無線個人域網(wǎng)絡與無線傳感/控制網(wǎng)絡

圖 1 WDSCN的一個應用例子

圖2 一對 802.15.4 發(fā)射/接收機

圖 3 簇-樹狀網(wǎng)絡

圖4 星狀拓撲結構

圖 5 點對點拓撲結構

近幾年來，無線個人域網(wǎng)絡 (WPAN)和無線局域網(wǎng)(WLAN) 技術已經(jīng)迅速發(fā)展成為計算機網(wǎng)絡中一個至關重要的組成部分，同時也是第四代(4G)無線通信和控制中的主流技術之一，并可以為第二代、第三代移動通信的各種空中接口提供無縫漫游連接。目前，WPAN與 WLAN已經(jīng)成為可與3G技術競爭但又互補的無線網(wǎng)絡。
與有線網(wǎng)絡相比，無線網(wǎng)絡的安裝和維護費用低；與不采用國際標準的無線網(wǎng)絡相比，WPAN與WLAN易于迅速推廣；與適用于遠距離的2G、2.5G和3G技術相比，WPAN與WLAN的研制開發(fā)和運作費用非常低；與高速、高功率的WLAN相比，WPAN的造價低得多，功耗小得多。
WLAN和WPAN的一項重要特性就是用戶自己可以進行安裝，并可以隨心所欲地選擇所要安裝的場所，而且這些無線網(wǎng)絡的構建成本目前也相當具有市場吸引力。

無線傳感/控制網(wǎng)絡(WDSCN)
盡管無線個人域網(wǎng)技術和產品的開發(fā)仍然處于初期階段，但其應用領域已經(jīng)在飛速地擴大。無線分布式傳感/控制網(wǎng)絡 (WDSCN)是WPAN在自動控制領域中的應用之一。WDSCN主要是為一個或一組機器與機器間的通信與控制(M2M)而設計的, 可以應用于傳感器(收集數(shù)據(jù))和控制器(執(zhí)行命令)上。
圖1是WPAN和WDSCN的一個應用實例。圖中所示為溫度/煙霧傳感器、燈泡、交流電控制開關和手提電腦等。假使在您的居室內配備一個WDSCN，就可以在這些裝置間進行無線通訊。不同傳感器(煙霧、濕度、溫度)的數(shù)據(jù)能夠通過手提電腦來采集，同時所有的電控開關、燈泡和空調都能由手提電腦直接控制。特別是通過空調和家庭溫度計間的通信，可以使空調智能化，自動調節(jié)室內的溫度。
這些WDSCN技術適用于所有需要可移動或不易進行布線的領域，尤其適用于那些需要在客戶面前當場通過電子交互式系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理的工作環(huán)境，如自動控制、零售業(yè)、醫(yī)療、房地產、服務性行業(yè)、公共事業(yè)、現(xiàn)場工作、自動銷售以及城市里的熱點地區(qū)，如會場等。在未來的10年中, WDSCN技術將被廣泛應用于制造業(yè)的工廠、變電站、石油和天然氣管線以及供水系統(tǒng), 甚至是我們的家庭。這種新型的無線網(wǎng)絡很可能會部分地代替昂貴的有線控制網(wǎng)絡。

WPAN 和 無線傳感/控制
網(wǎng)絡的關鍵技術
WPAN和WDSCN 的獨特性在于它的網(wǎng)絡理念是采用以個人為主的計算機通信。這就意味著用戶和用戶之間可以通過一個沒有中央服務的網(wǎng)絡來進行相互通信。該網(wǎng)絡的特點在于其動態(tài)拓撲結構和節(jié)點的移動性。該網(wǎng)絡的優(yōu)點是可以按需設置、容錯性好，可以無限制連接。一個裝置可做為主端，而另一個則為附端。
然而，WPAN和WDSCN也將面臨著下面的挑戰(zhàn)：
● 互通性；
● 與藍牙、家庭射頻裝置、和
IEEE 802.x之間的兼容；
● 對多媒體應用的支持等；
為了滿足上述要求，美國和歐洲相關行業(yè)要求IEEE訂立一條新標準：802.15.x 。在該標準組中專門為低數(shù)據(jù)率和低能耗下設了802.15.4標準組。
下面我們將介紹WPAN和WDSCN在互通性方面的詳細技術。
無線系統(tǒng)微接收器
WPAN或WDSCN國際標準中關鍵的技術是一個特殊的微電子無線發(fā)射/接收機，這種發(fā)射/接收機的特點是造價極低、功耗極小、可用于人與機器以及機器與機器間的通信，特別適用于個人空間內各類傳感器的智能控制。
IEEE 802.15.4標準對其微電子無線發(fā)射/接收機提供了詳細的需求，如表1所示。從表中的數(shù)據(jù)可見，802.15.4在美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)規(guī)定的工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)頻段中能在同一區(qū)域內使多達16個的無線發(fā)射/接收機同時工作；其傳輸數(shù)據(jù)速率為250k比特/秒，與3G手機的傳輸速率相當；發(fā)射機功率1毫瓦，是GSM手機最低功率的1/800； 發(fā)射機在99.9%的時間內處于待機狀態(tài)，在1000分鐘里只有一分鐘發(fā)射機開機工作，這意味著只裝一粒鈕扣電池就可以使一個802.15.4發(fā)射/接收機工作一年甚至更長時間！
圖2 描述了無線發(fā)射/接收機的系統(tǒng)結構和系統(tǒng)中的主要部分。
網(wǎng)絡協(xié)議技術
根據(jù)前一部分中所提及的WPAN和WDSCN網(wǎng)絡的特性，IEEE 802.15.4標準包含以下要求：
可升級 卓越的網(wǎng)絡能力，可對多達254個網(wǎng)絡設備進行動態(tài)設備尋址。
適應性 與現(xiàn)有控制網(wǎng)絡標準無縫集成。通過網(wǎng)絡協(xié)調器自動建立網(wǎng)絡，采用CSMA-CA方式進行信道存取。
可靠性 為傳遞可靠提供全握手協(xié)議。
根據(jù)網(wǎng)絡要求和感應器分布的狀況，簇-樹狀網(wǎng)絡是WPAN和WDSCN中比較理想的一種網(wǎng)絡結構，如圖3所示。
簇-樹狀網(wǎng)絡有兩種類型設備：設計設備和網(wǎng)絡設備，其中設計設備是作為簇-樹狀網(wǎng)絡內PAN的協(xié)調器。管理簇-樹狀網(wǎng)絡，需要使用如下兩種網(wǎng)絡拓撲結構：
● 星狀拓撲 一個協(xié)調器和多個網(wǎng)絡設備，如圖4所示；
● 點對點拓撲 僅一項網(wǎng)絡設備，如圖5所示。

機遇與挑戰(zhàn) 中國的無線
傳感/控制網(wǎng)絡
通過上述介紹，可以預測到WPAN和WDSCN的市場是很大的。幾乎在所有的地方都可以發(fā)掘到他們的應用空間。根據(jù)市場分析，到2008年其全球市場銷售額預測可以超過50億美元。
面對這些充滿吸引力的市場，通信和控制界的巨頭們如摩托羅拉公司、菲利浦公司和Easton公司加緊了對WPAN和WDSCN開發(fā)的步伐。然而，為了獲得更多的市場份額和利潤，他們僅希望在發(fā)展中國家來銷售該項產品而不是在技術方面進行合作。
在過去的15年內，無線通信發(fā)展勢頭強勁，一些中國企業(yè)和客戶已經(jīng)在該領域具備了豐富的產品以及相關應用的經(jīng)驗。WPAN和WDSCN作為可以由客戶自行控制的網(wǎng)絡，也將在不遠的將來具有更廣闊的市場空間。
目前，在中國開發(fā)這兩項技術所面臨的挑戰(zhàn)在于他們是最新的尖端技術。對于技術開發(fā)來說，我們不僅僅是開發(fā)WPAN/WDSCN產品的應用，而且應該包括對技術的獨立操作和開發(fā)。
目前赫立訊公司和其合作伙伴—美國的Helicomm公司，與北京航空航天大學合作，開始對WPAN/WDSCN技術進行研究與開發(fā)。主要研究開發(fā)無線局域網(wǎng)和無線個人網(wǎng)產品，并旨在提供具有創(chuàng)新性的、可靠的無線控制和傳感器網(wǎng)絡解決方案。赫立訊公司的目標是研究開發(fā)世界一流的802.15.4微電子發(fā)射/接收機，并將WPAN/WSDCN網(wǎng)絡引進到中國的工業(yè)與家庭自動化領域，這將有助于使中國工業(yè)在基于IEEE 802.15.4的產品、技術和國際市場中成為領導者。
目前合作研發(fā)小組已經(jīng)研究開發(fā)了世界級的802.15.4微電子無線發(fā)射/接收機模塊，并正在以下的WPAN/WDSCN技術領域繼續(xù)研發(fā)工作：
1. 不斷按照最新的標準草案，修改Helicomm和北航 的無線TX/RX模塊。
2. 研究開發(fā)WPAN/WDSCN 網(wǎng)橋硬件接口以及中間件軟件，在廣泛的國際互聯(lián)網(wǎng)、蜂窩無線網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡之間提供無縫集成和互操作性。
3. 為WPAN/WDSCN網(wǎng)絡安全研發(fā)獨特的軟件和硬件。

結語
可以想象一下，2010年時的網(wǎng)絡設施，各種無線通信系統(tǒng)將象現(xiàn)在的有線通信系統(tǒng)一樣流行，消費者在任何時間、任何地點都可以根據(jù)其需要使用這些網(wǎng)絡。3G系統(tǒng)將在公眾移動通信系統(tǒng)中發(fā)揮其遠距離的長處，無線局域網(wǎng)(WLAN)將在局部范圍的移動通信中起主要作用，作為短距離無線通信系統(tǒng)，無線個人域網(wǎng)(WPAN和WSDCN)將覆蓋個人空間中各種傳感器之間及與人與人之間的通信。這些個人網(wǎng)絡將以人和機器為中心，在人與個人計算機、PDA及各種移動終端、傳感器或通信設備之間建立了一個短距離的、安全的通信網(wǎng)絡?！?BR>