無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)絡(luò )與無(wú)線(xiàn)傳感/控制網(wǎng)絡(luò )

圖 1 WDSCN的一個(gè)應用例子

圖2 一對 802.15.4 發(fā)射/接收機

圖 3 簇-樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )

圖4 星狀拓撲結構

圖 5 點(diǎn)對點(diǎn)拓撲結構

近幾年來(lái)，無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)絡(luò ) (WPAN)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN) 技術(shù)已經(jīng)迅速發(fā)展成為計算機網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)至關(guān)重要的組成部分，同時(shí)也是第四代(4G)無(wú)線(xiàn)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(dòng)通信的各種空中接口提供無(wú)縫漫游連接。目前，WPAN與 WLAN已經(jīng)成為可與3G技術(shù)競爭但又互補的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。
與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相比，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的安裝和維護費用低；與不采用國際標準的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(shù)相比，WPAN與WLAN的研制開(kāi)發(fā)和運作費用非常低；與高速、高功率的WLAN相比，WPAN的造價(jià)低得多，功耗小得多。
WLAN和WPAN的一項重要特性就是用戶(hù)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(chǎng)所，而且這些無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的構建成本目前也相當具有市場(chǎng)吸引力。

無(wú)線(xiàn)傳感/控制網(wǎng)絡(luò )(WDSCN)
盡管無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)仍然處于初期階段，但其應用領(lǐng)域已經(jīng)在飛速地擴大。無(wú)線(xiàn)分布式傳感/控制網(wǎng)絡(luò ) (WDSCN)是WPAN在自動(dòng)控制領(lǐng)域中的應用之一。WDSCN主要是為一個(gè)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(收集數據)和控制器(執行命令)上。
圖1是WPAN和WDSCN的一個(gè)應用實(shí)例。圖中所示為溫度/煙霧傳感器、燈泡、交流電控制開(kāi)關(guān)和手提電腦等。假使在您的居室內配備一個(gè)WDSCN，就可以在這些裝置間進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通訊。不同傳感器(煙霧、濕度、溫度)的數據能夠通過(guò)手提電腦來(lái)采集，同時(shí)所有的電控開(kāi)關(guān)、燈泡和空調都能由手提電腦直接控制。特別是通過(guò)空調和家庭溫度計間的通信，可以使空調智能化，自動(dòng)調節室內的溫度。
這些WDSCN技術(shù)適用于所有需要可移動(dòng)或不易進(jìn)行布線(xiàn)的領(lǐng)域，尤其適用于那些需要在客戶(hù)面前當場(chǎng)通過(guò)電子交互式系統進(jìn)行數據處理的工作環(huán)境，如自動(dòng)控制、零售業(yè)、醫療、房地產(chǎn)、服務(wù)性行業(yè)、公共事業(yè)、現場(chǎng)工作、自動(dòng)銷(xiāo)售以及城市里的熱點(diǎn)地區，如會(huì )場(chǎng)等。在未來(lái)的10年中, WDSCN技術(shù)將被廣泛應用于制造業(yè)的工廠(chǎng)、變電站、石油和天然氣管線(xiàn)以及供水系統, 甚至是我們的家庭。這種新型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )很可能會(huì )部分地代替昂貴的有線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )。

WPAN 和 無(wú)線(xiàn)傳感/控制
網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵技術(shù)
WPAN和WDSCN 的獨特性在于它的網(wǎng)絡(luò )理念是采用以個(gè)人為主的計算機通信。這就意味著(zhù)用戶(hù)和用戶(hù)之間可以通過(guò)一個(gè)沒(méi)有中央服務(wù)的網(wǎng)絡(luò )來(lái)進(jìn)行相互通信。該網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)在于其動(dòng)態(tài)拓撲結構和節點(diǎn)的移動(dòng)性。該網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)是可以按需設置、容錯性好，可以無(wú)限制連接。一個(gè)裝置可做為主端，而另一個(gè)則為附端。
然而，WPAN和WDSCN也將面臨著(zhù)下面的挑戰：
● 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(mǎn)足上述要求，美國和歐洲相關(guān)行業(yè)要求IEEE訂立一條新標準：802.15.x 。在該標準組中專(zhuān)門(mén)為低數據率和低能耗下設了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(shù)。
無(wú)線(xiàn)系統微接收器
WPAN或WDSCN國際標準中關(guān)鍵的技術(shù)是一個(gè)特殊的微電子無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收機，這種發(fā)射/接收機的特點(diǎn)是造價(jià)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(gè)人空間內各類(lèi)傳感器的智能控制。
IEEE 802.15.4標準對其微電子無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收機提供了詳細的需求，如表1所示。從表中的數據可見(jiàn)，802.15.4在美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)規定的工業(yè)、科學(xué)和醫療(ISM)頻段中能在同一區域內使多達16個(gè)的無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收機同時(shí)工作；其傳輸數據速率為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(shí)間內處于待機狀態(tài)，在1000分鐘里只有一分鐘發(fā)射機開(kāi)機工作，這意味著(zhù)只裝一粒鈕扣電池就可以使一個(gè)802.15.4發(fā)射/接收機工作一年甚至更長(cháng)時(shí)間！
圖2 描述了無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收機的系統結構和系統中的主要部分。
網(wǎng)絡(luò )協(xié)議技術(shù)
根據前一部分中所提及的WPAN和WDSCN網(wǎng)絡(luò )的特性，IEEE 802.15.4標準包含以下要求：
可升級 卓越的網(wǎng)絡(luò )能力，可對多達254個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備進(jìn)行動(dòng)態(tài)設備尋址。
適應性 與現有控制網(wǎng)絡(luò )標準無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器自動(dòng)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。
根據網(wǎng)絡(luò )要求和感應器分布的狀況，簇-樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )是WPAN和WDSCN中比較理想的一種網(wǎng)絡(luò )結構，如圖3所示。
簇-樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )有兩種類(lèi)型設備：設計設備和網(wǎng)絡(luò )設備，其中設計設備是作為簇-樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )內PAN的協(xié)調器。管理簇-樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )，需要使用如下兩種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構：
● 星狀拓撲 一個(gè)協(xié)調器和多個(gè)網(wǎng)絡(luò )設備，如圖4所示；
● 點(diǎn)對點(diǎn)拓撲 僅一項網(wǎng)絡(luò )設備，如圖5所示。

機遇與挑戰 中國的無(wú)線(xiàn)
傳感/控制網(wǎng)絡(luò )
通過(guò)上述介紹，可以預測到WPAN和WDSCN的市場(chǎng)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。根據市場(chǎng)分析，到2008年其全球市場(chǎng)銷(xiāo)售額預測可以超過(guò)50億美元。
面對這些充滿(mǎn)吸引力的市場(chǎng)，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(kāi)發(fā)的步伐。然而，為了獲得更多的市場(chǎng)份額和利潤，他們僅希望在發(fā)展中國家來(lái)銷(xiāo)售該項產(chǎn)品而不是在技術(shù)方面進(jìn)行合作。
在過(guò)去的15年內，無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展勢頭強勁，一些中國企業(yè)和客戶(hù)已經(jīng)在該領(lǐng)域具備了豐富的產(chǎn)品以及相關(guān)應用的經(jīng)驗。WPAN和WDSCN作為可以由客戶(hù)自行控制的網(wǎng)絡(luò )，也將在不遠的將來(lái)具有更廣闊的市場(chǎng)空間。
目前，在中國開(kāi)發(fā)這兩項技術(shù)所面臨的挑戰在于他們是最新的尖端技術(shù)。對于技術(shù)開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，我們不僅僅是開(kāi)發(fā)WPAN/WDSCN產(chǎn)品的應用，而且應該包括對技術(shù)的獨立操作和開(kāi)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(kāi)始對WPAN/WDSCN技術(shù)進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。主要研究開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)產(chǎn)品，并旨在提供具有創(chuàng )新性的、可靠的無(wú)線(xiàn)控制和傳感器網(wǎng)絡(luò )解決方案。赫立訊公司的目標是研究開(kāi)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(luò )引進(jìn)到中國的工業(yè)與家庭自動(dòng)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(chǎng)中成為領(lǐng)導者。
目前合作研發(fā)小組已經(jīng)研究開(kāi)發(fā)了世界級的802.15.4微電子無(wú)線(xiàn)發(fā)射/接收機模塊，并正在以下的WPAN/WDSCN技術(shù)領(lǐng)域繼續研發(fā)工作：
1. 不斷按照最新的標準草案，修改Helicomm和北航 的無(wú)線(xiàn)TX/RX模塊。
2. 研究開(kāi)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和控制網(wǎng)絡(luò )之間提供無(wú)縫集成和互操作性。
3. 為WPAN/WDSCN網(wǎng)絡(luò )安全研發(fā)獨特的軟件和硬件。

結語(yǔ)
可以想象一下，2010年時(shí)的網(wǎng)絡(luò )設施，各種無(wú)線(xiàn)通信系統將象現在的有線(xiàn)通信系統一樣流行，消費者在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都可以根據其需要使用這些網(wǎng)絡(luò )。3G系統將在公眾移動(dòng)通信系統中發(fā)揮其遠距離的長(cháng)處，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)將在局部范圍的移動(dòng)通信中起主要作用，作為短距離無(wú)線(xiàn)通信系統，無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)(WPAN和WSDCN)將覆蓋個(gè)人空間中各種傳感器之間及與人與人之間的通信。這些個(gè)人網(wǎng)絡(luò )將以人和機器為中心，在人與個(gè)人計算機、PDA及各種移動(dòng)終端、傳感器或通信設備之間建立了一個(gè)短距離的、安全的通信網(wǎng)絡(luò )?！?BR>