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第14章 现代物流信息系统技术基础(9)

目前有关UWB的标准还没有制定。在UWB标准化的工作上,存在两大技术阵营:

多频带正交频分复用(MB‐OFDM)和直序列码分多址(DS‐CDMA)。这两大阵营的代表厂商前者有德州仪器、英特尔、三星电子等,后者是美国Xtreme Spectrum、FreeScale等为主的DS‐CDMA联盟。在标准的制定中,两个阵营都互不妥协,目前都还没有达成一致的方案。这两个技术提案都有其各自的特点和技术优势,最终选择哪种方案还要综合考虑市场等因素。至于这两种技术提案的具体内容可以查阅相关资料,在这里就不展开讲述。

UWB技术在无线通信技术方面的创新性、利益性具有很大的潜力,不仅在军事上有巨大应用价值(比如雷达跟踪、精确定位),在商业多媒体设备、家庭数字娱乐和个人网络方面也极大地提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。相信在军事需求和商业市场的推动下,UWB技术将会进一步发展和成熟起来,广泛地应用到众多领域中去。

(4)HomeRF

HomeRF是由HomeRF工作组开发的,它是在家庭区域范围内的计算机和电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准,为家庭用户建立具有互操作性的音频和数据通信网带来了便利。

HomeRF是IEEE 802.11与DECT(Digital Enhanced Cordless Telephony)的结合。

与前面所介绍的IEEE 802.11、IEEE 802.11b、蓝牙等无线通信技术一样,HomeRF工作在开放的2.4GHz频段,采用跳频扩频(FHSS)技术,跳频速率为50hops/s,共有75个带宽为1MHz的跳频信道,室内覆盖范围约45m,调制方式为恒定包络的FSK调制,且分2FSK与4FSK两种,采用FSK调制可以有效地抑制无线通信环境下的干扰和衰落。

2FSK方式下,最高数据的传输速率为1Mbps;4FSK方式下,速率可达2Mbps。在新的HomeRF2.x标准中,采用了宽带跳频(Wide Band Frequency Hopsping,WBFH)技术来增加跳频带宽,由原来的1MHz跳频信道增加到3MHz和5MHz,跳频的速率也提高到75hops/s,数据传输速率峰值达10Mbps。

HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进。HomeRF把共享无线接入协议(SWAP)作为网络的技术指标,当进行数据通信时,采用简化的IEEE 802.11标准,沿用类似于以太网技术中的载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)方式;当进行语音通信时,则采用DECT无线通信标准,使用TDMA技术。HomeRF提供了对流媒体真正意义上的支持,其规定了高级别的优先权并采用了带有优先权的重发机制,这样就满足了播放流媒体所需的高带宽、低干扰、低误码要求。

目前HomeRF技术仅获得了少数公司的支持,并且由于在抗干扰能力等方面与其他技术标准相比也存在不少缺陷,这些使得HomeRF技术的应用和发展前景受到限制,又加上这一标准推出后,市场策略定位不准、后续研发与技术升级进展迟缓,因此,从2000年之后,HomeRF技术开始走下坡路,2001年HomeRF的普及率降至30%,逐渐丧失市场份额。尤其是芯片制造巨头英特尔公司决定在其面向家庭无线网络市场的Any‐Point产品系列中增加对IEEE 802.11b标准的支持后,HomeRF的发展前景比较不乐观。这样看来,HomeRF很难冲出只能在家庭里应用的限制。

IEEE 802.15.1标准是IEEE批准的用于无线个域网的蓝牙技术标准,它是由蓝牙标准演变而来的。该标准于2002年推出,但是在实施过程中进行了修改,于2005年发布了它的修正版。IEEE 802.15.1主要规定了OSI模型中的物理层和数据链路层下的四个子层标准。

①无线层(RFlayer):无线层实现在主站和从站之间发送比特流。该层的无线接口基于天线能力,其功率为0~20dBm。蓝牙技术运行在2.4GHz频段并且传输链路范围从0.1~10m。

②基带层(basebandlayer):实现组合电路交换和分组交换,为同步分组传输预留时间带,一个分组可占1个信道、3个信道或者5个信道,每个分组以不同跳频发送。它可以完成成帧和信道管理的功能。

③链路管理器层(linkmanager):主要负责在蓝牙设备间建立链路。链路管理器也对安全、基带数据包大小协商、电源模式、蓝牙设备的周期性控制及蓝牙设备在所属微微网中与主设备的连接状态等方面进行管理。

④逻辑链路控制和适配协议(L2CAP:Logical Link Controland Adaptation Protocol):提供无连接和面向连接服务的上层协议,主要是完成协议的多路复用/分用,接受上层的分组分段传输,在接收端进行重组和处理服务质量等。

IEEE 802.15.1标准的工作频率范围是2.4GHz,传输数据时的有效带宽仅为500~700kbps之间。由于IEEE 802.15.1标准与蓝牙特殊利益集团(又名蓝牙特别兴趣小组)主张的蓝牙1.1标准完全兼容,为人们广泛地接受这种连接手机、计算机和其他设备的标准铺平了道路。

5.低速率无线个域网(LR‐WPAN)

(1)IEEE 802.15.4/ZigBee

IEEE 802.15.4是为满足低功耗、低成本的无线传感器网络要求而专门开发的低速率WPAN标准。IEEE 802.15.4工作在ISM频段,它定义了2.45GHz频段和868/915MHz频段两个物理层,这两个物理层都采用直接序列扩频(DSSS)技术。在2.45GHz频段有16个速率为250kbps的信道,在868MHz频段有1个20kbps的信道,在915MHz频段有l0个40kbps的信道。IEEE 802.15.4有如下优点:

①网络能力强。IEEE 802.15.4具有卓越的网络能力,在基于IEEE 802.15.4的网络中,可对多达254个网络设备进行动态寻址。

②适应性好。IEEE 802.15.4可与现有控制网络标准无缝集成。通过网络协调器可自动建立网络,采用载波监听多路访问/冲突避免(CSMA/CA)方式进行信道存取。

③可靠性高。IEEE 802.15.4提供全握手协议,能可靠地传递数据。

ZigBee建立在IEEE 802.15.4标准上,并确定了可以在不同制造商之间共用的应用协议,是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线传感器网络技术。它依据IEEE 802.15.4标准,可在众多的传感器节点之间相互协调实现通信。

ZigBee是建立在IEEE 802.15.4标准之上的,因此ZigBee并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层和数据链路层采用了IEEE 802.15.4标准,但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用支持子层和高层应用规范由ZigBee联盟进行制定。基于ZigBee的网络可以是一个由多达65000个网络节点组成的一个无线传感器网络,类似现有的移动通信的CDMA网络或GSM网络,每一个基于ZigBee的网络中的节点类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信。每个网络节点间的距离可以从典型的75m,到扩展后的几百米,甚至几千米。另外,整个基于ZigBee的网络还可以与现有的其他各种网络连接。但基于ZigBee的网络主要是为自动化控制数据传输而建立的,而移动通信网主要是为语音通信而建立的。基于ZigBee的网络的每个节点不仅本身可以是监控对象,它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料,例如,传感器连接直接进行数据采集和监控。除此之外,在自己信号覆盖的范围内,基于ZigBee的网络的主设备节点还可以和其网络中多个不进行信息转发的孤立从设备节点无线连接。基于ZigBee的无线传感器网络的每个节点可支持多到31个传感器节点和受控设备,每一个传感器节点和受控设备中可以有8种不同的接口方式,可以用来采集和传输数字量和模拟量。

ZigBee技术具有以下特点:

①数据传输速率低。只有10~250kbps的带宽,因而它专注于低数据传输方面应用。

②功耗低、成本低。由于工作周期很短,并且在应用中采用了休眠模式,那么收发信息功耗较低。ZigBee数据传输速率低,协议简单,这大大降低了成本。

③网络容量大。ZigBee支持星状、片状和网状网络结构,一个基于ZigBee的网络可以容纳最多254个从设备和1个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

④时延短。通常时延都在15~30ms之间,因此在对实时性要求高的自动控制领域,ZigBee有着很好的应用和推广。

⑤高安全性。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴定功能,采用AES‐128加密算法。

⑥有效范围小。ZigBee的通信有效覆盖范围在10~75m之间,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境,其具体通信范围受实际发射功率的大小和各种不同应用模式的影响。

ZigBee主要应用在距离短、功耗低且传输速率要求不高的各种电子设备之间,典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。因而它的应用目标主要是:工业控制(如自动控制设备、无线传感器网络)、医护(如监视和传感)、家庭智能控制(如照明、水电气计量及报警)、消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。

(2)Z‐WaveZ‐Wave是Z‐Wave联盟推出的一种基于射频的、低成本、低功耗、适用于无线传感器网络的高可靠性的无线通信技术。目前Z‐Wave主要专注于家庭自动化领域,主要包括照明系统控制、读取仪表(水、气、电)、家用电器功能控制、身份识别、能量管理系统等。

Z‐Wave属于低速率无线个域网通信技术,其工作频段为908MHzISM频带,其着力于窄带宽应用。Z‐Wave的带宽只有9.6kbps,因而它也不适合用于高数据传输的应用,由于家用自动化系统中传输的数据量不多,所以其9.6kbps的带宽已经足够了。Z‐Wave的传输距离为室内大于30m,室外大于10m,但这些都只是在单段传输时距离的理论值,实际的传输距离受发射功率的大小、应用模式及网络中中继节点的使用情况等因素的影响。由于Z‐Wave和前面介绍的很多无线通信技术一样工作在ISM频段,那样其所受到的干扰很多,但是Z‐Wave通过使用冗余的传送机制来降低干扰,利用浓缩帧格式和随机插入算法保证在网内设备之间高可靠性地进行通信。

基于Z‐Wave的网络是一个对等式网络,网络没有中心结构,节点之间的地位是平等的。网络中的节点可以随时加入和离开网络,而且任意节点的故障不会影响整个网络的运行,具有很强的抗毁性。

总之,根据Z‐Wave结构简单,成本低,功耗低,可靠性高,安全性高和其网络易管理等特征,Z‐Wave在家庭自动化领域的市场中将会占有一席之地。

(3)Insteon

Insteon是一种复杂度低、功耗低、数据传输速率低、成本低的双向混合通信技术,具有即时响应、易安装、易使用、经济可靠和与X10兼容的特点。Insteon被称为混合通信技术是因为它通过电力线和无线两种方式来实现家庭设备间的互联。Insteon网络是点对点通信的网状网结构,因而网络中所有设备的角色是对等的,都能发送报文、接收报文及转发报文,但是出于节能方面考虑,一般都不转发报文。

家庭网络中单独使用电力线或ISM频段都存在很多问题。单独使用无线通信时,无线设备要受到其他设备的干扰且无线信号在家庭环境中有很强的多径效应。使用电力线存在相位桥接和有严重电流噪声。为了解决这些问题,lnsteon通过电力线和无线构成的双线网状网络,改善了单一介质传输中的问题,提高了网络的可靠性。

Insteon网络工作在131.65kHz的电力线和904MHz的ISM频段上,采用CSMA实现MAC层的访问。当工作在131.65kHz时,它采用BPSK调制方式,突发数据速率为13165bps,平均数据速率为2880bps;当工作在904MHz时,它采用FSK调制方式,无线突发数据速率为38400bps。

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