无线传感器网络中几种无线通信技术的比较分析

刘毅

（中国联合网络通信有限公司营口分公司，辽宁 营口 115000）

1 引言

无线传感器 (Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。红外线、IEEE8011、HomeRF和蓝牙技术是无线传感器网络中四种典型的无线通信技术。

2 四种典型的无线通信技术

2.1 红外线

红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光同，是一种人的眼睛看不到的光线。

红线通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75um至25um之间。为了保证不同厂商的红线产品能够获得最佳的通信效果，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。

红外通信有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小弄的移动设备中获得了广泛的应用。这些设备包括笔记本电脑、掌上电脑、面顶盒、游戏机、移动电话、计算器、寻呼机、仪器仪表、MP3播放机、数码相机以及打印机之类的计算机外围设备等等。

2.2 IEEE8011

IEEE8011是IEEE（气和电子工作师协会）制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中的用户终端之间的无线接入。IEEE8011业务主要限于数据存取，传输速率最高只能达到2Mbps。由于IEEE8011在速率上的不足，已不能满足数据应用的需求；因此，IEEE又相继推出了IEEE8011b和IEEE8011a这两个新的标准。三者之间技术差别主要在于MAC(Mediuln Access Control,媒介访问控制)子层和物理层。

IEEE8011b标准。IEEE8011b(wi-Fi)使用开放的4GHz直接序列扩频,最大数据传输速率为11 Mbps,无需直线传播.使用动态速率转换,当射频情况变差时,可将数据传输速率降低为5.5 Mbps、2 Mbps 和 1 Mbps。且当工作在 2 Mbps和1 Mbps速率时可向下兼容IEEE8011。IEEE8011b的使用范围在室外为300米，在办公环境中则最长为100米。使用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。IEEE8011b运作模式基本分为两种：点对点模式和基本模式，点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式。

IEEE8011a标准。IEEE8011a工作在5GHzU-NII频带，从而避开了拥挤的4GHz频段。物理层速率可达54 Mbps，传输层可达25 Mbps。采用正交频分复用（OFDM）的独特扩频技术；可提供25 Mbps的无线ATM接口、10 Mbps以太网无线帧结构接口和TDD/TDMA的空中接口，支持语音、数据、图像业务，一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。

IEEE8011a在使用频率的选择和数据传输速率上都优于IEEE8011b，不过其芯片还没有进入市场，加之设备昂贵、不兼容IEEE8011b、空中接力不好和点对点连接很不经济，不适合小型设备。

2.3 HomeRF

HomeRF技术是无绳电话技术（数字式增加型无绳电话或者简称为DECT:Digital Enhanced Cordless Telephone）和无线局域网(WLAN)技术相互融合发展的产物.无线局域网IEEE8011采用CSMA/CA(载波监听多点接入/冲突避免)方式,特别适合于数据业务;而DECT使用TDMA(时分多路复用)方式,特别适合于话音通信,将二者进行融合构成家庭射频使用的共享无线应用协议 (SWAT Shared Wireless Access)的代称,其实质量是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准,使通信和计算机进一步结合,使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下,能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。

适用设备多。蓝牙技术最大的优点是使众多电信和电脑设备无需电缆就能联网。例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉连接电缆而通过无线使其建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。

工作频段全求通用。蓝牙技术以无线局域网的IEEE8011标准技术为基础，工作在4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，该频段用户不必经过允许，在世界范围内都可以自由使用。

使用方便。蓝牙技术规范中采用了一种“Plond&Play”的概念，它有点类似“即插即用”。这样，用户不必再需要学习如何安装和设置，凡是嵌入蓝牙技术的设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可以建立联系，利用相关的控制软件，无须用户干预即可传输数据。

安全加密、抗干扰能力强。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带。因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源，例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等。

兼容性好。由于蓝牙技术独立于操作系统，所以，在各种操作系统中均有良好的兼容特性。

尺寸小、功耗低。所有的技术和软件集成于9mm*9mm的微芯片，从而可以集成到各种设备中，如蜂窝电话、传呼机、笔记本电脑、PDA、PC，甚至各种家用电器中；与集成的设备相比可免忽略功耗和成本。

多路多方向链接。目前，相距很近的便携式器件之间的链接是用红外线进行的，但使用起来仍有许多不便和限制。蓝牙无线收发器的链接距离可达10米，不限制在直线范围内，甚至设备不在同一间房内也能相互链接，并且可以链接多个设备，同时可进行通信的设备最多可达7个，这就可以把用户身边的摇控。但IrDA最大的不足在于发送端与接收 端之间不能有障碍物，而蓝牙无线传输时发送端与接收端不受中间阻挡物的影响，这对于移动用户来讲将更实用。如果蓝牙设备的价格能够进一步降低人们可接受 的程度，对传统的IrDA将构成挑战。

IEEE8011虽然传输速率快，传输距离长，但其成本较高，功耗较大。目前IEEE8011的实现方式 主要还是靠无线网卡或接入 点设备。蓝牙成本低、功耗小、体积小，可以便捷地用于更多的设备。

2.4 蓝牙技术

相对于其它几种无线通信技术，蓝牙技术在无线传感器网络系统中的应用具有如下一些优势：

中短通信距离性：蓝牙的通信距离为10m-100m，属于是中短距离无线通信，这个范围的距离要比IEEE8011b标准的短，但是又要比红外线的通信距离长，比较适合于无线传感器网络系统。

便携性：为了适合于便携设备的集成，蓝牙模块的设计尺寸要比一般的RF装置小，这样集成有蓝牙模块的Sink网关在大小上没有很大的变化，适合于在对设备体积有严格要求的无线传感器网络系统中使用。

节能性：蓝牙模块的功耗非常小，一般只有10mw,当集成在Sink网关上时，可以使用微型电池进行长时间的供电，非常适合无线传感器网络系统低功耗的特点。

安全性：蓝牙标准在基带上提供了对传输数据的加密机制以及在链路管理 器上提供的鉴权机制，保证了Sink网关与管理终端通信的安全性，非法设备和用户是无法获得对蓝牙底层传输数据和高层服务的访问。

抗干扰性：蓝牙射频信号工作在ISM免费频段，其基带规定了1600/秒的跳频频率，保证了和其他无线空中接口信号产生碰撞的可能性很小，其他无线信号对它的干扰很小，即使产生了干扰，蓝牙也提供了重传的机制可以保证信息的完整性，同时因为蓝牙射频信号的发射功率很小，所以也不会对无线传感器网络系统中其他无线信号产生大的干扰。

3 结束语

红外线、IEEE8011、HomeRF和蓝牙技术是无线传感器网络中四种典型的无线通信技术。通过对四种典型无线通信技术的性能分析比较，该文得出了相应结论。

[1]袁勇.无线传感器网络节能传输技术研究[J].华中科技大学，2005-11-01.