短距離低功率無線通信接入系統

談振輝 喬曉瑜

摘要:短距離低功率無線通信接入技術主要集中在物理層和媒體訪問控制(MAC)層,包括藍牙、超寬帶(UWB)和Wi-Fi等。藍牙是鏈接近距離設備的電纜數據傳送的輔助技術;UWB 作為窄脈沖無線電技術鏈接眾多電子設備,提供寬帶無線接入的靈活性和移動性;Wi-Fi給快速接入設備和WLAN內移動設備提供無線鏈接,用于較長距離鏈接,支持一定功率的移動終端接入。短距離低功率無線通信接入系統的標準化進程非常快,輔助標準多,但目前仍以藍牙和Wi-Fi為主。

關鍵詞:短距離無線通信;藍牙;超寬帶;Wi-Fi

Abstract: Short distance low power wireless communication access technologies mainly concentrate in the physical layer and media access control (MAC) layer, including Bluetooth, Ultra-Wideband (UWB), Wi-Fi, etc. Bluetooth is a supplementary technology for short distance data transmission between devices; UWB is a type of narrow band pulse wireless technology for the connection with a variety of devices, providing fair flexibility and mobility; Wi-Fi is used to provide wireless connection for both instant access equipment and WLAN mobile devices, applied in long distance connection and to support the access for a certain power mobile terminals.Although the standardization progress of short distance low power wireless communication access systems is very fast and there are many supplementary standards, the most dominant ones are still Bluetooth and Wi-Fi.

Key words: short distance wireless communication; Bluetooth; UWB; Wi-Fi

短距離低功率無線通信接入系統主要用于小于100 m短距離和1～100 mW低功率的無線信息傳輸,可解決最后一公里接入和熱點區通信覆蓋問題。相比有線局域網(LAN)系統而言,具有用戶可動態移動地接入或拆離網絡,在不同的環境中具有終端移動性,容易調度無線網絡資源等優點。但缺點是無線媒介廣播信道帶來的低可靠性、低數據速率和高功率消耗。無線空中接入帶來的數據加密和用戶安全問題。

短距離低功率無線通信接入技術主要集中在物理層和媒體訪問控制(MAC)層標準,如IEEE 802.15的藍牙技術和超寬帶(UWB),IEEE 802.11的Wi-Fi。藍牙作為鏈接近距離設備的電纜數據傳送的輔助技術,UWB作為窄脈沖無線電技術鏈接眾多電子設備,提供寬帶無線接入的靈活性和移動性,Wi-Fi作為計算機和計算機鏈接電纜LAN的延伸,無隙縫地擴展至短距離無線環境中,提供互操作功能和多媒體業務。

1 藍牙

1994年Ericsson研究以低功率通信系統替代短距離移動的電纜通信系統,1998年Ericsson、Nokia、IBM、Toshiba和Intel成立藍牙特別興趣小組(SIG),1999年藍牙SIG發布第一版藍牙協議,2000年3COM、Agere、Microsoft和Motorola加入藍牙SIG。2002年IEEE 802.15小組采納藍牙協議作為IEEE 802.15.1[1]。

藍牙作為無線個域網接入技術主要用于短距離、低成本電纜傳輸輔助標準,也作為鏈接其他網絡的網橋或ad hoc分布式網絡中的節點。通電后,藍牙設備偵聽主設備的詢問并響應。一旦主設備掌握從屬設備的地址,主設備啟動鏈接從屬設備的程序,從屬設備響應主設備的詢問,建立跳頻序列同步,進行認證和通信。而沒有認證和參與傳輸的設備則進入帶寬和功率節省模式。

藍牙替代長度較短電纜,等效全向輻射功率(EIRP)為30～100 mW或15～20 dBm。藍牙在2.4 GHz頻帶的2.4～2.4835 GHz帶寬上,以1 MHz寬信道,1 Mb/s信息速率和高斯頻移鍵控(GFSK)調制進行跳頻擴頻,來自跳頻的頻率分集增益和在MAC層采用自動重發請求(ARQ)糾錯,對抗強窄帶干擾。藍牙與IEEE 802.11g和微波共用2.4 GHz頻帶,采取自適應頻率跳變圖案,來抵抗干擾。在鏈路層具有適配多速率靈活性,藍牙的速率為分為固定1 Mb/s速率和多種可變速率,以適應變化的無線應用環境。藍牙也采用標準為IEEE 802.15.3a基于精確定時高速窄帶脈沖的UWB寬頻信號。

在業務質量方面,藍牙面向無連接的異步鏈路(ACL)采用復雜信道接納控制和計劃策略來保證服務質量(QoS)。異步業務QoS參數有長周期數據速率、峰數據速率、等待時間和抖動。藍牙還在面向連接的同步鏈路(SCO)提供同步恒定比特速率業務。藍牙空間容量為總數據傳輸速率與所覆蓋傳輸面積的比。藍牙覆蓋20個直徑為10 m的微微區,每個微微區的最大數據傳輸速率為400 kb/s。藍牙空間容量為每平方米25 kb/s。微微區的流量均由藍牙的主機點控制,微微區主機控制從屬接入信道,LAN接入協議鏈接外部網。藍牙散射網結構均是拓撲可變的ad hoc網絡,散射網為微微區子結構,由IP層以全球尋址和路由尋找機理提供移動站間的全球鏈接功能。

藍牙采用查詢程序和尋呼方式來發現處于覆蓋區的設備,并建立新的鏈接。主機周期地啟動查詢程序來發現位于其覆蓋區設備的MAC地址表,利用從屬的MAC地址和時鐘,主設備以尋呼方式查詢。藍牙定義了無線接口和允許設備互相鑒別與提供業務的通信棧,藍牙通信棧如圖1所示。圖1的鏈接管理層負責鏈接結構類型、認證、加密、QoS、功率消耗和傳輸格式等。控制層給鏈接管理層和基帶提供命令接口,給硬件設備提供相關接口。邏輯鏈路控制適配協議(L2CAP)給上層提供鏈接和無鏈接的業務(如來自上層協議數據單元的分割和組裝、支持QoS)。可直接在L2CAP上利用RFCOMM的點對點協議(PPP)。

藍牙設備可工作在主屬和從屬模式[2],1個主屬設備和7個從屬設備構成的微微網作為最藍牙的基本網絡。在等待模式,從屬移動站數可達255,此時移動站不參與數據交換,僅與主機保持同步。微微網可進一步鏈接構成散射網。散射網的拓撲為多跳無線網絡,兩個節點之間無直接路由,必須通過其他節點來中繼。另外,兩個微微網可通過歸屬于兩個微微網的公共節點來通信,該節點可為一個微微網的主節點或其他微微網的從屬節點。

藍牙的加密類型可分成3類,即無加密的類型1、信道建立后在業務層加密的類型2、信道建立前在鏈路層加密的類型3。分成兩個加密層次,即信任和非信任層次。加密業務分成3個層次,即開放業務、認證業務和認證鑒別業務層次。鏈路層的鑒別和加密依靠4個基本參數,即藍牙對應的長度為48比特的地址識別器、專用鑒別密鑰、專用加密密鑰和長度為128 比特的頻率變化隨機數。

2 超寬帶

不同于常規連續波無線電技術,UWB在窄脈沖序列上進行大信息量的編碼,以極低功率譜擴展在超寬帶頻譜上傳輸。UWB技術可用于無線自組織網絡、無線光通信(FSO)、ZigBee、無線射頻識別(RFID),光纖無線電(ROF)、藍牙和家庭網絡(HomeRF)中。短距離低功率無線通信接入系統采用UWB技術有下述優點:

(1)容量高

信號能量擴展在超寬帶頻譜上,呈現白噪聲功率譜,可以提高信道容量。

(2)多徑低衰落概率和對干擾免疫力強

基于窄脈沖的數據傳輸信號在多徑信道中的分辨率往往在1 ns以下數量級,可以明顯減弱多徑衰落影響。對干擾的免疫力正比于信號帶寬。信號帶寬越寬,對干擾的免疫力就越強。

(3)時間分集和頻率分集

UWB脈沖持續時間非常窄,在前后脈沖間離散分布著空隙,RAKE接收機容易把不同路徑抵達的UWB脈沖信號組合起來,增強被檢測信號的強度。IEEE 802.15標準的UWB作為無線個域網絡(PAN)的首選技術,具有100 Mb/s～1Gb/s的高數據率、低功耗和低成本等優點。但是它占據極寬帶寬,在與其他通信系統共享頻道時,會產生干擾和兼容問題[3]。

一種UWB系統協議棧結構如圖2所示。IEEE 1394會聚層類似IEEE 1394鏈路層,負責事務處理層和UWB低層次之間的映射,會聚層含有IEEE 1394特定業務會聚子層(SSCS)和公共部分會聚子層(CPCS)。

在UWB系統的物理層和數據鏈路層中,以信息符號調制窄脈沖序列的相位。UWB脈沖調制可采用雙相高斯脈沖調制,脈沖振幅調制或脈沖間隔嚴格地按照甚窄高斯脈沖的脈位調制。典型脈沖寬帶為0.2～2.0 ns,脈沖間隔為10～100 ns,脈沖位置可以是等間隔、隨機或偽隨機間隔等。

UWB集中控制的網絡拓撲結構如圖3所示。采取ad hoc網絡中P2P通信和自組織集中控制模式,它由若干微微網組成,每個微微網選擇一個主站并自動控制其他副站。若UWB用于分布控制的網絡拓撲結構,則難于控制各節點的輸出功率和干擾。

欲進一步擴展UWB系統的覆蓋面積,數據流控制和網絡層管理通過兩類網橋連接UWB無線總線和IEEE 1394骨干網,見圖4所示。其中,IEEE 1394網橋作為有線與無線總線的接口,對在IEEE 1394骨干網和UWB無線總線間數據流來說,提供的功能包括:同步信道建立,信道與UWB數據鏈路信道的邏輯映射;有線與無線間異步分組和控制數據流的路由選擇;IEEE 1394和UWB間的時鐘同步,幀和分組同步;增加或減少IEEE 1394節點和UWB移動終端數,配置相應的頻率資源。

3 Wi-Fi

1997年IEEE通過速率為1 Mb/s或2 Mb/s、MAC和物理層帶寬為2.4 GHz(北美洲2.4～2.4835 GHz,日本2.471～2.497 GHz)的IEEE 802.11作為Wi-Fi標準,給快速接入設備和無線局域網(WLAN)內移動設備提供無線鏈接。Wi-Fi規定接入物理媒介的MAC程序、MAC層處理移動性和鄰近小區間的越區切換。1997年IEEE公布速率為6、9、12、24、36、48和54 Mb/s,帶寬為5 GHz的IEEE 802.11a[4]。它不能采用IEEE 802.11h的動態頻率選擇和自適應功率控制技術,經過Lucent和Harris的驗證,又批準速率為5.5或11 Mb/s的IEEE 802.11b[5]。2003年公布性能類似IEEE 802.11a標準,而帶寬為2.4 GHz與IEEE 802.11b兼容的IEEE 802.11g[6]。

Wi-Fi除了使用5 GHz頻帶外,采用16 MHz寬信道的直接系列擴展頻譜(DSSS)、輔助編碼鍵控(CCK)和OFDM技術。DSSS技術可對抗寬帶噪聲。Wi-Fi收發在同一頻率,重傳分組的增益來自時間分集。Wi-Fi在物理層適配速率,且對高層透明,依據不同速率采用不同的調制。Wi-Fi的速率范圍為1～54 Mb/s。Wi-Fi在MAC層采用ARQ糾錯、編碼和復用技術,來避免噪聲影響。IEEE 802.11a和無繩電話共用5 GHz頻帶,Wi-Fi采取發射功率控制技術來抵抗干擾。

一接通Wi-Fi移動站的電源,移動站就掃描所有無線信道,尋找發射信標的主網絡,選擇含有Wi-Fi移動站的ad hoc網絡,以接入點(AP)鑒別、認證和鏈接Wi-Fi移動站,提供從盡力而為到優先確保的QoS。當Wi-Fi移動站成為ad hoc網絡的組成部分時,Wi-Fi移動站具有發現新網絡或脫離舊網組成新網絡的能力。Wi-Fi移動站可在通信網絡間漫游,共享公共分布系統資源,進行無隙縫移動傳輸。當Wi-Fi移動站成為固定通信基礎設施后,接入點就解鑒別和解融合,并處于休眠的狀態。

Wi-Fi定義兩種接入方式:即分布協調方式(DCF)和點協調方式(PCF)。最簡單的網絡結構是獨立基本業務集,它至少含有兩個基站的ad hoc網絡拓撲,基本業務集為延伸業務集的擴展網絡。在固定通信基礎中,延伸業務集是以分布系統相連的一組基本業務集。Wi-Fi網絡的典型組成單元如圖5所示。基站提供的業務分為基站業務和分布系統業務,分布系統業務允許數據在歸屬于不同基本業務集的基站間傳輸。

Wi-Fi在鏈路層鑒別用戶設備以保證可靠的接入,鑒別用戶設備有兩種鑒別方法。一種是開放系統鑒別(OSA),另一種是共享密鑰鑒別(SKA)。以IEEE 802.1X/EAP為框架的通信設備可提供不同安全強度的選擇算法。

Wi-Fi的WLAN結構基于基本業務集(BSS),基本業務集為一組移動或固定Wi-Fi移動站,以一定控制方式接入網絡傳輸媒介。Wi-Fi允許存在4個無干擾基本業務集,在覆蓋直徑100 m的基本業務集的數據傳輸速率為910 kb/s,或在覆蓋直徑10 m的基本業務集內數據傳輸速率為31.4 Mb/s。IEEE 802.11g的空間容量在最低速率時為每平方米0.1 kb/s,,在最大速率時為每平方米400 kb/s。

Wi-Fi采用的復用技術有:直擴擴頻和正交頻分復用(OFDM),直擴擴頻使用11比特Barker系列,11 碼片序列調制一個信息比特,1 Mb/s和2 Mb/s的調制分別采用二進制相移鍵控(BPSK)和正交移相鍵控(QPSK),輔助編碼鍵控為16比特序列編碼4或8個信息比特。

在固定通信基礎結構網絡和ad hoc網絡中,Wi-Fi移動站以DCF運行MAC協議,以CSMA/CA作為接入信道技術。基本DCF接入有多種類型,移動站可優化選擇RTS/CTS機理,來降低隱藏終端帶來的碰撞現象。網絡安置矢量(NAV)作為移動站計數器,計算數據傳輸的終止時刻。IEEE 802.11e定義新的協調方式為加強型分布信道接入(EDCA)和HCF控制信道接入(HCCA),共同提供混合協調功能(HCF)。EDCA提供8個數據優先等級,每個移動站以不同的幀間距(IFS)值賦于不同優先等級的信道。較高等級的排隊使用較短IFS,獲取接入信道的較高優先權和優先退避權時間。在HCCA中有一移動站承擔集中控制混合協調功能。

HCCA可確保業務速率、時延和抖動的QoS。

由于短距離低功率無線通信接入系統中無線分組經常會丟失,在任意時間間隔上難以保持加密和解密之間的同步。Wi-Fi安全框架采用應用流密碼RC4的無線等效專用(WEP)協議。2002年定義無線保護接入(WAP)作為WEP的改進,并被IEEE 802.11i采用。

WAP以802.1X/EAP為框架,暫時密鑰完整協議(TKIP)用于加密密碼,擴展鑒別協議(EAP)用于鑒別。2004年IEEE 802.11i工作小組公布WAP2為基于IEEE 802.1X和EAP的綜合鑒別框架,不同應用環境的鑒別和密鑰產生不同的EAP。定義兩組密碼組,即現有設備的升級軟件TKIP和基于AES的CCMP。

4 功耗控制

短距離低功率無線通信接入系統主要用于短距離移動和有限電源的袖珍終端接入通信。其中,藍牙和UWB提供非常低的功率消耗,而Wi-Fi用于比較長距離鏈接,支持一定功率的移動終端接入。

4.1 藍牙的功率管理

藍牙的功率管理方式有:僅有時鐘運行而無數據交換的備用方式和終端設備鏈接到微微網主機上的數據交換方式。鏈接分為4種模式,即激活模式,位于微微網的設備處于主動狀態;偵聽模式,以低功率消耗處于偵聽狀態;保持模式,設備ACL流量在一定期間被阻止;等待模式,設備不再屬于微微網的成員,仍然保持與微微網主機同步,處于最低功率消耗。

CSR公司研發出CMOS單片藍牙設備,單片藍牙包括基帶藍核和無線藍核。其中,基帶藍核含有承擔鏈路控制器、鏈路管理和主機控制器接口層功能的固件。無線藍核提供閃爍儲存和節約功率能力。藍核有兩種低功率節省模式,即淺睡模式,降低處理器時鐘速率;深睡模式,大部分電路處于關閉狀態。

4.2 固定通信基礎網絡的Wi-Fi功率管理

Wi-Fi設備有兩個狀態,即喚醒模式和處于不發射又不接收的欲睡狀態。它有兩個功率管理模式,即激活模式和功率節省模式。圖6所示為固定結構網絡Wi-Fi的功率管理狀態圖。處于激活模式的移動站欲進入功率節省模式,必須把分組頭的功率管理比特送至接入點。接入點存儲所有功率節省模式移動站的流量。經過一定算法,處于功率節省模式的移動站轉換至激活模式,以便接收信標,而沒有接入的流量的移動站又返回功率節省模式。

4.3 ad hoc網絡的Wi-Fi功率管理

由于ad hoc網絡中無接入點,處于功率節省模式的移動站發射ad hoc通信量指示信息(ATIM)幀,在ATIM窗期間轉換至喚醒狀態,由激活站存儲所有處于功率節省模式的移動站流量。接收到ATIM幀信息的移動站保持在喚醒狀態,以便接收信息流量,直至下一個ATIM窗到達,才返回至功率節省模式。

與固定通信基礎網絡的功率管理相比,由于無接入點作為參考站,移動站的喚醒或欲睡狀態由ad hoc網絡的其他移動站來評估。在ATIM窗期間,ATIM幀信息的發射和接收服從DCF和CSMA/CA接入算法。

5 短距離低功率無線通信接入系統的最新發展

短距離低功率無線通信接入系統的標準化進程非常快而輔助標準也多,但目前仍以藍牙和Wi-Fi為主。

從藍牙技術出現,至今已經有5個核心版本技術。2007年藍牙技術聯盟推出了藍牙技術的最新版本2.1+EDR,藍牙技術的傳輸速率有了很大提高。2.0+EDR跟以前版本的最大分別就是有了增加數據速率(EDR)功能,藍牙一般的速率為1 Mb/s,增加了EDR技術速率就可以達到2 Mb/s或者3 Mb/s。2009年,藍牙聯盟還將推出兩種技術[7]:一種是高速率解決方案、一種是低功耗技術。

2006年,藍牙技術聯盟宣布選擇WiMedia聯盟的UWB技術作為藍牙技術的高速解決方案。同時藍牙技術聯盟還充分利用Wi-Fi,將802.11a、b和g標準添加到藍牙802.11 AMP規范中,實現設備互操作和高速數據傳輸。2008年,藍牙技術聯盟就正式宣布了高速率發展策略,研發新的無線射頻替代方案,除支持消費類藍牙設備繼續使用藍牙協議、功能、安全和配對外,還支持其臨時使用設備中預置的備用無線電實現更快的傳輸速率。藍牙低功耗規范,將滿足消費類電子產品行業對通信交互式遠程控制的需求。據了解,藍牙低功耗技術專門設計用于需要超長電池壽命的設備,面向需要在不同廠商的產品間實現交互的人群。

UWB技術的使用必須解決與其他無線系統共存的問題。針對UWB與4G的共存研究,檢測避免(DAA)作為UWB的防干擾技術在日本和歐洲已經受到重視。目前有:融入OFDM、擴頻與交織、跳頻等機制的MB-OFDM-UWB方案;將多輸入多輸出(MIMO)技術用于UWB系統的MIMO-OFDM-UWB設想;UWB與Mesh結合的應用;UWB與智能天線的融合等研究方向。

Wi-Fi聯盟于2006年末推出了Wi-Fi保護設置(WPS)技術[8],該技術結合目前最安全的加密方式WPA/WPA2和簡單方便的配置方式于一體,使無線局域網的相關產品更易于被普通用戶接受。下一步Wi-Fi的趨勢是采用MIMO技術,Airgo公司已研發與Wi-Fi兼容的速率為108 Mb/s的MIMO芯片,IEEE 802.11n工作小組規定MIMO物理層的定義。

6 參考文獻

[1] IEEE Std 802.15.1-2005. IEEE standard for information technology - Telecommunications and information exchange between systems- Local and metropolitan area networks- Specific requirements, Part 15.1: Wireless medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications for wireless personal area networks (WPANs) [S]. 2005.

[2] FERRO E, POTORTI F. Bluetooth and Wi-Fi wireless protocols: A survey and a comparison [J]. IEEE Wireless Communications, 2005,12(1):12-26.

[3] QIU R C, LIU H, SHEN X., Ultra-wideband for multiple access communications [J]. IEEE Communications Magazine, 2005, 43(2):80-87.

[4] ISO/IEC 8802-11:1999/Amd 1:2000(E); IEEE Std 802.11a-1999. Information technology- Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements, Part 11: Wireless LAN medium access control(MAC) and physical layer (PHY) specifications amendment 1: High-speed physical layer in the 5 GHz band [S]. 2000.

[5] IEEE Std 802.11b-1999. Supplement to IEEE standard for information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements, Part 11: Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications: Higher-speed physical layer extension in the 2.4 GHz band [S]. 1999.

[6] IEEE Std 802.11g-2003 (Amendment to IEEE Std 802.11, 1999 Edn (Reaff 2003) as amended by IEEE Stds 802.11a-1999, 802.11b-1999, 802.11b-1999/Cor 1-2001, and 802.11d-2001). IEEE standard for information technology - Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks - Specific requirements, Part 11: Wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications [S]. 2003.

[7] HEYDON R. 藍牙+UWB——高速無線通信的未來發展 [J]. 電子設計應用, 2007,33(12):4-5,7.

[8] Wi-Fi protected setup specification [R]. Austin, TX ,USA: Wi-Fi Alliance. 2007.

收稿日期:2009-01-13

作者簡介

談振輝,北京交通大學教授、博士生導師,第一、二、三屆中國“863”計劃通信主題個人通信專業專家組成員,主要從事無線ATM、擴頻通信、個人通信方面的研究,已發表研究論文60余篇。

喬曉瑜,北京交通大學在讀博士研究生,主要研究方向為寬帶無線移動通信、無線資源管理、認知無線電。