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1 概述

本文章比較了電氣電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)中已經(jīng)發(fā)布了的幾種無線標(biāo)準(zhǔn)。它主要從物理層上，解釋了IEEE 802.11, 802.15.1, 802.15.4和802.15.6 無線標(biāo)準(zhǔn)之間的不同點(diǎn)和相同點(diǎn)。

2 無線標(biāo)準(zhǔn)

我們這里選擇的無線標(biāo)準(zhǔn)都是已經(jīng)通過了的可用標(biāo)準(zhǔn)。這種解釋不意味著含蓋了所有無線標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樾碌臒o線標(biāo)準(zhǔn)還在不斷地涌現(xiàn)。

2.1 IEEE 802.11 - WLAN/Wi-Fi

無線局域網(wǎng)Wireless LAN (WLAN, 也稱Wi-Fi) 是一種低層、通用型的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。WLAN 標(biāo)準(zhǔn)工作于 2.4 GHz 和5 GHz 的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻段。

IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)，它包含了許多經(jīng)過變化的標(biāo)準(zhǔn)，比如： IEEE 802.11a/b/g/n。WLAN 的應(yīng)用我們是有目共睹，在公共基礎(chǔ)設(shè)施中，如：飛機(jī)場、辦公樓、咖啡店、快餐店、家庭、購物中心、娛樂中心等無處不在，到處都可以看到人們用電腦通過它接入互聯(lián)網(wǎng)。

2.2 IEEE 802.15.1 – 藍(lán)牙

IEEE 802.15.1 標(biāo)準(zhǔn)是基于藍(lán)牙無線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙是一種低層、特定、通用的短距離通信無線標(biāo)準(zhǔn)。它是為小巧且價(jià)格低廉設(shè)備而設(shè)計(jì)的低功耗的標(biāo)準(zhǔn)。這種技術(shù)按距離可把設(shè)備分為了三類：1類, 2類和3類，它們的距離分別是：100米，10米和1米。藍(lán)牙和WLAN一樣，同樣工作于 2.4 GHz 頻段，但兩種技術(shù)使用了不同的信號(hào)發(fā)送方法，用來防止信號(hào)間的相互關(guān)涉。

2.3 IEEE 802.15.4 - ZigBee

ZigBee 是一種底層、特定、通用的類似于藍(lán)牙的無線標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)被公認(rèn)為ZigBee，但ZigBee又在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上加入了一些特性。它工作于868 MHz，915 MHz和2.4 GHz ISM頻段。

2.4 IEEE 802.15.6

IEEE 802.15.6 是一種應(yīng)用于醫(yī)療環(huán)境的人體局域網(wǎng)（BAN）標(biāo)準(zhǔn)。主要用于實(shí)時(shí)地連續(xù)監(jiān)測病人的身體特征。無線監(jiān)測大量病人的生理學(xué)信號(hào)是當(dāng)前醫(yī)療中的一項(xiàng)具體需求，目標(biāo)是為了在衛(wèi)生保健系統(tǒng)實(shí)施一個(gè)完全的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這樣的應(yīng)用要面對(duì)來自軟件和硬件設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。比如一些應(yīng)用要求：通信必須可靠，消除來自病人之間的信號(hào)沖突，防止來自外界無線設(shè)備帶來的干擾，低價(jià)，低功耗，提供病人可能隨時(shí)需要位置變化的靈活性。

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3 工作模式

無線網(wǎng)絡(luò)有兩種獨(dú)特的工作模式：基礎(chǔ)型與特別型?；A(chǔ)型無線網(wǎng)絡(luò)通常有一些基站（在802.11標(biāo)準(zhǔn)中也稱之為訪問點(diǎn)AP），它們做為中心節(jié)點(diǎn)，然后連接其他無線終端?；就ǔＬ峁┝伺c因特網(wǎng)、內(nèi)部網(wǎng)或者其他無線網(wǎng)絡(luò)的連接。在大多數(shù)情況下，基站有著一個(gè)固定的位置，但也有某些基站是移動(dòng)著的?；A(chǔ)型網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)是：因?yàn)榛咀鰹橹行狞c(diǎn)，如果這個(gè)點(diǎn)停止工作，那么無線終端之間就不能進(jìn)行相互通信。

特別型（Ad hoc）網(wǎng)絡(luò)能夠形成一種“騰空”的狀態(tài)，即可以在沒有一個(gè)基站的情況下實(shí)現(xiàn)通信。自我組織是構(gòu)成特別型網(wǎng)絡(luò)的特色，因?yàn)檫@里沒有中心節(jié)點(diǎn)發(fā)起通話。在特別型網(wǎng)絡(luò)中，無線終端可以與網(wǎng)絡(luò)中的其他終端直接通信，而基礎(chǔ)型網(wǎng)絡(luò)是通過基站傳遞這些信息。

不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)這兩種運(yùn)行模式的支持，有著不同的能力。表1 給出了不同標(biāo)準(zhǔn)支持不同模式的概要。

表1：不同無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的不同運(yùn)行模式

4 介質(zhì)訪問

為了實(shí)現(xiàn)雙向無線通信，通信協(xié)議詳細(xì)描述了無線終端是怎樣建立起介質(zhì)訪問的。802.11標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)說明了一種稱之為介質(zhì)偵聽、多路訪問和沖突避免的方法（CSMA/CA）。介質(zhì)偵聽、多路訪問和沖突檢測（CSMA/CD）已經(jīng)用于有線的以太網(wǎng)當(dāng)中，而無線的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議就是CSMA/CA。CSMA/CA技術(shù)允許完成無線傳送而沒有來自其他終端的打擾。

當(dāng)使用CSMA/CA時(shí)，一部分的數(shù)據(jù)速率丟失在這個(gè)協(xié)議的報(bào)頭部分。如果通信是單向的，那么通信通道能夠得到很好的利用，因?yàn)樵唇K端不用考慮來自其他終端的通信。為了處理隱藏終端的問題，802.11 也可以使用請求發(fā)送、清除發(fā)送（RTS/CTS）信號(hào)，保證用于通信通道的暢通。

5 頻段、數(shù)據(jù)速率和范圍

原先都是按使用頻段、傳送速率和覆蓋范圍來描述標(biāo)準(zhǔn)之間的不同。根據(jù)表2， 802.15.6（BAN）比其他技術(shù)的距離要短很多，但這被證明了是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。通信的距離短對(duì)需要的功率就低，使用設(shè)備的尺寸也更小，頻率復(fù)用的效果也更好。這對(duì)BAN來說是個(gè)好消息，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的初衷就是使它盡可能的不顯眼，可以放在衣服中、貼附或者植入在身體上。

從表中還可以看到，好幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都運(yùn)行在2.4 GHz波段。802.11g是這樣設(shè)計(jì)的，所以它可以與802.11b相兼容，而且使它們能夠共同存在。然而，當(dāng)一個(gè) 802.11g 基站運(yùn)行在802.11b的模式時(shí)，它使所有相連接終端的數(shù)據(jù)速率降低到802.11b的水平。802.15.1也占用2.4 GHz頻段，但使用的是不同的信號(hào)發(fā)送的方法，因此它們之間產(chǎn)生的干擾不不是很嚴(yán)重。關(guān)聯(lián)這兩種標(biāo)準(zhǔn)，我們也想到現(xiàn)在使用的家用電器也共同使用這個(gè)資源，如：微波爐和某些種無繩電話都使用2.4 GHz的頻率波段。

觀察表2發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)現(xiàn)象是：802.11n和其他標(biāo)準(zhǔn)使用相同的頻段，但竟然能使數(shù)據(jù)速率高達(dá)248 Mbps。由于使用了稱之為多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，使得該標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到了更高的數(shù)據(jù)速率和更遠(yuǎn)的距離。MIMO使用多個(gè)發(fā)送和接收天線，并且結(jié)合了特殊編碼技術(shù)，從而在相同的頻率下傳輸更多的數(shù)據(jù)。

注：
1 特定于戶外、少障礙物的環(huán)境。
2 802.11n 設(shè)備使用兩流（四個(gè)天線）的情況。
3 藍(lán)牙2.0版本。
4 藍(lán)牙1類設(shè)備。
表2：不同無線標(biāo)準(zhǔn)的比較

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6 調(diào)制和信號(hào)編碼

為了通過無線介質(zhì)傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行一次把數(shù)字量變成模擬信號(hào)的調(diào)制過程。當(dāng)模擬信號(hào)被接收時(shí)，還需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，還原成二進(jìn)制數(shù)據(jù)。上述標(biāo)準(zhǔn)使用了幾種不同的方法，完成了表面上看上去一樣的任務(wù)。一種標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制技術(shù)通常由標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和應(yīng)用的具體環(huán)境來決定。

在具體使用時(shí)，每種技術(shù)有不同的特性：

       ? 抗干擾（多通道、衰減等）
       ? 功率消耗
       ? 頻譜效率（有效頻率使用）
       ? 硬件復(fù)雜性

表3列出了每種標(biāo)準(zhǔn)使用的調(diào)制方式和編碼方案。要注意的是，不是某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)必須強(qiáng)制使用某個(gè)方案。其中的一些標(biāo)準(zhǔn)可能需要實(shí)現(xiàn)互操作，而其他標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)使用的修訂標(biāo)準(zhǔn)來選擇。每種技術(shù)的全名列于下表。

要注意802.11n現(xiàn)在為草案標(biāo)準(zhǔn)，還不是完全成熟的標(biāo)準(zhǔn)，所以在正式發(fā)布時(shí)，一些細(xì)節(jié)可能會(huì)有所變動(dòng)。

所有不同的技術(shù)列于表3，更加通用的分類方法見表4，使得讀者更容易地觀看。在表4中，我們能夠看到所有無線標(biāo)準(zhǔn)幾乎都使用PSK方案，除了新的802.11n 標(biāo)準(zhǔn)，它采用是QAM和阿拉莫第（Alamouti）STBC。

表3：用于無線標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制和編碼技術(shù)

表4：調(diào)制和編碼技術(shù)簡化表

大多數(shù)調(diào)制和編碼方案具有長長的名字，因此它們被縮寫成表3。下面列出的是每種方案的完整名字。

      ? 相移鍵控（PSK）
         – 二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）
         – 正交相移鍵控（QPSK）
         – 偏移正交相移鍵控（OQPSK）
         – 差分相移鍵控（DPSK）
              * 8相差分相移鍵控（8DPSK）
              * 差分二進(jìn)制相移鍵控（DBPSK）
              *差分正交相移鍵控（DQPSK）
              *p/4 循環(huán)差分正交相移鍵控（p/4-DQPSK）
              *頻移鍵控（FSK）
         – 高斯頻移鍵控（GFSK）
      ? 幅移鍵控（ASK）
      ? 正交幅度鍵控（QAM）
      ? 互補(bǔ)碼鍵控（CCK）
      ? 阿拉莫第時(shí)空塊碼（STBC）
      ? 正交頻分復(fù)用（OFDM）
      ? 擴(kuò)頻（SS）
         –直序擴(kuò)頻（DSSS）
         –并序擴(kuò)頻（PSSS）
         –適頻跳擴(kuò)頻（AFH）

802.11 a/g/n 使用了64-QAM編制6個(gè)數(shù)據(jù)位到每個(gè)傳送符號(hào)的方案，這被稱為“高次調(diào)制”。當(dāng)結(jié)合了OFDM時(shí)，它提高了高頻段的效率。使用64-QAM的缺點(diǎn)是：在接收器解調(diào)信號(hào)時(shí)，比使用BPSK和QPSK兼容系統(tǒng)需要一個(gè)更高的信躁比（SNR）。這意味著在通常情況下，高次調(diào)制需要高的傳送功率，以達(dá)到與低次調(diào)制，如：BPSK和QPSK相同的位錯(cuò)率（BER）。在802.15.4中BPSK和OQPSK（類似于QPSK）的使用，反映了這樣一個(gè)事實(shí)，就像802.15.4的設(shè)計(jì)目標(biāo)，制造更低功耗的設(shè)備，使需要的能源消耗達(dá)到最低。

本文使用了大約30個(gè)縮寫技術(shù)名詞，覆蓋了物理層的大部分內(nèi)容，如果從這個(gè)事實(shí)發(fā)覺了無線標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性，那么你是非常正確的。如果還想了解這些調(diào)制和編碼技術(shù)的詳細(xì)說明，還要查看更多的相關(guān)技術(shù)資料。

（轉(zhuǎn)載）

幾種無線標(biāo)準(zhǔn)的比較