無線傳感器網絡中幾種無線通信技術的比較分析

劉毅

（中國聯合網絡通信有限公司營口分公司，遼寧 營口 115000）

1 引言

無線傳感器 (Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者構成了無線傳感器網絡的三個要素。紅外線、IEEE8011、HomeRF和藍牙技術是無線傳感器網絡中四種典型的無線通信技術。

2 四種典型的無線通信技術

2.1 紅外線

紅外線是波長在750nm至1mm之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光同，是一種人的眼睛看不到的光線。

紅線通信一般采用紅外波段內的近紅外線，波長在0.75um至25um之間。為了保證不同廠商的紅線產品能夠獲得最佳的通信效果，紅外通信協議將紅外數據通信所采用的光波波長的范圍限定在850nm至900nm之內。

紅外通信有著成本低廉、連接方便、簡單易用和結構緊湊的特點，因此在小弄的移動設備中獲得了廣泛的應用。這些設備包括筆記本電腦、掌上電腦、面頂盒、游戲機、移動電話、計算器、尋呼機、儀器儀表、MP3播放機、數碼相機以及打印機之類的計算機外圍設備等等。

2.2 IEEE8011

IEEE8011是IEEE（氣和電子工作師協會）制定的一個無線局域網標準，主要用于解決辦公室局域網和校園網中的用戶終端之間的無線接入。IEEE8011業務主要限于數據存取，傳輸速率最高只能達到2Mbps。由于IEEE8011在速率上的不足，已不能滿足數據應用的需求；因此，IEEE又相繼推出了IEEE8011b和IEEE8011a這兩個新的標準。三者之間技術差別主要在于MAC(Mediuln Access Control,媒介訪問控制)子層和物理層。

IEEE8011b標準。IEEE8011b(wi-Fi)使用開放的4GHz直接序列擴頻,最大數據傳輸速率為11 Mbps,無需直線傳播.使用動態速率轉換,當射頻情況變差時,可將數據傳輸速率降低為5.5 Mbps、2 Mbps 和 1 Mbps。且當工作在 2 Mbps和1 Mbps速率時可向下兼容IEEE8011。IEEE8011b的使用范圍在室外為300米，在辦公環境中則最長為100米。使用與以太網類似的連接協議和數據包確認，來提供可靠的數據傳送和網絡帶寬的有效使用。IEEE8011b運作模式基本分為兩種：點對點模式和基本模式，點對點模式是指無線網卡和無線網卡之間的通信方式。

IEEE8011a標準。IEEE8011a工作在5GHzU-NII頻帶，從而避開了擁擠的4GHz頻段。物理層速率可達54 Mbps，傳輸層可達25 Mbps。采用正交頻分復用（OFDM）的獨特擴頻技術；可提供25 Mbps的無線ATM接口、10 Mbps以太網無線幀結構接口和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。

IEEE8011a在使用頻率的選擇和數據傳輸速率上都優于IEEE8011b，不過其芯片還沒有進入市場，加之設備昂貴、不兼容IEEE8011b、空中接力不好和點對點連接很不經濟，不適合小型設備。

2.3 HomeRF

HomeRF技術是無繩電話技術（數字式增加型無繩電話或者簡稱為DECT:Digital Enhanced Cordless Telephone）和無線局域網(WLAN)技術相互融合發展的產物.無線局域網IEEE8011采用CSMA/CA(載波監聽多點接入/沖突避免)方式,特別適合于數據業務;而DECT使用TDMA(時分多路復用)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議 (SWAT Shared Wireless Access)的代稱,其實質量是要建立通用的無線空中接口及其控制軟件的公開標準,使通信和計算機進一步結合,使不同廠家生產的便攜式設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下,能在近距離范圍內具有互用、互操作的性能。

適用設備多。藍牙技術最大的優點是使眾多電信和電腦設備無需電纜就能聯網。例如，如果把藍牙技術引入到移動電話和膝上型電腦中，就可以去掉連接電纜而通過無線使其建立通信。打印機、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數字設備都可以成為藍牙系統的一部分。

工作頻段全求通用。藍牙技術以無線局域網的IEEE8011標準技術為基礎，工作在4GHz ISM（即工業、科學、醫學）頻段，該頻段用戶不必經過允許，在世界范圍內都可以自由使用。

使用方便。藍牙技術規范中采用了一種“Plond&Play”的概念，它有點類似“即插即用”。這樣，用戶不必再需要學習如何安裝和設置，凡是嵌入藍牙技術的設備一旦搜尋到另一個藍牙設備，馬上就可以建立聯系，利用相關的控制軟件，無須用戶干預即可傳輸數據。

安全加密、抗干擾能力強。ISM頻帶是對所有無線電系統都開放的頻帶。因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源，例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等。

兼容性好。由于藍牙技術獨立于操作系統，所以，在各種操作系統中均有良好的兼容特性。

尺寸小、功耗低。所有的技術和軟件集成于9mm*9mm的微芯片，從而可以集成到各種設備中，如蜂窩電話、傳呼機、筆記本電腦、PDA、PC，甚至各種家用電器中；與集成的設備相比可免忽略功耗和成本。

多路多方向鏈接。目前，相距很近的便攜式器件之間的鏈接是用紅外線進行的，但使用起來仍有許多不便和限制。藍牙無線收發器的鏈接距離可達10米，不限制在直線范圍內，甚至設備不在同一間房內也能相互鏈接，并且可以鏈接多個設備，同時可進行通信的設備最多可達7個，這就可以把用戶身邊的搖控。但IrDA最大的不足在于發送端與接收 端之間不能有障礙物，而藍牙無線傳輸時發送端與接收端不受中間阻擋物的影響，這對于移動用戶來講將更實用。如果藍牙設備的價格能夠進一步降低人們可接受 的程度，對傳統的IrDA將構成挑戰。

IEEE8011雖然傳輸速率快，傳輸距離長，但其成本較高，功耗較大。目前IEEE8011的實現方式 主要還是靠無線網卡或接入 點設備。藍牙成本低、功耗小、體積小，可以便捷地用于更多的設備。

2.4 藍牙技術

相對于其它幾種無線通信技術，藍牙技術在無線傳感器網絡系統中的應用具有如下一些優勢：

中短通信距離性：藍牙的通信距離為10m-100m，屬于是中短距離無線通信，這個范圍的距離要比IEEE8011b標準的短，但是又要比紅外線的通信距離長，比較適合于無線傳感器網絡系統。

便攜性：為了適合于便攜設備的集成，藍牙模塊的設計尺寸要比一般的RF裝置小，這樣集成有藍牙模塊的Sink網關在大小上沒有很大的變化，適合于在對設備體積有嚴格要求的無線傳感器網絡系統中使用。

節能性：藍牙模塊的功耗非常小，一般只有10mw,當集成在Sink網關上時，可以使用微型電池進行長時間的供電，非常適合無線傳感器網絡系統低功耗的特點。

安全性：藍牙標準在基帶上提供了對傳輸數據的加密機制以及在鏈路管理 器上提供的鑒權機制，保證了Sink網關與管理終端通信的安全性，非法設備和用戶是無法獲得對藍牙底層傳輸數據和高層服務的訪問。

抗干擾性：藍牙射頻信號工作在ISM免費頻段，其基帶規定了1600/秒的跳頻頻率，保證了和其他無線空中接口信號產生碰撞的可能性很小，其他無線信號對它的干擾很小，即使產生了干擾，藍牙也提供了重傳的機制可以保證信息的完整性，同時因為藍牙射頻信號的發射功率很小，所以也不會對無線傳感器網絡系統中其他無線信號產生大的干擾。

3 結束語

紅外線、IEEE8011、HomeRF和藍牙技術是無線傳感器網絡中四種典型的無線通信技術。通過對四種典型無線通信技術的性能分析比較，該文得出了相應結論。

[1]袁勇.無線傳感器網絡節能傳輸技術研究[J].華中科技大學，2005-11-01.