WLAN與藍牙(Bluetooth)技術(shù)發(fā)展

WLAN和Bluetooth簡(jiǎn)介

無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WLAN顧名思義是一種借助無(wú)線(xiàn)技術(shù)取代以往有線(xiàn)布線(xiàn)方式構成局域網(wǎng)的新手段，可提供傳統有線(xiàn)局域網(wǎng)的所有功能，它是計算機網(wǎng)絡(luò )與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合的產(chǎn)物，它為通用無(wú)線(xiàn)接入的一個(gè)子集，它支持較高傳輸速率(2--54Mbit／s，甚至更高)，利用射頻無(wú)線(xiàn)電或紅外線(xiàn)，借助直接序列擴頻(DSSS)或跳頻擴頻(FHSS)、GMSK、OFDM等技術(shù)，甚至將來(lái)的超寬帶傳輸技術(shù)UWBT，實(shí)現固定、半移動(dòng)及移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò )終端對INTERNET網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行較遠距離的高速連接訪(fǎng)問(wèn)。因此，原則上它的目前速率尚較低，主要適用于手機、掌上電腦等小巧移動(dòng)終端。1997年6月，IEEE推出了802.11標準，開(kāi)創(chuàng )了WLAN先河；目前，WLAN領(lǐng)域主要是IEEE802.11x系列與HiperLAN／x系列兩種標準。

藍牙技術(shù)想法是產(chǎn)生于1994年Ericsson推出了解決無(wú)線(xiàn)連線(xiàn)問(wèn)題的技術(shù)開(kāi)發(fā)計劃，產(chǎn)生了推進(jìn)無(wú)線(xiàn)連線(xiàn)與個(gè)人接入的想法。1997年Ericsson、IBM、INTEL，NOKIA及TOSHIBA這5個(gè)世界著(zhù)名的無(wú)線(xiàn)設備及計算機、半導體設備制造公司商議建立一種全球化的無(wú)線(xiàn)通信個(gè)人接入與無(wú)線(xiàn)連線(xiàn)新手段，后定名為“藍牙”(Bluetooth)。1998年5月正式發(fā)起成立了“藍牙特別興趣組織”BSIG(Blueteooth Special Interest Group)，簡(jiǎn)稱(chēng)藍牙SIG。1999年11月美國4家著(zhù)名公司Motorola、Lucent、Microsoft及3Com加盟BSIG，成為BSIG的9個(gè)發(fā)起成員，使藍牙技術(shù)的發(fā)展獲得了更強有力的支持，并顯示出更明朗的前景?，F今，BSIG的參加成員已大于2500個(gè)，其發(fā)展勢頭令人觸目。目前藍牙信道帶寬為1MHz，異步非對稱(chēng)連接最高數據速率723．2kbit／s；連接距離多半為10m左右，甚至為個(gè)人飾物，亦可屬物體域網(wǎng)(WBAN)范疇。藍牙速率亦擬進(jìn)一步增強，新的藍牙標準2．0版擬支持高達10Mbit／s以上速率(4、8及12Mbit／s—20Mbit／s)，估計在2004年以后推出，這是適應未來(lái)愈來(lái)愈多寬帶多媒體業(yè)務(wù)需求的必然演進(jìn)趨勢。

WLAN與Bluetooth技術(shù)特征

藍牙系統的基本特征

藍牙系統結構的基本特征可從下述諸方面獲得理解：(1)網(wǎng)絡(luò )拓撲；(2)交換模式；(3)節能模式；(4)抗干擾性能；(5)鑒權、加密；(6)話(huà)音編碼；(7)軟件結構。

藍牙的軟件體系是一個(gè)獨立的操作系統，不與任何操作系統捆綁；適用于幾種不同商用操作系統的藍牙規范正在完善中。藍牙協(xié)議體系中設計協(xié)議和協(xié)議棧的主要原則為盡可能利用現有各種高層協(xié)議，保證現有協(xié)議與藍牙技術(shù)融合及各種應用之間的互通性，充分利用兼容藍牙技術(shù)規范的軟硬件系統和藍牙技術(shù)規范的開(kāi)放性，便于普遍開(kāi)發(fā)新的應用。

藍牙軟件結構標準包括Core(核心)和Profile(應用協(xié)議棧)兩大部分。Core為藍牙協(xié)議核心，主要定義藍牙的技術(shù)細節，Profile定義相應的實(shí)現協(xié)議棧，這樣即可為全球兼容性奠定基礎。

藍牙標準主要定義的是底層協(xié)議，也定義了一些高層協(xié)議和相關(guān)接口。具體協(xié)議分為4層：核心協(xié)議（藍牙連接管理協(xié)議LMP、藍牙邏輯鏈路控制與適配協(xié)議L2CAP、服務(wù)檢測協(xié)議SDP）、藍牙電纜替代協(xié)議RFCOMM、電話(huà)傳送控制協(xié)議TCB BIN／AT、與Internet應用相關(guān)的一些高層協(xié)議（PPP、UDP／TCP／IP、OBEX／vCard／vCal、IrMC、E—mail、WAP和WAE等）。

對藍牙系統結構基本系統參數及指標要求可歸納如下

工作頻段：ISM頻段2.402GHz—2.480GHz；

雙工方式：TDD；

業(yè)務(wù)類(lèi)別：同時(shí)支持電路交換及分組交換業(yè)務(wù)；

數據標稱(chēng)速率：1Mbit／s；

異步信道速率：非對稱(chēng)連接723.2kbit／s／57.6kbit／s；

對稱(chēng)連接：433.9kbit／s(全雙工模式)；

同步信道速率：64kbit／s(3個(gè)全雙工信道)；

信道間隔：1MHz；

信道數：79；

發(fā)射功率及覆蓋：0dBm(1mW)，1—10m覆蓋，20dBm(100mW)，擴展至1O0m覆蓋；

跳頻頻點(diǎn)數：79個(gè)頻點(diǎn)／MHz(2408+k(MHz)，k=0，1，2……78)；

跳頻速率：1600次／s；

工作模式：Active／Sniff／Hold／Park；

數據連接方式：面向連接業(yè)務(wù)SCO(話(huà)音，電路交換、預留時(shí)隙)、無(wú)連接業(yè)務(wù)ACL(分組數據、分組交換、輪詢(xún))；

糾錯方式：1／3FEC(3bit重復碼)，2/3FEC(截短Hamming碼)，CRC—16，ARQ；

鑒權：反應邏輯算術(shù)方式；

密鑰：以8bits為單位增減，最長(cháng)128bits；

安全機制：鏈路級，認證基于共享鏈路密鑰詢(xún)問(wèn)／響應機制，認證和加密密鑰生成基于SAFER+算法；

話(huà)音編碼方式：CVSD或對數PCM；

網(wǎng)絡(luò )拓撲結構：Ad hoc(無(wú)中心自組織)結構，Piconet及Scatternet；

WLAN的基本特征

(1)較高傳輸速率及較遠連接距離。

WLAN的采用OFDM技術(shù)后的最高傳速率可高達54Mbit／s，遠高于目前藍牙的最高標稱(chēng)數據速率1Mbit／s；并且，IEEE 802.11b WLAN系統終端用戶(hù)共享11Mbit／s速率，而藍牙最高通信速率僅為723.2kbit／s。在通信距離方面，雖然WLAN速率越高距離越短，但一般來(lái)說(shuō)室內連接距離可大于100m，室外可達數百米或者更遠。因此，速率與距離方面，WLAN的優(yōu)勢是明顯的。

(2)較高頻譜利用效率

容易理解，采用OFDM技術(shù)借助多狀態(tài)調制處理的WLAN可取得較高的頻譜利用效率，若進(jìn)一步結合區域覆蓋能力綜合評價(jià)其容量能力與頻譜利用效率則可有下述結果：藍牙系統為30000bit／(s.qm2)，IEEE802.11a系統83000bit／(s.qm2).

(3)較適宜高速I(mǎi)NTERNET連接及高質(zhì)量多媒體傳輸

這是能以較高速率傳輸的必然結果。

WLAN和Bluetooth標準發(fā)展

1、 WLAN標準

1997年6月，IEEE推出了802.11標準，開(kāi)創(chuàng )了WLAN先河；目前，WLAN領(lǐng)域主要是IEEE 802.11x系列與HiperLAN／x系列兩種標準。

a、 IEEE802.11x系列

802.11是1997年IEEE最初制定的一個(gè)WLAN標準。主要用于解決辦公室無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶(hù)與用戶(hù)終端的無(wú)線(xiàn)接入，其業(yè)務(wù)范疇主要限于數據存取，速率最高只能達2Mbit／s。由于它在速率、傳輸距離、安全性、電磁兼容能力及服務(wù)質(zhì)量方面均不盡人意，從而產(chǎn)生了其系列標準；

802.11b，將速率擴充至11Mbit／s，并可在5.5Mbit／s、2Mbit／s及1Mbit／s之間進(jìn)行自動(dòng)速率調整，亦提供了MAC層的訪(fǎng)問(wèn)控制和加密機制，以提供與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相同級別的安全保護，還提供了可選擇的40位及128位的共享密鑰算法，從而成為目前802.11系列的主流產(chǎn)品。而802.11b+還可將速率增強至22Mbit／s；

802.11a，工作于5GHz頻段，借助OFDM技術(shù)，使最高速率提升至54Mbit／s；

802.11g，依然工作于2.4GHz頻段，與802.11b兼容，最高速率亦提升至54Mbit／s，其系列化為1、2、5、5、6、9、11、12、18、24、36、54Mbit／s。

802.11c為MAC／LLC性能增強；801.11d對應802.11b版本，解決那些不能使用2.4GHz頻段國家的使用問(wèn)題；

802.11e則是一個(gè)瞄準擴展服務(wù)質(zhì)量的標準，其分布式控制模式可提供穩定合理的服務(wù)質(zhì)量，而集中控制模式可靈活支持多種服務(wù)質(zhì)量策略；

802.11f用于改善802.11協(xié)議的切換機制，使用戶(hù)能在不同無(wú)線(xiàn)信道或接入設備點(diǎn)間可漫游；

802.11h可用于達到比802.11a更好地控制發(fā)信功率(借助／PC技術(shù))和選擇無(wú)線(xiàn)信道（借助動(dòng)態(tài)頻率選擇技術(shù)DFS），而與802.11e一道可適應歐洲的更嚴格的標準；

802.11i及802.1x主要著(zhù)重于安全性，802.11i能支持鑒權和加密算法的多種框架協(xié)議，支持企業(yè)、公眾及家庭應用，802.1x的核心為具有可擴展認證協(xié)議EAP，可對以太網(wǎng)端口鑒權，擴展至無(wú)線(xiàn)應用；

802.11j的作用是解決802.11a與歐洲HiperLAN／2網(wǎng)絡(luò )的互連互通；

802.11／WNG解決IEEE802.11與歐洲ETSI的BRAN—HiperLAN及日本ARAB--HiSWAN統一建成全球一致的WLAN公共接口；

802.11n已將速率增強至108／320Mbit／s；并已進(jìn)一步改進(jìn)其管理開(kāi)銷(xiāo)及效率802.11／RRM與無(wú)線(xiàn)電資源管理有關(guān)的標準，以增強802.11的性能；

802.11／HT，以進(jìn)一步增強802.11的傳輸能力，取得更高的吞吐量；

802.11Plus，擬制訂802.11WLAN與GPRS／UMTS之類(lèi)多頻、多模運行標準，可有松耦合及緊耦合兩種類(lèi)型。松耦合時(shí)兩種網(wǎng)絡(luò )分別部署，WLAN僅利用GPRS之類(lèi)網(wǎng)絡(luò )的用戶(hù)數據庫，可通過(guò)Mobile IP(MIP)提供兩網(wǎng)絡(luò )間的移動(dòng)性，通過(guò)RADUIS(Remote Access Dail—In User Service，遠程接入撥號用戶(hù)業(yè)務(wù))實(shí)現AAA(Authentication Authorization Accounting，鑒權，授權和計帳)，由于MIP可能導致高傳輸時(shí)延，從而不容易達到無(wú)縫隙會(huì )話(huà)切換；而緊耦合時(shí)，WLAN直接連至業(yè)務(wù)支持節點(diǎn)SGSN或標準化接口Gb、lu等，WLAN數據需經(jīng)_LTGPRS之類(lèi)核心網(wǎng)轉發(fā)，完全按GPRS方式進(jìn)行AAA，此時(shí)，能在兩網(wǎng)絡(luò )間提供很強的移動(dòng)性。為與藍牙在2.4GHz頻段較好共存，亦采用Ad hoc網(wǎng)絡(luò )拓撲結構及自適應跳頻信道分配技術(shù)

b、HiperLAN／x系列

HiperLAN是由ETSI的RESl0工作組提出的歐洲WLAN標準。工作頻段為5.12—5.30GHz及17.1—17.3GHz。早期的HiperLAN／1采用GMSK調制，最高傳輸速率為23.5Mbit／s，與當時(shí)技術(shù)上較成熟的IEEE802.11b相比，無(wú)明顯優(yōu)勢；

HiperLAN／2采用OFDM作物理層手段，可將速率提高至54Mbit／s，并能有效對抗多徑干擾，以及與IEEE 802.11a共享一些相同部件，在較大范圍內取得較好的性能／價(jià)格比。其信道帶寬為22MHz，調制方式亦為OFDM--BPSK／QPSK／16／64QAM，系列化傳輸速率為6、9、12、18、27、36、54Mbit／s。

HiperLAN／2具備另一些長(cháng)處，如其接入點(diǎn)可監視相應無(wú)線(xiàn)信道并自動(dòng)選擇空閑信道，從而進(jìn)行自動(dòng)頻率分配，使系統部署簡(jiǎn)單有效；數據通過(guò)移動(dòng)終端與接入點(diǎn)間建立的信令鏈接進(jìn)行傳輸，此面向鏈接的特征可容易實(shí)現QoS支持；與802.11協(xié)議只能由以太網(wǎng)作為支撐情況有不同，其協(xié)議棧具有很大靈活性，它既可作為交換式以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)接入子網(wǎng)，也可作為3G蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的接入網(wǎng)，而且，這種接入對網(wǎng)絡(luò )層以上用戶(hù)部分來(lái)說(shuō)完全透明，從而目前在固定網(wǎng)絡(luò )上的任何應用均可在HiperLAN／2上運行。

2、Bluetooth技術(shù)標準——IEEE 802.15x及16x系列

藍牙技術(shù)與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WLAN、無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)WMAN、無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)WWAN一道，以藍牙規范1．1版為基礎已納入IEEE802.X.Y系列中，成為WPAN系列標準IEEE802.15x之一，即802.15.1標準。802.15x系列標準將以藍牙速率為基礎，向低速率、高速率、更高速率全面邁進(jìn)。

IEEE802.15.1即相當藍牙技術(shù)標準。

802.15.2解決WPAN與WLAN之間的共存標準。

802.15.3標準作為高速WPAN接入，利用編碼調制技術(shù)，可實(shí)現高達55Mbit／s的高速傳輸，功耗及成本可較低，復雜性亦可比OFDM時(shí)低，可實(shí)現控制QoS的高質(zhì)量聲音、視象多媒體傳輸。工作于2.4GHzlSM頻段，Ad hoc網(wǎng)絡(luò )結構，可由五種調制方式實(shí)現11—55Mbit／s速率傳輸：22Mbit／s時(shí)用編碼OQPSK，用2維8狀態(tài)(2D--8S)TCM QPSK及16／32／64QAM可實(shí)現們，33、44及55Mbit／s的高速傳輸，以滿(mǎn)足藍牙速率能力不足的圖象和視頻多媒體應用需求。

802.15.4標準針對諸如智能證卡，傳感器、節能，安保。家庭自動(dòng)化等低速率WPAN需要，目標是比藍牙更簡(jiǎn)單。低功耗、價(jià)廉、方便靈活的低速率連接。IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照現有標準，高層應用、測試及市場(chǎng)推廣等方面工作將由ZigBee聯(lián)盟負責，由此實(shí)施802.15.4的應用技術(shù)常稱(chēng)為ZigBee。ZigBee聯(lián)盟成立于2002年8月，由英國Inversys公司，日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司及荷蘭菲力浦半導體公司組成，至今已吸引了上百家芯片公司。無(wú)線(xiàn)設備公司和開(kāi)發(fā)商加盟。ZigBee為此技術(shù)的商業(yè)化品牌命名，如上已提及，為象征蜂群(Bee)跳ZigBee(“之”字形)舞蹈方式來(lái)分享新發(fā)現的食物源的位置、距離、方向等信息，表達此繁榮的生存，發(fā)展的新通信方式。而且，802.15.4還吸引了其它標準化組織注意，如IEEEl451工作組正在考慮以此為基礎實(shí)現傳感器網(wǎng)絡(luò )(Sensor Network)。

IEEE802.15.3a目標是提供更高速率物理層增強，UWB即為一種可能的技術(shù)途徑。UWBG(Ultra WideBand Group)工業(yè)集團于1998年成立，至2002年2月其成員包括廠(chǎng)商及大學(xué)在內已超過(guò)540個(gè)，一些公司亦提議將UWB技術(shù)納入IEEE802.15.3s標準。

WLAN與Bluetooth的互補關(guān)系以及戰略意義

以Bluetooth技術(shù)為基礎的WBAN、WPAN和WLAN構成了完整的無(wú)線(xiàn)接入體系。一般認為WBAN連接距離最短，為圍繞人體、(物流等)物件或附屬其上，WPAN連接距離大多在10m左右以?xún)?，最高達100m左右；而無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WLAN連接距離很多為數千米至一百多米，包括采用智能天線(xiàn)在內EIRP增強后或中繼室外運行時(shí)，其連接距離可增達數公里或更遠。由于其技術(shù)指標和市場(chǎng)定位不同，使得它們相互支持與補充，構成一種完整有效的WLAN／WPAN／WBAN無(wú)線(xiàn)接入。

近代，通用無(wú)線(xiàn)接入作為先進(jìn)手段實(shí)施接入網(wǎng)的全部或部分功能，它已成為有線(xiàn)接入的有效支持、補充與延伸；是快速、靈活裝備與實(shí)現普遍服務(wù)的重要途徑。無(wú)線(xiàn)接入目前雖然大部分為窄帶，但中寬帶與寬帶(Wideband and Broadband)無(wú)線(xiàn)接入，包括2.5G／3G移動(dòng)接入、不對稱(chēng)IP接入及衛星接入已成為可能，而藍牙及WLAN／WPAN／WBAN技術(shù)可視為一種最接近用戶(hù)的短距離、微功率、微微小區(Pico--cell)型無(wú)線(xiàn)接入手段，在構筑新世紀全球個(gè)人通信網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)連接世界方面將發(fā)揮其獨特重要的作用。很明顯，由于通用無(wú)線(xiàn)接入可綜合包括宏大區、大區、小區、微小區、微微小區、移動(dòng)、半移動(dòng)(包括Nomadic游牧式)、可搬移(Transportable)及固定等多種接入覆蓋模式，可有效覆蓋三維物理空間的任何一角落及有效地在任何時(shí)候連接至任何個(gè)人用戶(hù)，它對未來(lái)全球個(gè)人通信的實(shí)際連接覆蓋的普遍化與重要性顯而易見(jiàn)，而且無(wú)線(xiàn)接入與Internet聯(lián)合運作的所謂無(wú)線(xiàn)Internet／移動(dòng)IP，以及更進(jìn)一步以全球移動(dòng)通信演進(jìn)發(fā)展沿1G→2G→2G+(2.5G，2.75G)→3G→3G+→4G這一發(fā)展脈絡(luò )中，將及時(shí)大量運用及嵌入Bluetooth、WLAN／WPAN／WBAN之類(lèi)新手段，進(jìn)入所謂嵌入式(Embedded)世界，實(shí)現以Pico--cell小區個(gè)人接入為中心展開(kāi)的無(wú)線(xiàn)個(gè)人域網(wǎng)絡(luò )(WPAN／WBAN)時(shí)代，這將成為未來(lái)全球個(gè)人通信世界中的最重要環(huán)節之一。因此，Bluetooth、WLAN／WPAN／WBAN技術(shù)的戰略意義將不言而喻。