或無線的傳輸媒質，實現資源共享(包括硬件設備和軟件，如打印機，顯示器，傳真機，數碼媒體，數據等)，并可以實現對所有聯(lián)網家庭設備的集中管理控制，實現家庭安全的自動監(jiān)控及報警。

按照功能的不同，家庭網絡技術可分為外部網絡接入技術和內部網絡連接技術。外部網絡接入技術應用在家庭主網，是家庭對外的橋梁，家庭與外界的溝通和互動都是通過外部網絡接入技術來實現。內部網絡連接技術應用在家庭控制子網，是建立在信息家電基礎上的。

家庭網關作為智能家居的核心設備，將家庭內部網絡的信息家電、功能各異的傳感器、PC及其外設等和小區(qū)局域網聯(lián)系起來，進而接入互聯(lián)網，實現信息共享、遠程控制、集中管理等功能，徹底改變家庭單元是互聯(lián)網時代“信息孤島”的局面。主網關與外部網絡如數字用戶線（XDSL）、公用電話網（PSTN）、線纜調制器（CM）和以太網相連，支持高速數據鏈路，同時與家庭內部的數字電視、家庭監(jiān)護、數字視頻錄像機（DSV）、可視電話和 DVD 等對速率要求較高的電器相連，實現家庭內部網絡同外部網絡間的連接轉換功能。通過無線局域網技術，如Bluetooth 和 IEEE802.11g，可完成家庭控制子網關與洗衣機，微波爐，熱水器、空調、冰箱和三表三防等對速率要求較低的電器相連，從而實現智能化家域網的構建。

移動控制終端是家庭控制子網的移動控制設備。移動控制終端通過無線通信方式與家庭控制子網網關通信，從而完成對各種信息家電設備的操控。

2.2 Bluetooth 和IEEE802.11g在家庭網絡中的優(yōu)勢

Bluetooth適用于短距離范圍內替代電纜，如果增大發(fā)射功率，其傳輸距離可達100m，而家庭中各個家電的間距一般不會超過此距離；目前的傳輸速率為3Mbps，雖然不高，但是完全可以滿足家庭網絡中各種信息家電間相關控制和狀態(tài)信息傳輸的要求；Bluetooth的抗干擾能力很強，快速跳頻使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，前向糾錯能力可以限制噪聲的影響，這樣，家庭中的各種藍牙家電可以互不干擾地正常工作；Bluetooth具有連接的普遍性、標準的開放性以及很強的擴展性，可以滿足家庭網絡中更多的需要；Bluetooth芯片的成本低，而且還有進一步下降的趨勢，因而可以大大降低信息家電的成本。

IEEE 802.11g 的技術應用于家庭網絡的優(yōu)勢在于：IEEE802.11g支持比Bluetooth 更遠的傳輸距離，足以滿足家庭中各個家電間的互聯(lián)需求；IEEE802.11g的最大數據傳輸速率為54Mbps，可以滿足用戶運行大量占用帶寬的網絡操作；IEEE802.11g傳輸可靠，使用與以太網類似的連接協(xié)議和數據包確認，提供可靠的數據傳送和網絡帶寬的有效使用；隨著 IEEE802.11g 的廣泛應用，IEEE802.11g 無線網卡及其相關產品的價格進一步下降，促進了IEEE 802.11g在家庭網絡中的普及；與Bluetooth一樣，IEEE802.11g工作在2.4 GHz的免費開放頻段，無需申請頻率使用許可證，有利于在市場的推廣。

3 結論

無線局域網技術具有使用靈活、安裝便捷和易于擴展的優(yōu)勢，不僅將成為現代化家庭網絡關鍵技術，還可廣泛應用于辦公大樓、校園、企事業(yè)等單位，實現移動辦公，方便開會及上課等；在醫(yī)療方面， 實現醫(yī)生在路途中對病人在網上診斷，在金融方面，實現金觸證券室外網上交易。對于難于布線的環(huán)境，如老式建筑、沙漠區(qū)域和頻繁變化的環(huán)境，如各種展覽大樓、流動工作站等場合，無線局域網技術應用也將越來越廣泛。

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