无线标准的比较分析

1 概述

　　本文比较了电气电子工程师协会(IEEE)中已经发布了的几种无线标准。它主要从物理层上，解释了IEEE 802.11, 802.15.1, 802.15.4和802.15.6 无线标准之间的不同点和相同点。

2 无线标准

　　我们这里选择的无线标准都是已经通过了的可用标准。这种解释不意味着含盖了所有无线标准，因为新的无线标准还在不断地涌现。

2.1 IEEE 802.11 - WLAN/Wi-Fi

　　无线局域网Wireless LAN (WLAN, 也称Wi-Fi) 是一种低层、通用型的数据通信网络技术。WLAN 标准工作于 2.4 GHz 和5 GHz 的工业、科学和医疗 (ISM) 频段。

　　IEEE 802.11 标准是一个系列标准，它包含了许多经过变化的标准，比如： IEEE 802.11a/b/g/n。WLAN 的应用我们是有目共睹，在公共基础设施中，如：飞机场、办公楼、咖啡店、快餐店、家庭、购物中心、娱乐中心等无处不在，到处都可以看到人们用电脑通过它接入互联网。

2.2 IEEE 802.15.1 – 蓝牙

　　IEEE 802.15.1 标准是基于蓝牙无线通信技术的标准。蓝牙是一种低层、特定、通用的短距离通信无线标准。它是为小巧且价格低廉设备而设计的低功耗的标准。这种技术按距离可把设备分为了三类：1类, 2类和3类，它们的距离分别是：100米，10米和1米。蓝牙和WLAN一样，同样工作于 2.4 GHz 频段，但两种技术使用了不同的信号发送方法，用来防止信号间的相互关涉。

2.3 IEEE 802.15.4 - ZigBee

　　ZigBee 是一种底层、特定、通用的类似于蓝牙的无线标准。IEEE 802.15.4 标准被公认为ZigBee，但ZigBee又在802.15.4标准的基础上加入了一些特性。它工作于868 MHz，915 MHz和2.4 GHz ISM频段。

2.4 IEEE 802.15.6

　　IEEE 802.15.6 是一种应用于医疗环境的人体局域网（BAN）标准。主要用于实时地连续监测病人的身体特征。无线监测大量病人的生理学信号是当前医疗中的一项具体需求，目标是为了在卫生保健系统实施一个完全的无线传感器网络。这样的应用要面对来自软件和硬件设计的挑战。比如一些应用要求：通信必须可靠，消除来自病人之间的信号冲突，防止来自外界无线设备带来的干扰，低价，低功耗，提供病人可能随时需要位置变化的灵活性。

3 工作模式

　　无线网络有两种独特的工作模式：基础型与特别型。基础型无线网络通常有一些基站（在802.11标准中也称之为访问点AP），它们做为中心节点，然后连接其他无线终端。基站通常提供了与因特网、内部网或者其他无线网络的连接。在大多数情况下，基站有着一个固定的位置，但也有某些基站是移动着的。基础型网络的缺点是：因为基站做为中心点，如果这个点停止工作，那么无线终端之间就不能进行相互通信。

　　特别型（Ad hoc）网络能够形成一种“腾空”的状态，即可以在没有一个基站的情况下实现通信。自我组织是构成特别型网络的特色，因为这里没有中心节点发起通话。在特别型网络中，无线终端可以与网络中的其他终端直接通信，而基础型网络是通过基站传递这些信息。

　　不同的标准对这两种运行模式的支持，有着不同的能力。表1 给出了不同标准支持不同模式的概要。

表1：不同无线网络标准的不同运行模式

4 介质访问

　　为了实现双向无线通信，通信协议详细描述了无线终端是怎样建立起介质访问的。802.11标准详细说明了一种称之为介质侦听、多路访问和冲突避免的方法（CSMA/CA）。介质侦听、多路访问和冲突检测（CSMA/CD）已经用于有线的以太网当中，而无线的对应数据链路层协议就是CSMA/CA。CSMA/CA技术允许完成无线传送而没有来自其他终端的打扰。

　　当使用CSMA/CA时，一部分的数据速率丢失在这个协议的报头部分。如果通信是单向的，那么通信通道能够得到很好的利用，因为源终端不用考虑来自其他终端的通信。为了处理隐藏终端的问题，802.11 也可以使用请求发送、清除发送（RTS/CTS）信号，保证用于通信通道的畅通。

5 频段、数据速率和范围

　　原先都是按使用频段、传送速率和覆盖范围来描述标准之间的不同。根据表2， 802.15.6（BAN）比其他技术的距离要短很多，但这被证明了是一个优点。通信的距离短对需要的功率就低，使用设备的尺寸也更小，频率复用的效果也更好。这对BAN来说是个好消息，因为设计的初衷就是使它尽可能的不显眼，可以放在衣服中、贴附或者植入在身体上。

　　从表中还可以看到，好几个标准都运行在2.4 GHz波段。802.11g是这样设计的，所以它可以与802.11b相兼容，而且使它们能够共同存在。然而，当一个 802.11g 基站运行在802.11b的模式时，它使所有相连接终端的数据速率降低到802.11b的水平。802.15.1也占用2.4 GHz频段，但使用的是不同的信号发送的方法，因此它们之间产生的干扰不不是很严重。关联这两种标准，我们也想到现在使用的家用电器也共同使用这个资源，如：微波炉和某些种无绳电话都使用2.4 GHz的频率波段。

　　观察表2发现的另一个现象是：802.11n和其他标准使用相同的频段，但竟然能使数据速率高达248 Mbps。由于使用了称之为多输入多输出（MIMO）技术，使得该标准达到了更高的数据速率和更远的距离。MIMO使用多个发送和接收天线，并且结合了特殊编码技术，从而在相同的频率下传输更多的数据。

注： 1 特定于户外、少障碍物的环境。 2 802.11n 设备使用两流（四个天线）的情况。 3 蓝牙2.0版本。 4 蓝牙1类设备。 表2：不同无线标准的比较

6 调制和信号编码

　　为了通过无线介质传送二进制数据，需要进行一次把数字量变成模拟信号的调制过程。当模拟信号被接收时，还需要把它转换成数字形式，还原成二进制数据。上述标准使用了几种不同的方法，完成了表面上看上去一样的任务。一种标准的调制技术通常由标准的设计目标和应用的具体环境来决定。

　　在具体使用时，每种技术有不同的特性：

抗干扰（多通道、衰减等） 功率消耗 频谱效率（有效频率使用） 硬件复杂性

　　表3列出了每种标准使用的调制方式和编码方案。要注意的是，不是某个标准必须强制使用某个方案。其中的一些标准可能需要实现互操作，而其他标准要根据使用的修订标准来选择。每种技术的全名列于下表。

　　要注意802.11n现在为草案标准，还不是完全成熟的标准，所以在正式发布时，一些细节可能会有所变动。

　　所有不同的技术列于表3，更加通用的分类方法见表4，使得读者更容易地观看。在表4中，我们能够看到所有无线标准几乎都使用PSK方案，除了新的802.11n 标准，它采用是QAM和阿拉莫第（Alamouti）STBC。

表3：用于无线标准的调制和编码技术

表4：调制和编码技术简化表

　　大多数调制和编码方案具有长长的名字，因此它们被缩写成表3。下面列出的是每种方案的完整名字。

相移键控（PSK） – 二进制相移键控（BPSK） –正交相移键控（QPSK） – 偏移正交相移键控（OQPSK） – 差分相移键控（DPSK） * 8相差分相移键控（8DPSK） * 差分二进制相移键控（DBPSK） *差分正交相移键控（DQPSK） *p/4 循环差分正交相移键控（p/4-DQPSK） *频移键控（FSK） –高斯频移键控（GFSK） 幅移键控（ASK） 正交幅度键控（QAM） 互补码键控（CCK） 阿拉莫第 时空块码（STBC） 正交频分复用（OFDM） 扩频（SS） –直序扩频（DSSS） –并序扩频（PSSS） –适频跳扩频（AFH）

　　802.11 a/g/n 使用了64-QAM编制6个数据位到每个传送符号的方案，这被称为“高次调制”。当结合了OFDM时，它提高了高频段的效率。使用64-QAM的缺点是：在接收器解调信号时，比使用BPSK和QPSK兼容系统需要一个更高的信躁比（SNR）。这意味着在通常情况下，高次调制需要高的传送功率，以达到与低次调制，如：BPSK和QPSK相同的位错率（BER）。在802.15.4中BPSK和OQPSK（类似于QPSK）的使用，反映了这样一个事实，就像802.15.4的设计目标，制造更低功耗的设备，使需要的能源消耗达到最低。