談 振 輝

(北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京100044)

短距離低功率無線通信接入系統(tǒng)主要用于小于100 m短距離和1～100 mW低功率的無線信息傳輸,可解決最后1 km接入和熱點(diǎn)區(qū)通信覆蓋問題.相比有線LAN系統(tǒng)而言,具有用戶可動態(tài)移動地接入或拆離網(wǎng)絡(luò),在不同的環(huán)境中具有終端移動性,容易調(diào)度無線網(wǎng)絡(luò)資源等優(yōu)點(diǎn).但缺點(diǎn)是無線媒介廣播信道帶來的低可靠性、低數(shù)據(jù)速率和高功率消耗、無線空中接入帶來的數(shù)據(jù)加密和用戶安全問題.

短距離低功率無線通信接入技術(shù)主要集中在物理層和MAC層標(biāo)準(zhǔn),如IEEE 802.15的藍(lán)牙技術(shù)和甚寬帶UWB、IEEE 802.11的Wi-Fi.藍(lán)牙作為鏈接近距離設(shè)備電纜數(shù)據(jù)傳送的輔助技術(shù),UWB作為窄脈沖無線電技術(shù)鏈接眾多電子設(shè)備,提供寬帶無線接入的靈活性和移動性,Wi-Fi作為計算機(jī)和計算機(jī)鏈接電纜LAN的延伸,無隙縫地擴(kuò)展至短距離無線環(huán)境中,提供互操作功能和多媒體業(yè)務(wù).

1 IEEE 802.15藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙作為無線個域網(wǎng)接入技術(shù)主要用于短距離、低成本電纜傳輸輔助標(biāo)準(zhǔn),也作為鏈接其他網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)橋或Ad hoc分布式網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn).通電后,藍(lán)牙設(shè)備偵聽主設(shè)備的詢問并響應(yīng).一旦主設(shè)備掌握從屬設(shè)備的地址,主設(shè)備就啟動鏈接從屬設(shè)備的程序,從屬設(shè)備響應(yīng)主設(shè)備的詢問,建立跳頻序列同步,進(jìn)行認(rèn)證和通信.而沒有認(rèn)證和參與傳輸?shù)脑O(shè)備則進(jìn)入帶寬和功率節(jié)省模式[1-2].

藍(lán)牙主要替代長度較短電纜,其傳輸功率的EIRP為30～100 mW 或 15～20 dBm.藍(lán)牙在2.4 GHz頻帶的2.4～2.483 5 GHz帶寬上的791 MHz頻段,以1 MHz寬信道,1 Mb/s信息速率和GFSK調(diào)制方式進(jìn)行跳頻擴(kuò)頻,來自跳頻的頻率分集增益和在MAC層采用ARQ糾錯,對抗強(qiáng)窄帶干擾.藍(lán)牙與IEEE 802.11g和微波共享2.4 GHz頻帶,采取自適應(yīng)頻率跳變圖案來抵抗干擾.在鏈路層具有適配多速率靈活性,藍(lán)牙的速率分為固定1 Mb/s速率和多種可變速率,以適應(yīng)變化的無線應(yīng)用環(huán)境.藍(lán)牙也采用IEEE 802.15.3a進(jìn)行精確定時,高速窄帶脈沖的UWB速率為每秒百兆寬帶信號.

藍(lán)牙承擔(dān)由基本模塊組成的通信網(wǎng)路的接入,如藍(lán)牙的散射網(wǎng)和微微網(wǎng).其中,微微網(wǎng)由7個從屬移動站加一個主機(jī)組成.在等待模式,從屬移動站數(shù)可達(dá)255個.此時移動站不參與數(shù)據(jù)交換,僅與主機(jī)保持同步.

藍(lán)牙采用查詢程序和尋呼方式來發(fā)現(xiàn)處于覆蓋區(qū)的設(shè)備,并建立新的鏈接.主機(jī)周期啟動查詢程序來發(fā)現(xiàn)位于其覆蓋區(qū)設(shè)備的MAC地址表,利用從屬的MAC地址和時鐘,主設(shè)備以尋呼方式在查詢程序期間收集插入的特殊從屬設(shè)備.

藍(lán)牙定義了無線接口和允許設(shè)備互相鑒別與提供業(yè)務(wù)的通信棧,藍(lán)牙通信棧如圖1所示.圖1的鏈接管理層負(fù)責(zé)鏈接結(jié)構(gòu)類型、認(rèn)證、加密、QoS、功率消耗和傳輸格式等.控制層給鏈接管理層和基帶提供命令接口,給硬設(shè)備提供相關(guān)接口.邏輯鏈路控制適配協(xié)議(L2CAP-Logical Link Control Adaptation Protocol)給上層提供鏈接和無鏈接的業(yè)務(wù).如:來自上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的分割和組裝,支持QoS,可直接在L2CAP上利用RFCOMM的點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議(PPPPoint to Point Protocol).

圖1 藍(lán)牙通信棧Fig.1 Bluetooth communication stack

藍(lán)牙設(shè)備可工作在主屬和從屬模式,1個主屬設(shè)備和7個從屬設(shè)備構(gòu)成的微微網(wǎng)作為藍(lán)牙的基本網(wǎng)絡(luò).微微網(wǎng)可進(jìn)一步鏈接構(gòu)成散射網(wǎng),散射網(wǎng)的拓?fù)錇槎嗵鵁o線網(wǎng)絡(luò),至少兩個節(jié)點(diǎn)之間無直接路由,必須通過其他節(jié)點(diǎn)來中繼.

依據(jù)微微網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)時鐘和偽隨機(jī)碼,不同的微微網(wǎng)使用不同的跳頻序列,采用跳頻擴(kuò)頻調(diào)制接入無線通道.當(dāng)進(jìn)入微微網(wǎng)覆蓋區(qū)時,從屬節(jié)點(diǎn)等待來自主節(jié)點(diǎn)詢問信息,掌握主節(jié)點(diǎn)的地址和時鐘相位,計算跳頻序列進(jìn)行處理.

藍(lán)牙有兩種鏈路類型,即:異步無鏈接鏈路(ACL-Asynchronous Connectionless Links)和同步面向鏈接鏈路(SCO-Synchronous Connection Oriented Links).ACL適用于非實(shí)時業(yè)務(wù)環(huán)境,從屬節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時刻與主節(jié)點(diǎn)交換分組信息.在對稱信道和非對稱信道中,給定的從屬節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間采用速率2/3的FEC卷積碼,CRC和ARQ技術(shù)的 ACL鏈路.SCO以一定的時延和帶寬避免高等級鏈路管理協(xié)議(LMP-Link Manager Protocol)帶來的信息中斷.SCO在不需要重傳的速率1/3,2/3 FEC卷積碼或CRC糾錯的對稱恒定速率信道環(huán)境下,提供具有一定可靠性的流媒體業(yè)務(wù).

2 UWB

不同于常規(guī)連續(xù)波無線電技術(shù),UWB在窄脈沖序列上進(jìn)行大信息量的編碼,以及低功率譜擴(kuò)展在寬頻頻譜上傳輸.UWB技術(shù)可用于無線自組織網(wǎng)絡(luò),無線光通信(FSO),ZigBee,無線射頻識別(RFID),ROF(Radio over Fiber),藍(lán)牙和家庭網(wǎng)絡(luò)(HomeRF)等.短距離低功率無線通信接入系統(tǒng)采用UWB技術(shù)有下述優(yōu)點(diǎn).

高容量:信號能量擴(kuò)展在甚寬頻頻譜上,呈現(xiàn)白噪聲功率譜,提高信道容量.

多徑低衰落概率和對干擾免疫力:基于窄脈沖的數(shù)據(jù)傳輸信號在多徑信道中的分辨率往往在1 ns數(shù)量級,可以明顯減弱多徑衰落影響.而對干擾的免疫力正比于信號帶寬.信號帶寬越寬,對干擾的免疫力就越強(qiáng).

時間分集和頻率分集:UWB脈沖持續(xù)時間非常窄,在前后脈沖間離散分布著空隙,RAKE接收機(jī)容易把不同路徑抵達(dá)的UWB脈沖信號組合起來,增強(qiáng)被檢測信號的強(qiáng)度.

但是,UWB占據(jù)極寬帶寬,在與其他通信系統(tǒng)共享頻道時,會產(chǎn)生干擾和兼容問題.UWB集中控制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采取Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中P2P通信自組織集中控制模式,它由若干微微網(wǎng)組成,每個微微網(wǎng)選擇一個主站并自動控制其他副站.UWB集中控制的網(wǎng)絡(luò)含一個Hub和若干個子站,如UWB總線拓?fù)涑尸F(xiàn)星形.欲進(jìn)一步擴(kuò)展UWB系統(tǒng)的覆蓋面積時,數(shù)據(jù)流控制和網(wǎng)絡(luò)層管理需有兩類網(wǎng)橋連接,即UWB無線總線和IEEE 1394骨干網(wǎng)的連接,如圖2所示.

圖2 網(wǎng)橋連接UWB無線總線和IEEE 1394骨干網(wǎng)Fig.2 Gateway between UWB wireless bus and IEEE 1394 backbone network

在UWB系統(tǒng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層中,以信息符號調(diào)制窄脈沖序列的相位.UWB脈沖調(diào)制可采用雙相高斯脈沖調(diào)制、脈沖振幅調(diào)制或脈沖間隔嚴(yán)格的甚窄高斯脈沖的脈位調(diào)制等.

UWB的DLC層序列幀長由IEEE 1394周期數(shù)倍的DLC幀組成.DLC幀由管理域、數(shù)據(jù)域和隨機(jī)域等組成.管理域負(fù)責(zé)Hub和子站間通信控制、UWB總線管理、幀結(jié)構(gòu)管理、質(zhì)量校證、注冊和多址接入控制等.數(shù)據(jù)域負(fù)責(zé)Hub和子站間數(shù)據(jù)傳輸、處理同步和異步傳輸格式,提供數(shù)據(jù)傳輸可靠性和實(shí)時性.UWB總線利用動態(tài)邊界非固定時隙結(jié)構(gòu),在同步和異步時隙之間動態(tài)安排帶寬資源.UWB DLD把資源分成兩部分,一部分用于異步時隙的預(yù)留帶寬,另一部分用于同步時隙的動態(tài)帶寬.Hub通過會話調(diào)整預(yù)留帶寬,預(yù)留帶寬直接動態(tài)取決于總線資源空閑程度.幀數(shù)據(jù)區(qū)域含有多個時隙,管理區(qū)域的每個用戶時隙由Hub確定.

3 IEEE 802.11的Wi-Fi

速率為1 Mb/s或2 Mb/s,MAC和物理層帶寬為2.4 GHz(北美洲帶寬為2.4～2.483 5 GHz,日本帶寬為2.471～2.497 GHz)的IEEE 802.11作為無線保真(Wi-Fi-Wireless Fidelity)標(biāo)準(zhǔn),給快速接入設(shè)備和WLAN內(nèi)移動設(shè)備提供無線鏈接,規(guī)定接入物理媒介的MAC程序,MAC層處理移動性和鄰近小區(qū)間的越區(qū)切換.

速率為 6、9 、12、24、36、48 和 54 Mb/s,帶寬為5 GHz的IEEE 802.11a不能采用IEEE 802.11h的動態(tài)頻率選擇和自適應(yīng)功率控制技術(shù),經(jīng)過Lucent和Harris公司的驗(yàn)證,批準(zhǔn)速率5.5 Mb/s或11 Mb/s的IEEE 802.11b.其性能類似2003年公布的IEEE 802.11a;而在帶寬為2.4 GHz時,其性能類似于IEEE 802.11b兼容的IEEE 802.11g[3].

Wi-Fi除了使用5 GHz頻帶外,采用16 MHz的直接系列擴(kuò)展頻譜(DSSS-Direct Sequence Spread Spectrum),輔助編碼鍵控和OFDM 技術(shù).基于Wi-Fi收發(fā)在同一頻率重傳分組的增益來自時間分集.在MAC層采用ARQ糾錯、編碼和復(fù)用技術(shù),來避免噪聲影響.IEEE 802.11a和無繩電話共享5 GHz頻帶,Wi-Fi采取發(fā)射功率控制技術(shù)來抵抗干擾.

一接通Wi-Fi移動站的電源,移動站就掃描所有無線信道,尋找發(fā)射信標(biāo)的主網(wǎng)絡(luò),選擇含有Wi-Fi移動站的Ad hoc網(wǎng)絡(luò),以接入點(diǎn)(AP-Access Point)鑒別,認(rèn)證和鏈接Wi-Fi移動站,提供從盡力而為到優(yōu)先確保的QoS業(yè)務(wù).當(dāng)Wi-Fi移動站成為Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的組成部分時,Wi-Fi移動站具有發(fā)現(xiàn)新網(wǎng)絡(luò)或脫離舊網(wǎng)組成新網(wǎng)絡(luò)的能力.Wi-Fi移動站可在通信網(wǎng)路間漫游,共享公共分布系統(tǒng)資源,進(jìn)行無隙縫移動傳輸.當(dāng)Wi-Fi移動站成為固定通信基礎(chǔ)實(shí)施后,接入點(diǎn)就解鑒別和解融合,并進(jìn)入休眠狀態(tài).

Wi-Fi定義兩種接入方式:即分布協(xié)調(diào)方式(DCF-Distributed Coordination Function)和點(diǎn)協(xié)調(diào)方式(PCF-Point Coordination Function).最簡單的獨(dú)立基本業(yè)務(wù)集至少含有兩個基站的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?基本業(yè)務(wù)集為延伸業(yè)務(wù)集的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò).在固定通信基礎(chǔ)中,延伸業(yè)務(wù)集是以分布系統(tǒng)相連的一組基本業(yè)務(wù)集.圖3表示W(wǎng)i-Fi網(wǎng)絡(luò)的典型組成單元.鏈接到分布系統(tǒng)的基站為接入點(diǎn),IEEE 802.11f規(guī)定接入點(diǎn)間的協(xié)議.基站提供的業(yè)務(wù)分為基站業(yè)務(wù)和分布系統(tǒng)業(yè)務(wù),分布系統(tǒng)業(yè)務(wù)允許數(shù)據(jù)在歸屬于不同基本業(yè)務(wù)集的基站間傳輸.IEEE 802.11f也定義作為網(wǎng)橋連接Wi-Fi WLAN和IEEE 802.x LAN的接入功能.

Wi-Fi在鏈路層鑒別用戶設(shè)備以保證可靠的接入,有兩種鑒別用戶設(shè)備方法.一種是開放系統(tǒng)鑒別(OSA-Open System Authentication),另一種是共享密鑰鑒別(SKA-Shared Key Authentication).在OSA模式,詢問站發(fā)一幀至接入點(diǎn)申請鑒別,許可接入點(diǎn)進(jìn)行鑒別.在SKA模式,詢問站重發(fā)一幀至接入點(diǎn)申請鑒別,利用共享密鑰加密,并送至接入點(diǎn).

圖3 Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的組成單元Fig.3 Elements of Wi-Fi network

Wi-Fi以掃描程序發(fā)現(xiàn)MAC地址表和位于終端覆蓋區(qū)Wi-Fi設(shè)備的參數(shù).在基礎(chǔ)實(shí)施固定網(wǎng)絡(luò)中,一旦設(shè)備以掃描程序發(fā)現(xiàn)接入點(diǎn),在接入點(diǎn)進(jìn)行鑒別后,移動站可以與接入點(diǎn)認(rèn)可的位于基本業(yè)務(wù)集的移動站通信.

在固定通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中,Wi-Fi移動站以DCF運(yùn)行MAC協(xié)議,以CSMA/CA作為接入多址技術(shù).具體過程是:在ARQ模式,移動站在沒有發(fā)現(xiàn)其他移動站發(fā)射信號的幀間空隙(IFS-Inter Frame Space)階段,立刻發(fā)射幀信號.在非廣播階段,接收站以應(yīng)答信號響應(yīng).假如發(fā)射信號的移動站沒有聽到接收站的應(yīng)答信號,就連續(xù)重復(fù)上述過程.在退避模式,移動站發(fā)射幀信號后直至發(fā)射新幀信號前,必須處于IFS等待階段,啟動退避間隔計數(shù)器,以固定速率減少退避計數(shù)來偵聽通道忙閑.假如檢測到某一個移動站正在發(fā)射,立刻停止退避計數(shù)減一計算過程,等待幀信號發(fā)射終止和IFS結(jié)束,再繼續(xù)減少退避計數(shù).直至退避計數(shù)器結(jié)果為零,發(fā)射幀信號并終止退避模式.

由于短距離低功率無線通信接入系統(tǒng)中無線分組經(jīng)常會丟失,在任意時間間隔上難以保持加密和解密之間的同步.Wi-Fi安全框架采用應(yīng)用流密碼RC4的無線等效專用(WEP)協(xié)議.定義無線保護(hù)接入(WPA-Wireless Protected Access)作為WEP的改進(jìn),并被IEEE 802.11i采用.WPA以 802.1x/EAP為框架,暫時密鑰綜合協(xié)定(TKIP-Temporal Key Integrity Protocol)用于密碼,擴(kuò)展鑒別協(xié)議(EAPExtensible Authentication Protocol)用于鑒別.2004年IEEE 802.11i工作小組公布WAP2為基于IEEE 802.1x和EAP綜合鑒別框架,不同應(yīng)用環(huán)境的鑒別和密鑰產(chǎn)生不同EAP.定義兩組密碼組,即現(xiàn)有設(shè)備的升級軟件TKIP和基于AES的CCMP.

4 功耗控制

短距離低功率無線通信接入系統(tǒng)主要用于短距離移動和有限電源的袖珍終端接入通信.其中,藍(lán)牙和UWB提供非常低的功率消耗,而Wi-Fi用于比較長距離鏈接,支持一定功率的移動終端接入.

4.1 藍(lán)牙功率管理

藍(lán)牙功率管理方式有:僅有時鐘運(yùn)行而無數(shù)據(jù)交換的備用方式和終端設(shè)備鏈接到微微網(wǎng)主機(jī)上的數(shù)據(jù)交換方式.鏈接分為4種模式:①啟動模式,位于微微網(wǎng)的設(shè)備處于主動狀態(tài);②偵聽模式,以低功率消耗處于偵聽狀態(tài);③保持模式,設(shè)備ACL流量在一定期間被阻止;④等待模式,設(shè)備不再屬于微微網(wǎng)的成員,仍然保持與微微網(wǎng)主機(jī)同步,處于最低功率消耗.

CSR(Cambridge Silicon Radio)公司研發(fā)CMOS單片藍(lán)牙設(shè)備,單片藍(lán)牙包括基帶藍(lán)核和無線藍(lán)核.其中,基帶藍(lán)核含有承擔(dān)鏈路控制器、鏈路管理和主機(jī)控制器接口層功能的固件.無線藍(lán)核提供閃爍儲存和節(jié)約功率.藍(lán)核有兩種低功率節(jié)省模式,即淺睡模式:降低處理器時鐘速率;深睡模式:大部分電路處于關(guān)閉狀態(tài).

4.2 固定通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的Wi-Fi功率管理

Wi-Fi設(shè)備有兩個狀態(tài),即喚醒模式和處于不發(fā)射又不接收的欲睡狀態(tài).它有兩個功率管理模式,即啟動模式和功率節(jié)省模式.處于啟動模式的移動站欲進(jìn)入功率節(jié)省模式,必須把分組頭的功率管理比特送至接入點(diǎn).接入點(diǎn)存儲所有接入位于功率節(jié)省模式移動站的流量.經(jīng)過一定算法,處于功率節(jié)省模式的移動站轉(zhuǎn)換至啟動模式,以便接收信標(biāo),而沒有接入的流量的移動站又返回功率節(jié)省模式.

4.3 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的Wi-Fi功率管理

由于Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中無接入點(diǎn),處于功率節(jié)省模式的移動站發(fā)射ATIM幀信息,在ATIM窗期間轉(zhuǎn)換至喚醒狀態(tài),由啟動站存儲所有處于功率節(jié)省模式移動站流量.接收到ATIM幀信息的移動站保持在喚醒狀態(tài),以便接收信息流量,直至下一個ATIM窗到達(dá),才返回至功率節(jié)省模式.

與固定通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的功率管理相比,由于無接入點(diǎn)作為參考站,移動站的喚醒或欲睡狀態(tài)由Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的其他移動站來評估.在ATIM窗期間,ATIM幀信息的發(fā)射和接收服從DCF和CSMA/CA接入多址算法.

5 結(jié)論

討論短距離低功率無線通信接入系統(tǒng)藍(lán)牙,UWB和Wi-Fi的系統(tǒng)特性,如系統(tǒng)容量、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、安全、QoS支持和功率消耗等.而短距離低功率無線通信接入系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是功率消耗、QoS和安全.關(guān)鍵技術(shù)的研究課題是如何有效解決隱藏終端問題,支持實(shí)時信息傳輸,在多跳環(huán)境中有效路由的算法,提高數(shù)據(jù)傳輸安全、接入技術(shù)和MIMO,OFDM復(fù)用等問題.

短距離低功率無線通信接入系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程發(fā)展迅速而輔助標(biāo)準(zhǔn)也多,但目前仍以藍(lán)牙和Wi-Fi為主.下一步Wi-Fi的趨勢是采用MIMO技術(shù),Airgo公司已研發(fā)與現(xiàn)有Wi-Fi兼容的速率為108 Mb/s/channel的MIMO芯片,IEEE 802.11n工作小組已規(guī)定MIMO物理層的定義.

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