无线传感器网络中几种无线通信技术的比较分析

2010-08-15刘毅

中国新技术新产品 2010年7期

刘毅

（中国联合网络通信有限公司营口分公司，辽宁营口 115000）

1 引言

无线传感器 (Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。红外线、IEEE8011、HomeRF和蓝牙技术是无线传感器网络中四种典型的无线通信技术。

2 四种典型的无线通信技术

2.1 红外线

红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光同，是一种人的眼睛看不到的光线。

红线通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间。为了保证不同厂商的红线产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。

红外通信有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小弄的移动设备中获得了广泛的应用。这些设备包括笔记本电脑、掌上电脑、面顶盒、游戏机、移动电话、计算器、寻呼机、仪器仪表、MP3播放机、数码相机以及打印机之类的计算机外围设备等等。

2.2 IEEE8011

IEEE8011是IEEE（气和电子工作师协会）制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中的用户终端之间的无线接入。IEEE8011业务主要限于数据存取，传输速率最高只能达到2Mbps。由于IEEE8011在速率上的不足，已不能满足数据应用的需求；因此，IEEE又相继推出了IEEE8011b和IEEE8011a这两个新的标准。三者之间技术差别主要在于MAC(Mediuln Access Control,媒介访问控制)子层和物理层。

IEEE8011b标准。IEEE8011b(wi-Fi)使用开放的4GHz直接序列扩频,最大数据传输速率为11 Mbps,无需直线传播.使用动态速率转换,当射频情况变差时,可将数据传输速率降低为5.5 Mbps、2 Mbps 和 1 Mbps。且当工作在 2 Mbps和1 Mbps速率时可向下兼容IEEE8011。IEEE8011b的使用范围在室外为300米，在办公环境中则最长为100米。使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。IEEE8011b运作模式基本分为两种：点对点模式和基本模式，点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式。

IEEE8011a标准。IEEE8011a工作在5GHzU-NII频带，从而避开了拥挤的4GHz频段。物理层速率可达54 Mbps，传输层可达25 Mbps。采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术；可提供25 Mbps的无线ATM接口、10 Mbps以太网无线帧结构接口和TDD/TDMA的空中接口，支持语音、数据、图像业务，一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。

IEEE8011a在使用频率的选择和数据传输速率上都优于IEEE8011b，不过其芯片还没有进入市场，加之设备昂贵、不兼容IEEE8011b、空中接力不好和点对点连接很不经济，不适合小型设备。

2.3 HomeRF

HomeRF技术是无绳电话技术（数字式增加型无绳电话或者简称为DECT:Digital Enhanced Cordless Telephone）和无线局域网(WLAN)技术相互融合发展的产物.无线局域网IEEE8011采用CSMA/CA(载波监听多点接入/冲突避免)方式,特别适合于数据业务;而DECT使用TDMA(时分多路复用)方式,特别适合于话音通信,将二者进行融合构成家庭射频使用的共享无线应用协议 (SWAT Shared Wireless Access)的代称,其实质量是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准,使通信和计算机进一步结合,使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下,能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。

适用设备多。蓝牙技术最大的优点是使众多电信和电脑设备无需电缆就能联网。例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉连接电缆而通过无线使其建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。

工作频段全求通用。蓝牙技术以无线局域网的IEEE8011标准技术为基础，工作在4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，该频段用户不必经过允许，在世界范围内都可以自由使用。

使用方便。蓝牙技术规范中采用了一种“Plond&Play”的概念，它有点类似“即插即用”。这样，用户不必再需要学习如何安装和设置，凡是嵌入蓝牙技术的设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立联系，利用相关的控制软件，无须用户干预即可传输数据。

安全加密、抗干扰能力强。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带。因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源，例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等。

兼容性好。由于蓝牙技术独立于操作系统，所以，在各种操作系统中均有良好的兼容特性。

尺寸小、功耗低。所有的技术和软件集成于9mm*9mm的微芯片，从而可以集成到各种设备中，如蜂窝电话、传呼机、笔记本电脑、PDA、PC，甚至各种家用电器中；与集成的设备相比可免忽略功耗和成本。

多路多方向链接。目前，相距很近的便携式器件之间的链接是用红外线进行的，但使用起来仍有许多不便和限制。蓝牙无线收发器的链接距离可达10米，不限制在直线范围内，甚至设备不在同一间房内也能相互链接，并且可以链接多个设备，同时可进行通信的设备最多可达7个，这就可以把用户身边的摇控。但IrDA最大的不足在于发送端与接收端之间不能有障碍物，而蓝牙无线传输时发送端与接收端不受中间阻挡物的影响，这对于移动用户来讲将更实用。如果蓝牙设备的价格能够进一步降低人们可接受的程度，对传统的IrDA将构成挑战。

IEEE8011虽然传输速率快，传输距离长，但其成本较高，功耗较大。目前IEEE8011的实现方式主要还是靠无线网卡或接入点设备。蓝牙成本低、功耗小、体积小，可以便捷地用于更多的设备。

2.4 蓝牙技术

相对于其它几种无线通信技术，蓝牙技术在无线传感器网络系统中的应用具有如下一些优势：

中短通信距离性：蓝牙的通信距离为10m-100m，属于是中短距离无线通信，这个范围的距离要比IEEE8011b标准的短，但是又要比红外线的通信距离长，比较适合于无线传感器网络系统。

便携性：为了适合于便携设备的集成，蓝牙模块的设计尺寸要比一般的RF装置小，这样集成有蓝牙模块的Sink网关在大小上没有很大的变化，适合于在对设备体积有严格要求的无线传感器网络系统中使用。

节能性：蓝牙模块的功耗非常小，一般只有10mw,当集成在Sink网关上时，可以使用微型电池进行长时间的供电，非常适合无线传感器网络系统低功耗的特点。

安全性：蓝牙标准在基带上提供了对传输数据的加密机制以及在链路管理器上提供的鉴权机制，保证了Sink网关与管理终端通信的安全性，非法设备和用户是无法获得对蓝牙底层传输数据和高层服务的访问。

抗干扰性：蓝牙射频信号工作在ISM免费频段，其基带规定了1600/秒的跳频频率，保证了和其他无线空中接口信号产生碰撞的可能性很小，其他无线信号对它的干扰很小，即使产生了干扰，蓝牙也提供了重传的机制可以保证信息的完整性，同时因为蓝牙射频信号的发射功率很小，所以也不会对无线传感器网络系统中其他无线信号产生大的干扰。