1.無線網(wǎng)絡的基本概念

1.1無線網(wǎng)絡技術的分類

無線網(wǎng)絡是網(wǎng)絡技術研究與發(fā)展的另一條主線，它的研究、發(fā)展與應用將對21世紀信息技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。從是否需要基礎設施的角度來看，可以分為兩大類：基于基礎設施的無線網(wǎng)絡與無基礎設施的無線網(wǎng)絡。圖4-1給出了無線網(wǎng)絡的分類。

1.2無線分組網(wǎng)與無線自組網(wǎng)

1972年在美國國防部高級研究計劃署啟動ARPANET的研究計劃后，又啟動將分組交換技術移植到軍用無線分組網(wǎng)（PacketRadi。NETw。rk，PRNET）的項目。該項目研究戰(zhàn)場環(huán)境中無線分組交換技術在數(shù)據(jù)通信中的應用。無線分組網(wǎng)的研究成果為無線自組網(wǎng)的發(fā)展奠定了良好的基礎。

在無線分組網(wǎng)項目結(jié)束后，DARPA認為盡管無線分組網(wǎng)的可行性得到驗證，但還是不能支持大型網(wǎng)絡環(huán)境的需要，無線移動自組網(wǎng)絡還有幾個關鍵技術沒有解決。在這樣的背景下，DARPA在1983年啟動殘存性自適應網(wǎng)絡（SURvivableAdaptiveNetwork，SURAN）項目。該項目研究如何將無線分組網(wǎng)技術用于支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡，并開發(fā)能適應戰(zhàn)場快速變化的自適應網(wǎng)絡協(xié)議。

在無線分組網(wǎng)的基礎上發(fā)展起來的無線自組網(wǎng)是一種特殊的自組織、對等式、多跳、無線移動網(wǎng)絡，在軍事、特殊應用領域有重要的應用前景。

20世紀70年代末，美國海軍研究實驗室完成短波自組織網(wǎng)絡（HF-ITF）系統(tǒng)的研究。該系統(tǒng)是采用跳頻方式組網(wǎng)的低速無線自組網(wǎng)絡。HF-ITF使用短波頻段，采用隨機信道訪問控制方法，可以將500公里范圍內(nèi)的艦只、飛機、潛艇組成一個無線移動自組網(wǎng)絡。

1994年美國DARPA啟動全球移動信息系統(tǒng)（GlobelMobileinformationsystem，GloMo）計劃一GloMo計劃的研究范圍幾乎覆蓋無線通信的所有相關領域。其中，無線自適應移動信息系統(tǒng)（WAMIS）是在無線分組網(wǎng)的基礎上，研究的一種在多跳、移動環(huán)境下支持實時多媒體業(yè)務的高速分組無線網(wǎng)。另一個與無線自組網(wǎng)有關的項目是啟動于1996年的WINGs研究，其主要目標是如何將無線移動自組網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)無縫連接。

1.3無線自組網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡

IEEE將無線自組網(wǎng)的網(wǎng)絡定義為一種特殊的自組織、對等式、多跳、無線移動網(wǎng)絡，稱為移動無線自組網(wǎng)絡（MobileAdhocNETwork，MANET），它是在無線分組網(wǎng)的基礎上發(fā)展起來的。

無線傳感器網(wǎng)絡的研究起步于20世紀90年代末期，隨著無線自組網(wǎng)技術的日趨成熟，無線通信、微電子、傳感器技術也得到快速發(fā)展，如何在軍事領域中將無線自組網(wǎng)與傳感器技術結(jié)合起來的研究課題被提出，即開始了無線傳感器網(wǎng)絡的研究。無線傳感器網(wǎng)絡可以用于對敵方兵力和裝備的監(jiān)控，戰(zhàn)場的實時監(jiān)視，目標的定位、戰(zhàn)場評估以及對核攻擊和生物化學攻擊的監(jiān)測和搜索。

近年來，無線傳感器網(wǎng)絡引起學術、軍事和工業(yè)界的極大關注，美國和歐洲相繼啟動很多有關無線傳感器網(wǎng)絡的研究計劃。無線傳感器網(wǎng)絡研究將涉及傳感器、微電子芯片制造、無線傳輸、計算機網(wǎng)絡、嵌入式計算、網(wǎng)絡安全與軟件等技術，是一個必須由多個學科專家參加的交叉學科研究領域。

1.4無線自組網(wǎng)與無線網(wǎng)狀網(wǎng)

無線自組網(wǎng)技術逐漸成熟并進入實際應用階段時，通常還是局限于軍事領域，在民用領域應用無線自組網(wǎng)技術還只是一個研究課題。人們很快就發(fā)現(xiàn)，如果將無線自組網(wǎng)技術作為無線局域網(wǎng)與無線城域網(wǎng)等無線接入技術的一種補充，應用于互聯(lián)網(wǎng)無線接入網(wǎng)中，是一個很有發(fā)展前途的課題。在這樣的背景下，開始了無線網(wǎng)狀網(wǎng)技術的研究。-

無線網(wǎng)狀網(wǎng)（WirelessMeshNetwork，WMN）是無線自組網(wǎng)在接入領域的一種應用。WMN也稱為無線網(wǎng)格網(wǎng)，它作為對無線局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)技術的補充，將成為解決無線接人“最后一公里”問題的重要技術手段。

目前，無線自組網(wǎng)技術向兩個方向發(fā)展的趨勢已經(jīng)清晰，一個是向軍事和特定行業(yè)發(fā)展和應用的無線傳感器網(wǎng)絡；另一個是向民用的接入網(wǎng)領域發(fā)展的無線網(wǎng)狀網(wǎng)。由于無線網(wǎng)絡問題的研究涉及多個學科領域，本章主要介紹與網(wǎng)絡技術相關的研究工作。

2．無線局域網(wǎng)與協(xié)議

2.1無線局域網(wǎng)的應用領域

隨著無線局域網(wǎng)技術的發(fā)展，人們越來越深刻地認識到，無線局域網(wǎng)不僅能夠滿足移動和特殊應用領域網(wǎng)絡的要求，還能覆蓋有線網(wǎng)絡難以涉及的范圍。它們主要有以下四個方面：

（1）作為傳統(tǒng)局域網(wǎng)的擴充

傳統(tǒng)的局域網(wǎng)用非屏蔽雙絞線實現(xiàn)10Mbps，甚至更高速率的傳輸。使得結(jié)構(gòu)化布線技術得到廣泛應用。很多建筑物在建設過程中已預先布好雙絞線，但是在某些特昧的環(huán)境中，無線局域網(wǎng)卻能發(fā)揮傳統(tǒng)局域網(wǎng)起不到的作用，例如在建筑物群之間、工廠建筑物之間的連接，股票交易等場所的活動結(jié)點，以及不能布線的歷史古建筑，臨時性的大型報告會與展覽會。在上述的情況中，無線局域網(wǎng)提供一種更有效的聯(lián)網(wǎng)方式。在大多數(shù)情況下，傳統(tǒng)的局域網(wǎng)用來連接服務器和一些固定的工作站，而移動和不易于布線的結(jié)點可以通過無線局域網(wǎng)接入。圖4-3給出了典型的無線局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

（2）特殊無線網(wǎng)絡

無線自組網(wǎng)絡采用不需要基站的“對等結(jié)構(gòu)”移動通信模式，該網(wǎng)絡中沒有固定的路由器，它的所有用戶都可以移動，并且支持動態(tài)配置和動態(tài)流量控制；每個系統(tǒng)都具備動態(tài)搜索、定位和恢復連接的能力。這些行為特征可以用“移動分布式多跳無線網(wǎng)絡”或“移動的網(wǎng)絡”來描述：例如，員工每人有一個帶有天線的筆記本，他們被召集在一間房間里開會，計算機可以連接到一個暫時的網(wǎng)絡，會議完畢后網(wǎng)絡將不再存在。

2.2無線局域網(wǎng)協(xié)議

1987年，IEEE802.4組開始進行無線局域網(wǎng)的研究。最初的目標是希望開發(fā)一個基于無線網(wǎng)令牌總線協(xié)議。在進行一段時間的研究后，發(fā)現(xiàn)令牌總線并不適合于無線電信道。在1990年，IEEE802委員會成立新的802.11工作組，專門從事無線局域網(wǎng)的研究，并開發(fā)一個無線信道訪問控制子層協(xié)議和物理介質(zhì)標準。1997年形成第1個無線局域網(wǎng)標準802.11，以后又出現(xiàn)兩個擴展版本。802.11定義使用紅外、跳頻擴頻與直接序列擴頻技術，數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps或2Mbps的無線局域網(wǎng)標準。802.1lb定義使用跳頻擴頻技術，傳輸速率為1、2、5.5與11Mbps的無線局域網(wǎng)標準。802.11a將傳輸速率提高到54Mbps。無線局域網(wǎng)是當前網(wǎng)絡研究的一個熱點問題，當前802.11標準已從802.11b、802.11a發(fā)展為802.11j，對多種頻段無線傳輸技術的物理層、MAC層、無線網(wǎng)橋，以及QoS管理、安全與身份認證做出一系列的規(guī)定。致力于WLAN技術推廣的wi-Fi聯(lián)盟是由業(yè)界成員參加，它的作用是促進802.11無線局域網(wǎng)標準的推廣與應用。

3．無線城域網(wǎng)與IEEE802.16協(xié)議

3.1寬帶無線接入的基本概念

802．11無線局域網(wǎng)作為局域網(wǎng)接入方式的一種補充，已在個人計算機無線接人中發(fā)揮重要作用。在無線通信技術應用廣泛的背景下，如何在城域網(wǎng)中應用無線通信技術的課題就被提出。對于城市區(qū)域的一些大樓、分散的社區(qū)，架設電纜與鋪設光纖的費用往往要大于架設無線通信設備，人們開始研究在市區(qū)范圍的高樓之間利用無線通信手段解決局域網(wǎng)、固定或移動的個人用戶計算機接入互聯(lián)網(wǎng)的問題。圖4．4給出了802．16寬帶城域網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

1999年7月，IEEE802委員會成立一個工作組，專門研究寬帶無線城域網(wǎng)標準問題。2002年，公布IEEE802.16寬帶無線城域網(wǎng)標準。802.16標準的全稱是“固定帶寬無線訪問系統(tǒng)空間接口”（AirInterfaceforFixedBroadbandWirelessAccessSystem），也稱為無線城域網(wǎng)（WirelessMAN，WMAN）或本地環(huán)路（wirelesslocalloop）標準。

.2IEEE802.16標準體系

盡管802.1l與802.16標準都針對無線環(huán)境，但是由于兩者的應用對象不同，因此在采用的技術與協(xié)議解決問題的重點也不同。802.11標準的重點在于解決局域網(wǎng)范圍的移動結(jié)點通信問題，而802.16標準的重點是解決城市范圍內(nèi)建筑物之間的數(shù)據(jù)通信問題。

802.16標準的主要目標是制定工作在2～66GHz頻段的無線接人系統(tǒng)的物理層與介質(zhì)訪問控制層規(guī)范。802.16是一個點對多點的視距條件下的標準，用于大數(shù)據(jù)量的傳輸。802.16a增加非視距和對無線網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的支持。802.16與802.16a經(jīng)過修訂后，被統(tǒng)一命名為802.16d，于2004年5月正式公布。

按802.16標準建立的無線網(wǎng)絡覆蓋一個城市的部分區(qū)域，同時由于建筑物位置是固定的，它需要在每個建筑物上建立基站，基站之間采用全雙工、寬帶通信方式工作。802.16標準提供兩個物理層標準802.16d與802.16e。802.16d主要針對固定的無線網(wǎng)絡部署，802.16e針對火車、汽車等移動物體的無線通信標準問題。

與IEEE802.16標準工作組對應的論壇組織為WiMAx，與致力于WLAN推廣應用的Wi-Fi聯(lián)盟很類似，它是由業(yè)界成員參加的，致力于IEEE802.16標準的推廣與應用。無線接入技術以投資少、建網(wǎng)周期短、提供業(yè)務快等優(yōu)勢，已經(jīng)引起產(chǎn)業(yè)界的高度重視。

4.藍牙、無線個人區(qū)域網(wǎng)與ZigBee

4．1藍牙技術與協(xié)議

4.1.1藍牙技術的基本概念

1994年，Ericsson公司對于如何在無電纜的情況下，將移動電話和其他設備（例如PDA）連接起來產(chǎn)生濃厚的興趣。Ericsson公司與IBM、Intel、Nokia和Toshiba等公司發(fā)起一個項目，開發(fā)一個用于將計算機與通信設備、附加部件和外部設備，通過短距離的、低功耗的、低成本的無線信道連接的無線標準。這個項目被命名為藍牙（Bluetooth）。

對于“藍牙”這個名字，有一個已被普遍接受的說法，那就是它與一位丹麥國王的名字有關，即公元940～985年間的丹麥國王HaraldBlatand。據(jù)說在他統(tǒng)治期間統(tǒng)一了丹麥和挪威，并把基督教帶入斯堪的納維亞地區(qū)，因此就將“Blatand”近似翻譯成“Bluetooth”，中文直譯為“藍牙”。由于這項技術是在斯堪的納維亞地區(qū)產(chǎn)生，因此技術的創(chuàng)始人就用這樣名字命名，表達他們要像當年的丹麥國王統(tǒng)一多國一樣，統(tǒng)一世界很多公司“短距離無線通信”技術和產(chǎn)品的初衷。

藍牙無線通信技術是作為一個技術規(guī)范出現(xiàn)，該規(guī)范是藍牙特別興趣小組SIG中很多公司合作的結(jié)果。1998年5月，SIG由Ericsson、Intel、IBM、Nokia和Toshiba等公司發(fā)起。SlG不是由任何一個公司控制，而是由其成員通過法定協(xié)定來管理。目前，SIG共有1800多個成員，包括消費類電子產(chǎn)品制造商、芯片制造廠家與電信業(yè)等。SIG的主要任務是致力于發(fā)展藍牙規(guī)范，但是它也許不會發(fā)展成一個正式的標準化組織。

4.1.2藍牙規(guī)范與IEEE802.15標準

1999年7月，SIG公布藍牙規(guī)范1.0版，卷1是核心規(guī)范，卷2是協(xié)議子集，整個規(guī)范長達1500頁。雖然藍牙技術最初的目標只是解決近距離數(shù)字設備之間的無線連接，但是很快擴大到無線局域網(wǎng)的工作領域中。盡管這樣的轉(zhuǎn)變使該標準更有應用價值，但是也造成它與IEEE802.11標準競爭的局面。

在藍牙規(guī)范1.O版發(fā)表后不久，IEEE802.15標準組決定采納藍牙規(guī)范作為基礎，并開始對它進行修訂。這件事情從一開始就不協(xié)調(diào)，藍牙規(guī)范已經(jīng)有細致的規(guī)范，而且它是針對整個系統(tǒng)的。從網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的角度來看，它覆蓋從物理層到應用層的全部內(nèi)容。IEEE802.15標準組僅對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進行標準化，藍牙規(guī)范的其他部分并沒有被納入該標準。

盡管像IEEE這樣的中立機構(gòu)來管理一個開放的標準，往往有助于一項技術的推廣和應用，但是如果在一項事實上的工業(yè)標準出現(xiàn)后，又出現(xiàn)一個與它不兼容的新規(guī)范，對于技術發(fā)展來說未必是一件好事。

4.1.3藍牙技術的特點及應用

（1）藍牙技術的特點

無線通信產(chǎn)品要能方便、快速地普及，那么它的通信頻率在全球各國統(tǒng)一開放的頻段上，該頻段的產(chǎn)品無須事先申請和繳納頻率使用費。藍牙技術將符合這個條件，它的工作頻率在國際開放的ISM2.4GHz上。為了避免相同頻率電子設備之間的干擾，藍牙技術采用了調(diào)頻擴展技術。

藍牙技術在協(xié)議設計之初就確定了芯片輕、薄、小的特點。以典型的愛立信藍牙芯片為例，它的體積只有10．2mm×14mlTl×16ram，發(fā)射功率控制在1mW，作用距離可以達到10m，可以嵌入在各種設備之中。芯片價格長期目標是控制在5美元以內(nèi)。由于藍牙的功耗很小，因此在設計藍牙耳機的時候，不太考慮散熱的問題。

（2）藍牙技術的應用

正是因為藍牙技術有十分突出的特點，所以可以應用于幾乎所有的電子設備，例如移動電話、藍牙耳機、筆記本計算機的鼠標、打印機、投影儀、數(shù)字相機、門禁系統(tǒng)、遙控開關、各種家用電器等。

藍牙技術除了可以實現(xiàn)點-點通信，還支持點-多點通信。利用藍牙技術可以在10m范圍內(nèi)實現(xiàn)7個活動藍牙設備，以及最多255個處于待機藍牙設備組成一個無線個人區(qū)域網(wǎng)絡。因此，業(yè)界有一種說法，即開發(fā)藍牙產(chǎn)品，更需要的是想象力和創(chuàng)造力。

4.2無線個人區(qū)域網(wǎng)與協(xié)議

隨著手機、便攜式計算機和移動辦公設備的廣泛應用，人們逐漸提出自身附近幾米范圍內(nèi)的個人操作空間（PersonalOperatingSpace，POS）設備聯(lián)網(wǎng)的需求。個人區(qū)域網(wǎng)絡（PersonalAreaNetwork，PAN）與無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）在這個背景下出現(xiàn)。

IEEE802.15工作組致力于個人區(qū)域網(wǎng)的標準化工作，它的任務組TG4制定IEEE802.15.4標準，主要考慮低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（Low-RateWPAN，LR-WPAN）應用問題。2003年，IEEE批準了LR-WPAN標準——IEEE802.15.4。它為近距離范圍內(nèi)不同設備之間低速互連提供統(tǒng)一標準。

與WLAN相比，LR-WPAN只需很少的基礎設施，甚至不需要基礎設施。LR-WPAN的特征與無線傳感器網(wǎng)絡有很多相似之處，很多研究機構(gòu)也將它作為無線傳感器網(wǎng)絡的通信標準。

4.3ZigBee技術的特點

ZigBee是一種面向自動控制的低速、低功耗、低價格的無線網(wǎng)絡技術。ZigBee的通信速率要求低于藍牙，但要求由電池供電，在不更換電池情況下工作幾個月，甚至幾年。同時，ZigBee網(wǎng)絡的結(jié)點數(shù)量、覆蓋規(guī)模比由藍牙技術支持的網(wǎng)絡大得多。ZigBee無線設備工作在公共頻道，在2.4GHz時傳輸速率為250kbps，在915Mbps時傳輸速率為40kbps。ZigBee的傳輸距離為10～75m。

ZigBee適應于數(shù)據(jù)采集與控制的點多、數(shù)據(jù)傳輸量不大、覆蓋面廣、造價低的應用領域，在家庭網(wǎng)絡、安全監(jiān)控、醫(yī)療保健、工業(yè)控制、無線定位等方面展現(xiàn)了重要的應用前景。

ZigBee技術的特點主要表現(xiàn)在：

1）ZigBee網(wǎng)絡結(jié)點工作周期短、收發(fā)數(shù)據(jù)量小，不傳輸數(shù)據(jù)時處于“睡眠狀態(tài)”。傳輸數(shù)據(jù)時由擔任“協(xié)調(diào)器”的結(jié)點喚醒。采取這種工作模式的優(yōu)點是節(jié)省電能，延長網(wǎng)絡工作對間。

2）ZigBee采用碰撞避免機制并為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留專用時間片，以避免發(fā)送數(shù)據(jù)的沖突。由于在MAC層采用確認機制，保證結(jié)點之間通信的可靠性。

3）ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)協(xié)議的專用芯片價格低廉，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)力求簡單，從而降低系統(tǒng)的造價。通信模塊芯片價格預期可以降到1.5～2.5美元。

4）ZigBee標準與藍牙標準的延時參數(shù)相比，ZigBee結(jié)點的休眠／工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要15ms，入網(wǎng)時間需要30ms，而藍牙結(jié)點的入網(wǎng)時間需要3～10s。

5）1個ZigBee網(wǎng)絡最多容納1個主結(jié)點和254個從結(jié)點，1個區(qū)域中可以有100個ZigBee網(wǎng)絡。

6）ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查與加密算法，以保障網(wǎng)絡的安全。

基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡已成為產(chǎn)業(yè)界十分關注的一個研究方向。

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