无线个人域网络与无线传感/控制网络

图 1 WDSCN的一个应用例子

图2 一对 802.15.4 发射/接收机

图 3 簇-树状网络

图4 星状拓扑结构

图 5 点对点拓扑结构

近几年来，无线个人域网络 (WPAN)和无线局域网(WLAN) 技术已经迅速发展成为计算机网络中一个至关重要的组成部分，同时也是第四代(4G)无线通信和控制中的主流技术之一，并可以为第二代、第三代移动通信的各种空中接口提供无缝漫游连接。目前，WPAN与 WLAN已经成为可与3G技术竞争但又互补的无线网络。
与有线网络相比，无线网络的安装和维护费用低；与不采用国际标准的无线网络相比，WPAN与WLAN易于迅速推广；与适用于远距离的2G、2.5G和3G技术相比，WPAN与WLAN的研制开发和运作费用非常低；与高速、高功率的WLAN相比，WPAN的造价低得多，功耗小得多。
WLAN和WPAN的一项重要特性就是用户自己可以进行安装，并可以随心所欲地选择所要安装的场所，而且这些无线网络的构建成本目前也相当具有市场吸引力。

无线传感/控制网络(WDSCN)
尽管无线个人域网技术和产品的开发仍然处于初期阶段，但其应用领域已经在飞速地扩大。无线分布式传感/控制网络 (WDSCN)是WPAN在自动控制领域中的应用之一。WDSCN主要是为一个或一组机器与机器间的通信与控制(M2M)而设计的, 可以应用于传感器(收集数据)和控制器(执行命令)上。
图1是WPAN和WDSCN的一个应用实例。图中所示为温度/烟雾传感器、灯泡、交流电控制开关和手提电脑等。假使在您的居室内配备一个WDSCN，就可以在这些装置间进行无线通讯。不同传感器(烟雾、湿度、温度)的数据能够通过手提电脑来采集，同时所有的电控开关、灯泡和空调都能由手提电脑直接控制。特别是通过空调和家庭温度计间的通信，可以使空调智能化，自动调节室内的温度。
这些WDSCN技术适用于所有需要可移动或不易进行布线的领域，尤其适用于那些需要在客户面前当场通过电子交互式系统进行数据处理的工作环境，如自动控制、零售业、医疗、房地产、服务性行业、公共事业、现场工作、自动销售以及城市里的热点地区，如会场等。在未来的10年中, WDSCN技术将被广泛应用于制造业的工厂、变电站、石油和天然气管线以及供水系统, 甚至是我们的家庭。这种新型的无线网络很可能会部分地代替昂贵的有线控制网络。

WPAN 和 无线传感/控制
网络的关键技术
WPAN和WDSCN 的独特性在于它的网络理念是采用以个人为主的计算机通信。这就意味着用户和用户之间可以通过一个没有中央服务的网络来进行相互通信。该网络的特点在于其动态拓扑结构和节点的移动性。该网络的优点是可以按需设置、容错性好，可以无限制连接。一个装置可做为主端，而另一个则为附端。
然而，WPAN和WDSCN也将面临着下面的挑战：
● 互通性；
● 与蓝牙、家庭射频装置、和
IEEE 802.x之间的兼容；
● 对多媒体应用的支持等；
为了满足上述要求，美国和欧洲相关行业要求IEEE订立一条新标准：802.15.x 。在该标准组中专门为低数据率和低能耗下设了802.15.4标准组。
下面我们将介绍WPAN和WDSCN在互通性方面的详细技术。
无线系统微接收器
WPAN或WDSCN国际标准中关键的技术是一个特殊的微电子无线发射/接收机，这种发射/接收机的特点是造价极低、功耗极小、可用于人与机器以及机器与机器间的通信，特别适用于个人空间内各类传感器的智能控制。
IEEE 802.15.4标准对其微电子无线发射/接收机提供了详细的需求，如表1所示。从表中的数据可见，802.15.4在美国联邦通信委员会(FCC)规定的工业、科学和医疗(ISM)频段中能在同一区域内使多达16个的无线发射/接收机同时工作；其传输数据速率为250k比特/秒，与3G手机的传输速率相当；发射机功率1毫瓦，是GSM手机最低功率的1/800； 发射机在99.9%的时间内处于待机状态，在1000分钟里只有一分钟发射机开机工作，这意味着只装一粒钮扣电池就可以使一个802.15.4发射/接收机工作一年甚至更长时间！
图2 描述了无线发射/接收机的系统结构和系统中的主要部分。
网络协议技术
根据前一部分中所提及的WPAN和WDSCN网络的特性，IEEE 802.15.4标准包含以下要求：
可升级 卓越的网络能力，可对多达254个网络设备进行动态设备寻址。
适应性 与现有控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取。
可靠性 为传递可靠提供全握手协议。
根据网络要求和感应器分布的状况，簇-树状网络是WPAN和WDSCN中比较理想的一种网络结构，如图3所示。
簇-树状网络有两种类型设备：设计设备和网络设备，其中设计设备是作为簇-树状网络内PAN的协调器。管理簇-树状网络，需要使用如下两种网络拓扑结构：
● 星状拓扑 一个协调器和多个网络设备，如图4所示；
● 点对点拓扑 仅一项网络设备，如图5所示。

机遇与挑战 中国的无线
传感/控制网络
通过上述介绍，可以预测到WPAN和WDSCN的市场是很大的。几乎在所有的地方都可以发掘到他们的应用空间。根据市场分析，到2008年其全球市场销售额预测可以超过50亿美元。
面对这些充满吸引力的市场，通信和控制界的巨头们如摩托罗拉公司、菲利浦公司和Easton公司加紧了对WPAN和WDSCN开发的步伐。然而，为了获得更多的市场份额和利润，他们仅希望在发展中国家来销售该项产品而不是在技术方面进行合作。
在过去的15年内，无线通信发展势头强劲，一些中国企业和客户已经在该领域具备了丰富的产品以及相关应用的经验。WPAN和WDSCN作为可以由客户自行控制的网络，也将在不远的将来具有更广阔的市场空间。
目前，在中国开发这两项技术所面临的挑战在于他们是最新的尖端技术。对于技术开发来说，我们不仅仅是开发WPAN/WDSCN产品的应用，而且应该包括对技术的独立操作和开发。
目前赫立讯公司和其合作伙伴—美国的Helicomm公司，与北京航空航天大学合作，开始对WPAN/WDSCN技术进行研究与开发。主要研究开发无线局域网和无线个人网产品，并旨在提供具有创新性的、可靠的无线控制和传感器网络解决方案。赫立讯公司的目标是研究开发世界一流的802.15.4微电子发射/接收机，并将WPAN/WSDCN网络引进到中国的工业与家庭自动化领域，这将有助于使中国工业在基于IEEE 802.15.4的产品、技术和国际市场中成为领导者。
目前合作研发小组已经研究开发了世界级的802.15.4微电子无线发射/接收机模块，并正在以下的WPAN/WDSCN技术领域继续研发工作：
1. 不断按照最新的标准草案，修改Helicomm和北航 的无线TX/RX模块。
2. 研究开发WPAN/WDSCN 网桥硬件接口以及中间件软件，在广泛的国际互联网、蜂窝无线网络和控制网络之间提供无缝集成和互操作性。
3. 为WPAN/WDSCN网络安全研发独特的软件和硬件。

结语
可以想象一下，2010年时的网络设施，各种无线通信系统将象现在的有线通信系统一样流行，消费者在任何时间、任何地点都可以根据其需要使用这些网络。3G系统将在公众移动通信系统中发挥其远距离的长处，无线局域网(WLAN)将在局部范围的移动通信中起主要作用，作为短距离无线通信系统，无线个人域网(WPAN和WSDCN)将覆盖个人空间中各种传感器之间及与人与人之间的通信。这些个人网络将以人和机器为中心，在人与个人计算机、PDA及各种移动终端、传感器或通信设备之间建立了一个短距离的、安全的通信网络。■