無線個人域網(wǎng)絡(luò)與無線傳感/控制網(wǎng)絡(luò)

圖 1 WDSCN的一個應(yīng)用例子

圖2 一對 802.15.4 發(fā)射/接收機(jī)

圖 3 簇-樹狀網(wǎng)絡(luò)

圖4 星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖 5 點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

近幾年來，無線個人域網(wǎng)絡(luò) (WPAN)和無線局域網(wǎng)(WLAN) 技術(shù)已經(jīng)迅速發(fā)展成為計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中一個至關(guān)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(shù)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(shù)競爭但又互補(bǔ)的無線網(wǎng)絡(luò)。
與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)的安裝和維護(hù)費(fèi)用低；與不采用國際標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，WPAN與WLAN易于迅速推廣；與適用于遠(yuǎn)距離的2G、2.5G和3G技術(shù)相比，WPAN與WLAN的研制開發(fā)和運(yùn)作費(fèi)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(jìn)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(luò)的構(gòu)建成本目前也相當(dāng)具有市場吸引力。

無線傳感/控制網(wǎng)絡(luò)(WDSCN)
盡管無線個人域網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)仍然處于初期階段，但其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)在飛速地擴(kuò)大。無線分布式傳感/控制網(wǎng)絡(luò) (WDSCN)是WPAN在自動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用之一。WDSCN主要是為一個或一組機(jī)器與機(jī)器間的通信與控制(M2M)而設(shè)計的, 可以應(yīng)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(yīng)用實(shí)例。圖中所示為溫度/煙霧傳感器、燈泡、交流電控制開關(guān)和手提電腦等。假使在您的居室內(nèi)配備一個WDSCN，就可以在這些裝置間進(jìn)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(guān)、燈泡和空調(diào)都能由手提電腦直接控制。特別是通過空調(diào)和家庭溫度計間的通信，可以使空調(diào)智能化，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度。
這些WDSCN技術(shù)適用于所有需要可移動或不易進(jìn)行布線的領(lǐng)域，尤其適用于那些需要在客戶面前當(dāng)場通過電子交互式系統(tǒng)進(jìn)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(chǎn)、服務(wù)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(diǎn)地區(qū)，如會場等。在未來的10年中, WDSCN技術(shù)將被廣泛應(yīng)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(luò)很可能會部分地代替昂貴的有線控制網(wǎng)絡(luò)。

WPAN 和 無線傳感/控制
網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)
WPAN和WDSCN 的獨(dú)特性在于它的網(wǎng)絡(luò)理念是采用以個人為主的計算機(jī)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(wù)的網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行相互通信。該網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)在于其動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)的移動性。該網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是可以按需設(shè)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(lán)牙、家庭射頻裝置、和
IEEE 802.x之間的兼容；
● 對多媒體應(yīng)用的支持等；
為了滿足上述要求，美國和歐洲相關(guān)行業(yè)要求IEEE訂立一條新標(biāo)準(zhǔn)：802.15.x 。在該標(biāo)準(zhǔn)組中專門為低數(shù)據(jù)率和低能耗下設(shè)了802.15.4標(biāo)準(zhǔn)組。
下面我們將介紹WPAN和WDSCN在互通性方面的詳細(xì)技術(shù)。
無線系統(tǒng)微接收器
WPAN或WDSCN國際標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)鍵的技術(shù)是一個特殊的微電子無線發(fā)射/接收機(jī)，這種發(fā)射/接收機(jī)的特點(diǎn)是造價極低、功耗極小、可用于人與機(jī)器以及機(jī)器與機(jī)器間的通信，特別適用于個人空間內(nèi)各類傳感器的智能控制。
IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)對其微電子無線發(fā)射/接收機(jī)提供了詳細(xì)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(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段中能在同一區(qū)域內(nèi)使多達(dá)16個的無線發(fā)射/接收機(jī)同時工作；其傳輸數(shù)據(jù)速率為250k比特/秒，與3G手機(jī)的傳輸速率相當(dāng)；發(fā)射機(jī)功率1毫瓦，是GSM手機(jī)最低功率的1/800； 發(fā)射機(jī)在99.9%的時間內(nèi)處于待機(jī)狀態(tài)，在1000分鐘里只有一分鐘發(fā)射機(jī)開機(jī)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(jī)工作一年甚至更長時間！
圖2 描述了無線發(fā)射/接收機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)中的主要部分。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議技術(shù)
根據(jù)前一部分中所提及的WPAN和WDSCN網(wǎng)絡(luò)的特性，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)包含以下要求：
可升級 卓越的網(wǎng)絡(luò)能力，可對多達(dá)254個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行動態(tài)設(shè)備尋址。
適應(yīng)性 與現(xiàn)有控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA-CA方式進(jìn)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(luò)要求和感應(yīng)器分布的狀況，簇-樹狀網(wǎng)絡(luò)是WPAN和WDSCN中比較理想的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。
簇-樹狀網(wǎng)絡(luò)有兩種類型設(shè)備：設(shè)計設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其中設(shè)計設(shè)備是作為簇-樹狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)PAN的協(xié)調(diào)器。管理簇-樹狀網(wǎng)絡(luò)，需要使用如下兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：
● 星狀拓?fù)? 一個協(xié)調(diào)器和多個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如圖4所示；
● 點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)? 僅一項網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如圖5所示。

機(jī)遇與挑戰(zhàn) 中國的無線
傳感/控制網(wǎng)絡(luò)
通過上述介紹，可以預(yù)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(yīng)用空間。根據(jù)市場分析，到2008年其全球市場銷售額預(yù)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?nèi)缒ν辛_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(chǎn)品而不是在技術(shù)方面進(jìn)行合作。
在過去的15年內(nèi)，無線通信發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，一些中國企業(yè)和客戶已經(jīng)在該領(lǐng)域具備了豐富的產(chǎn)品以及相關(guān)應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。WPAN和WDSCN作為可以由客戶自行控制的網(wǎng)絡(luò)，也將在不遠(yuǎn)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(shù)所面臨的挑戰(zhàn)在于他們是最新的尖端技術(shù)。對于技術(shù)開發(fā)來說，我們不僅僅是開發(fā)WPAN/WDSCN產(chǎn)品的應(yīng)用，而且應(yīng)該包括對技術(shù)的獨(dú)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(xué)合作，開始對WPAN/WDSCN技術(shù)進(jìn)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(chǎn)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(luò)解決方案。赫立訊公司的目標(biāo)是研究開發(fā)世界一流的802.15.4微電子發(fā)射/接收機(jī)，并將WPAN/WSDCN網(wǎng)絡(luò)引進(jìn)到中國的工業(yè)與家庭自動化領(lǐng)域，這將有助于使中國工業(yè)在基于IEEE 802.15.4的產(chǎn)品、技術(shù)和國際市場中成為領(lǐng)導(dǎo)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(jī)模塊，并正在以下的WPAN/WDSCN技術(shù)領(lǐng)域繼續(xù)研發(fā)工作：
1. 不斷按照最新的標(biāo)準(zhǔn)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(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)之間提供無縫集成和互操作性。
3. 為WPAN/WDSCN網(wǎng)絡(luò)安全研發(fā)獨(dú)特的軟件和硬件。

結(jié)語
可以想象一下，2010年時的網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(fèi)者在任何時間、任何地點(diǎn)都可以根據(jù)其需要使用這些網(wǎng)絡(luò)。3G系統(tǒng)將在公眾移動通信系統(tǒng)中發(fā)揮其遠(yuǎn)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(luò)將以人和機(jī)器為中心，在人與個人計算機(jī)、PDA及各種移動終端、傳感器或通信設(shè)備之間建立了一個短距離的、安全的通信網(wǎng)絡(luò)?！?BR>