WLAN與藍牙（Bluetooth）技術發展

2019-11-03 09:16:36

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　　摘要：本文介紹了WLAN和藍牙（Bluetooth）技術基本概念，并詳細描述了兩者的技術特征以及兩者標準化的發展現狀，從技術角度描述了兩者發展的趨勢以及在未來個人通信中的戰略地位。

　　關鍵字：WLAN、Bluetooth、技術指標、標準、發展

　　WLAN和Bluetooth簡介

　　無線局域網WLAN顧名思義是一種借助無線技術取代以往有線布線方式構成局域網的新手段，可提供傳統有線局域網的所有功能，它是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物，它為通用無線接入的一個子集，它支持較高傳輸速率(2--54Mbit／s，甚至更高)，利用射頻無線電或紅外線，借助直接序列擴頻(DSSS)或跳頻擴頻(FHSS)、GMSK、OFDM等技術，甚至將來的超寬帶傳輸技術UWBT，實現固定、半移動及移動的網絡終端對INTERNET網絡進行較遠距離的高速連接訪問。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終端。1997年6月，IEEE推出了802.11標準，開創了WLAN先河；目前，WLAN領域主要是IEEE802.11x系列與HiperLAN／x系列兩種標準。

　　藍牙技術想法是產生于1994年EriCSSon推出了解決無線連線問題的技術開發計劃，產生了推進無線連線與個人接入的想法。1997年Ericsson、IBM、INTEL，NOKIA及TOSHIBA這5個世界著名的無線設備及計算機、半導體設備制造公司商議建立一種全球化的無線通信個人接入與無線連線新手段，后定名為“藍牙”(Bluetooth)。1998年5月正式發起成立了“藍牙特別興趣組織”BSIG(Blueteooth　Special　Interest　Group)，簡稱藍牙SIG。1999年11月美國4家著名公司Motorola、Lucent、Microsoft及3Com加盟BSIG，成為BSIG的9個發起成員，使藍牙技術的發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，其發展勢頭令人觸目。目前藍牙信道帶寬為1MHz，異步非對稱連接最高數據速率723．2kbit／s；連接距離多半為10m左右，甚至為個人飾物，亦可屬物體域網(WBAN)范疇。藍牙速率亦擬進一步增強，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，這是適應未來愈來愈多寬帶多媒體業務需求的必然演進趨勢。

　　WLAN與Bluetooth技術特征

　　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)網絡拓撲；(2)交換模式；(3)節能模式；(4)抗干擾性能；(5)鑒權、加密；(6)話音編碼；(7)軟件結構。

　　藍牙的軟件體系是一個獨立的操作系統，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。藍牙協議體系中設計協議和協議棧的主要原則為盡可能利用現有各種高層協議，保證現有協議與藍牙技術融合及各種應用之間的互通性，充分利用兼容藍牙技術規范的軟硬件系統和藍牙技術規范的開放性，便于普遍開發新的應用。

　　藍牙軟件結構標準包括Core(核心)和PRofile(應用協議棧)兩大部分。Core為藍牙協議核心，主要定義藍牙的技術細節，Profile定義相應的實現協議棧，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議，也定義了一些高層協議和相關接口。具體協議分為4層：核心協議（藍牙連接管理協議LMP、藍牙邏輯鏈路控制與適配協議L2CAP、服務檢測協議SDP）、藍牙電纜替代協議RFCOMM、電話傳送控制協議TCB　BIN／AT、與Internet應用相關的一些高層協議（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；

　　業務類別：同時支持電路交換及分組交換業務；

　　數據標稱速率：1Mbit／s；

　　異步信道速率：非對稱連接723.2kbit／s／57.6kbit／s；

　　對稱連接：433.9kbit／s(全雙工模式)；

　　同步信道速率：64kbit／s(3個全雙工信道)；

　　信道間隔：1MHz；

　　信道數：79；

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

　　跳頻頻點數：79個頻點／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：面向連接業務SCO(話音，電路交換、預留時隙)、無連接業務ACL(分組數據、分組交換、輪詢)；

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

　　鑒權：反應邏輯算術方式；

　　密鑰：以8bits為單位增減，最長128bits；

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

　　話音編碼方式：CVSD或對數PCM；

　　網絡拓撲結構：Ad　hoc(無中心自組織)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技術后的最高傳速率可高達54Mbit／s，遠高于目前藍牙的最高標稱數據速率1Mbit／s；并且，IEEE　802.11b WLAN系統終端用戶共享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，但一般來說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的優勢是明顯的。

　　(2)較高頻譜利用效率

　　容易理解，采用OFDM技術借助多狀態調制處理的WLAN可取得較高的頻譜利用效率，若進一步結合區域覆蓋能力綜合評價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INTERNET連接及高質量多媒體傳輸

　　這是能以較高速率傳輸的必然結果。

　　WLAN和Bluetooth標準發展

　　1、 WLAN標準

　　1997年6月，IEEE推出了802.11標準，開創了WLAN先河；目前，WLAN領域主要是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WLAN標準。主要用于解決辦公室無線局域網和校園網中用戶與用戶終端的無線接入，其業務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質量方面均不盡人意，從而產生了其系列標準；

　　802.11b，將速率擴充至11Mbit／s，并可在5.5Mbit／s、2Mbit／s及1Mbit／s之間進行自動速率調整，亦提供了MAC層的訪問控制和加密機制，以提供與有線網絡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，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頻段國家的使用問題；

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

　　802.11f用于改善802.11協議的切換機制，使用戶能在不同無線信道或接入設備點間可漫游；

　　802.11h可用于達到比802.11a更好地控制發信功率(借助／PC技術)和選擇無線信道（借助動態頻率選擇技術DFS），而與802.11e一道可適應歐洲的更嚴格的標準；

　　802.11i及802.1x主要著重于安全性，802.11i能支持鑒權和加密算法的多種框架協議，支持企業、公眾及家庭應用，802.1x的核心為具有可擴展認證協議EAP，可對以太網端口鑒權，擴展至無線應用；

　　802.11j的作用是解決802.11a與歐洲HiperLAN／2網絡的互連互通；

　　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；并已進一步改進其管理開銷及效率802.11／RRM與無線電資源管理有關的標準，以增強802.11的性能；

　　802.11／HT，以進一步增強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之類多頻、多模運行標準，可有松耦合及緊耦合兩種類型。松耦合時兩種網絡分別部署，WLAN僅利用GPRS之類網絡的用戶數據庫，可通過Mobile　IP(MIP)提供兩網絡間的移動性，通過RADUIS(Remote　access　Dail—In　User　Service，遠程接入撥號用戶業務)實現AAA(Authentication　Authorization　Accounting，鑒權，授權和計帳)，由于MIP可能導致高傳輸時延，從而不容易達到無縫隙會話切換；而緊耦合時，WLAN直接連至業務支持節點SGSN或標準化接口Gb、lu等，WLAN數據需經_LTGPRS之類核心網轉發，完全按GPRS方式進行AAA，此時，能在兩網絡間提供很強的移動性。為與藍牙在2.4GHz頻段較好共存，亦采用Ad　hoc網絡拓撲結構及自適應跳頻信道分配技術

　　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，與當時技術上較成熟的IEEE802.11b相比，無明顯優勢；

　　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具備另一些長處，如其接入點可監視相應無線信道并自動選擇空閑信道，從而進行自動頻率分配，使系統部署簡單有效；數據通過移動終端與接入點間建立的信令鏈接進行傳輸，此面向鏈接的特征可容易實現QoS支持；與802.11協議只能由以太網作為支撐情況有不同，其協議棧具有很大靈活性，它既可作為交換式以太網的無線接入子網，也可作為3G蜂窩移動網絡的接入網，而且，這種接入對網絡層以上用戶部分來說完全透明，從而目前在固定網絡上的任何應用均可在HiperLAN／2上運行。

　　2、Bluetooth技術標準——IEEE　802.15x及16x系列

　　藍牙技術與無線局域網WLAN、無線城域網WMAN、無線廣域網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。

　　IEEE802.15.1即相當藍牙技術標準。

　　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，可實現高達55Mbit／s的高速傳輸，功耗及成本可較低，復雜性亦可比OFDM時低，可實現控制QoS的高質量聲音、視象多媒體傳輸。工作于2.4GHzlSM頻段，Ad　hoc網絡結構，可由五種調制方式實現11—55Mbit／s速率傳輸：22Mbit／s時用編碼OQPSK，用2維8狀態(2D--8S)TCM　QPSK及16／32／64QAM可實現們，33、44及55Mbit／s的高速傳輸，以滿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。家庭自動化等低速率WPAN需要，目標是比藍牙更簡單。低功耗、價廉、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層的協議，其余協議主要參照現有標準，高層應用、測試及市場推廣等方面工作將由ZigBee聯盟負責，由此實施802.15.4的應用技術常稱為ZigBee。ZigBee聯盟成立于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。無線設備公司和開發商加盟。ZigBee為此技術的商業化品牌命名，如上已提及，為象征蜂群(Bee)跳ZigBee(“之”字形)舞蹈方式來分享新發現的食物源的位置、距離、方向等信息，表達此繁榮的生存，發展的新通信方式。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現傳感器網絡(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途徑。UWBG(Ultra　WideBand　Group)工業集團于1998年成立，至2002年2月其成員包括廠商及大學在內已超過540個，一些公司亦提議將UWB技術納入IEEE802.15.3s標準。

　　WLAN與Bluetooth的互補關系以及戰略意義

　　以Bluetooth技術為基礎的WBAN、WPAN和WLAN構成了完整的無線接入體系。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左右以內，最高達100m左右；而無線局域網WLAN連接距離很多為數千米至一百多米，包括采用智能天線在內EIRP增強后或中繼室外運行時，其連接距離可增達數公里或更遠。由于其技術指標和市場定位不同，使得它們相互支持與補充，構成一種完整有效的WLAN／WPAN／WBAN無線接入。

　　近代，通用無線接入作為先進手段實施接入網的全部或部分功能，它已成為有線接入的有效支持、補充與延伸；是快速、靈活裝備與實現普遍服務的重要途徑。無線接入目前雖然大部分為窄帶，但中寬帶與寬帶(Wideband　and　Broadband)無線接入，包括2.5G／3G移動接入、不對稱IP接入及衛星接入已成為可能，而藍牙及WLAN／WPAN／WBAN技術可視為一種最接近用戶的短距離、微功率、微微小區(Pico--cell)型無線接入手段，在構筑新世紀全球個人通信網絡及無線連接世界方面將發揮其獨特重要的作用。很明顯，由于通用無線接入可綜合包括宏大區、大區、小區、微小區、微微小區、移動、半移動(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候連接至任何個人用戶，它對未來全球個人通信的實際連接覆蓋的普遍化與重要性顯而易見，而且無線接入與Internet聯合運作的所謂無線Internet／移動IP，以及更進一步以全球移動通信演進發展沿1G→2G→2G+(2.5G，2.75G)→3G→3G+→4G這一發展脈絡中，將及時大量運用及嵌入Bluetooth、WLAN／WPAN／WBAN之類新手段，進入所謂嵌入式(Embedded)世界，實現以Pico--cell小區個人接入為中心展開的無線個人域網絡(WPAN／WBAN)時代，這將成為未來全球個人通信世界中的最重要環節之一。因此，Bluetooth、WLAN／WPAN／WBAN技術的戰略意義將不言而喻。

　　參考文獻

　　[1]Gil Held，無線數據傳輸網絡: 藍牙、WAP 和 WLAN：人民郵電出版社，2001

　　[2] Andrew S. Tanenbaum，Computer Networks (third edition) ：清華大學出版社，2000

　　[3]馬建倉，藍牙核心技術及應用：科學出版社, 2003

原創