WLAN与蓝牙（Bluetooth）技术发展

2019-11-03 09:16:36

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供稿：网友

　　摘要：本文介绍了WLAN和蓝牙（Bluetooth）技术基本概念，并详细描述了两者的技术特征以及两者标准化的发展现状，从技术角度描述了两者发展的趋势以及在未来个人通信中的战略地位。

　　关键字：WLAN、Bluetooth、技术指标、标准、发展

　　WLAN和Bluetooth简介

　　无线局域网WLAN顾名思义是一种借助无线技术取代以往有线布线方式构成局域网的新手段，可提供传统有线局域网的所有功能，它是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，它为通用无线接入的一个子集，它支持较高传输速率(2--54Mbit／s，甚至更高)，利用射频无线电或红外线，借助直接序列扩频(DSSS)或跳频扩频(FHSS)、GMSK、OFDM等技术，甚至将来的超宽带传输技术UWBT，实现固定、半移动及移动的网络终端对INTERNET网络进行较远距离的高速连接访问。因此，原则上它的目前速率尚较低，主要适用于手机、掌上电脑等小巧移动终端。1997年6月，IEEE推出了802.11标准，开创了WLAN先河；目前，WLAN领域主要是IEEE802.11x系列与HiperLAN／x系列两种标准。

　　蓝牙技术想法是产生于1994年EriCSSon推出了解决无线连线问题的技术开发计划，产生了推进无线连线与个人接入的想法。1997年Ericsson、IBM、INTEL，NOKIA及TOSHIBA这5个世界著名的无线设备及计算机、半导体设备制造公司商议建立一种全球化的无线通信个人接入与无线连线新手段，后定名为“蓝牙”(Bluetooth)。1998年5月正式发起成立了“蓝牙特别兴趣组织”BSIG(Blueteooth　Special　Interest　Group)，简称蓝牙SIG。1999年11月美国4家著名公司Motorola、Lucent、Microsoft及3Com加盟BSIG，成为BSIG的9个发起成员，使蓝牙技术的发展获得了更强有力的支持，并显示出更明朗的前景。现今，BSIG的参加成员已大于2500个，其发展势头令人触目。目前蓝牙信道带宽为1MHz，异步非对称连接最高数据速率723．2kbit／s；连接距离多半为10m左右，甚至为个人饰物，亦可属物体域网(WBAN)范畴。蓝牙速率亦拟进一步增强，新的蓝牙标准2．0版拟支持高达10Mbit／s以上速率(4、8及12Mbit／s—20Mbit／s)，估计在2004年以后推出，这是适应未来愈来愈多宽带多媒体业务需求的必然演进趋势。

　　WLAN与Bluetooth技术特征

　　蓝牙系统的基本特征

　　蓝牙系统结构的基本特征可从下述诸方面获得理解：(1)网络拓扑；(2)交换模式；(3)节能模式；(4)抗干扰性能；(5)鉴权、加密；(6)话音编码；(7)软件结构。

　　蓝牙的软件体系是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑；适用于几种不同商用操作系统的蓝牙规范正在完善中。蓝牙协议体系中设计协议和协议栈的主要原则为尽可能利用现有各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术融合及各种应用之间的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统和蓝牙技术规范的开放性，便于普遍开发新的应用。

　　蓝牙软件结构标准包括Core(核心)和PRofile(应用协议栈)两大部分。Core为蓝牙协议核心，主要定义蓝牙的技术细节，Profile定义相应的实现协议栈，这样即可为全球兼容性奠定基础。

　　蓝牙标准主要定义的是底层协议，也定义了一些高层协议和相关接口。具体协议分为4层：核心协议（蓝牙连接管理协议LMP、蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP、服务检测协议SDP）、蓝牙电缆替代协议RFCOMM、电话传送控制协议TCB　BIN／AT、与Internet应用相关的一些高层协议（PPP、UDP／TCP／IP、OBEX／vCard／vCal、IrMC、E—mail、WAP和WAE等）。

　　对蓝牙系统结构基本系统参数及指标要求可归纳如下

　　工作频段：ISM频段2.402GHz—2.480GHz；

　　双工方式：TDD；

　　业务类别：同时支持电路交换及分组交换业务；

　　数据标称速率：1Mbit／s；

　　异步信道速率：非对称连接723.2kbit／s／57.6kbit／s；

　　对称连接：433.9kbit／s(全双工模式)；

　　同步信道速率：64kbit／s(3个全双工信道)；

　　信道间隔：1MHz；

　　信道数：79；

　　发射功率及覆盖：0dBm(1mW)，1—10m覆盖，20dBm(100mW)，扩展至1O0m覆盖；

　　跳频频点数：79个频点／MHz(2408+k(MHz)，k=0，1，2……78)；

　　跳频速率：1600次／s；

　　工作模式：Active／Sniff／Hold／Park；

　　数据连接方式：面向连接业务SCO(话音，电路交换、预留时隙)、无连接业务ACL(分组数据、分组交换、轮询)；

　　纠错方式：1／3FEC(3bit重复码)，2/3FEC(截短Hamming码)，CRC—16，ARQ；

　　鉴权：反应逻辑算术方式；

　　密钥：以8bits为单位增减，最长128bits；

　　安全机制：链路级，认证基于共享链路密钥询问／响应机制，认证和加密密钥生成基于SAFER+算法；

　　话音编码方式：CVSD或对数PCM；

　　网络拓扑结构：Ad　hoc(无中心自组织)结构，Piconet及Scatternet；

　　WLAN的基本特征

　　(1)较高传输速率及较远连接距离。

　　WLAN的采用OFDM技术后的最高传速率可高达54Mbit／s，远高于目前蓝牙的最高标称数据速率1Mbit／s；并且，IEEE　802.11b WLAN系统终端用户共享11Mbit／s速率，而蓝牙最高通信速率仅为723.2kbit／s。在通信距离方面，虽然WLAN速率越高距离越短，但一般来说室内连接距离可大于100m，室外可达数百米或者更远。因此，速率与距离方面，WLAN的优势是明显的。

　　(2)较高频谱利用效率

　　容易理解，采用OFDM技术借助多状态调制处理的WLAN可取得较高的频谱利用效率，若进一步结合区域覆盖能力综合评价其容量能力与频谱利用效率则可有下述结果：蓝牙系统为30000bit／(s.qm2)，IEEE802.11a系统83000bit／(s.qm2).

　　(3)较适宜高速INTERNET连接及高质量多媒体传输

　　这是能以较高速率传输的必然结果。

　　WLAN和Bluetooth标准发展

　　1、 WLAN标准

　　1997年6月，IEEE推出了802.11标准，开创了WLAN先河；目前，WLAN领域主要是IEEE　802.11x系列与HiperLAN／x系列两种标准。

　　a、 IEEE802.11x系列

　　802.11是1997年IEEE最初制定的一个WLAN标准。主要用于解决办公室无线局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，其业务范畴主要限于数据存取，速率最高只能达2Mbit／s。由于它在速率、传输距离、安全性、电磁兼容能力及服务质量方面均不尽人意，从而产生了其系列标准；

　　802.11b，将速率扩充至11Mbit／s，并可在5.5Mbit／s、2Mbit／s及1Mbit／s之间进行自动速率调整，亦提供了MAC层的访问控制和加密机制，以提供与有线网络相同级别的安全保护，还提供了可选择的40位及128位的共享密钥算法，从而成为目前802.11系列的主流产品。而802.11b+还可将速率增强至22Mbit／s；

　　802.11a，工作于5GHz频段，借助OFDM技术，使最高速率提升至54Mbit／s；

　　802.11g，依然工作于2.4GHz频段，与802.11b兼容，最高速率亦提升至54Mbit／s，其系列化为1、2、5、5、6、9、11、12、18、24、36、54Mbit／s。

　　802.11c为MAC／LLC性能增强；801.11d对应802.11b版本，解决那些不能使用2.4GHz频段国家的使用问题；

　　802.11e则是一个瞄准扩展服务质量的标准，其分布式控制模式可提供稳定合理的服务质量，而集中控制模式可灵活支持多种服务质量策略；

　　802.11f用于改善802.11协议的切换机制，使用户能在不同无线信道或接入设备点间可漫游；

　　802.11h可用于达到比802.11a更好地控制发信功率(借助／PC技术)和选择无线信道（借助动态频率选择技术DFS），而与802.11e一道可适应欧洲的更严格的标准；

　　802.11i及802.1x主要着重于安全性，802.11i能支持鉴权和加密算法的多种框架协议，支持企业、公众及家庭应用，802.1x的核心为具有可扩展认证协议EAP，可对以太网端口鉴权，扩展至无线应用；

　　802.11j的作用是解决802.11a与欧洲HiperLAN／2网络的互连互通；

　　802.11／WNG解决IEEE802.11与欧洲ETSI的BRAN—HiperLAN及日本ARAB--HiSWAN统一建成全球一致的WLAN公共接口；

　　802.11n已将速率增强至108／320Mbit／s；并已进一步改进其管理开销及效率802.11／RRM与无线电资源管理有关的标准，以增强802.11的性能；

　　802.11／HT，以进一步增强802.11的传输能力，取得更高的吞吐量；

　　802.11Plus，拟制订802.11WLAN与GPRS／UMTS之类多频、多模运行标准，可有松耦合及紧耦合两种类型。松耦合时两种网络分别部署，WLAN仅利用GPRS之类网络的用户数据库，可通过Mobile　IP(MIP)提供两网络间的移动性，通过RADUIS(Remote　access　Dail—In　User　Service，远程接入拨号用户业务)实现AAA(Authentication　Authorization　Accounting，鉴权，授权和计帐)，由于MIP可能导致高传输时延，从而不容易达到无缝隙会话切换；而紧耦合时，WLAN直接连至业务支持节点SGSN或标准化接口Gb、lu等，WLAN数据需经_LTGPRS之类核心网转发，完全按GPRS方式进行AAA，此时，能在两网络间提供很强的移动性。为与蓝牙在2.4GHz频段较好共存，亦采用Ad　hoc网络拓扑结构及自适应跳频信道分配技术

　　b、HiperLAN／x系列

　　HiperLAN是由ETSI的RESl0工作组提出的欧洲WLAN标准。工作频段为5.12—5.30GHz及17.1—17.3GHz。早期的HiperLAN／1采用GMSK调制，最高传输速率为23.5Mbit／s，与当时技术上较成熟的IEEE802.11b相比，无明显优势；

　　HiperLAN／2采用OFDM作物理层手段，可将速率提高至54Mbit／s，并能有效对抗多径干扰，以及与IEEE　802.11a共享一些相同部件，在较大范围内取得较好的性能／价格比。其信道带宽为22MHz，调制方式亦为OFDM--BPSK／QPSK／16／64QAM，系列化传输速率为6、9、12、18、27、36、54Mbit／s。

　　HiperLAN／2具备另一些长处，如其接入点可监视相应无线信道并自动选择空闲信道，从而进行自动频率分配，使系统部署简单有效；数据通过移动终端与接入点间建立的信令链接进行传输，此面向链接的特征可容易实现QoS支持；与802.11协议只能由以太网作为支撑情况有不同，其协议栈具有很大灵活性，它既可作为交换式以太网的无线接入子网，也可作为3G蜂窝移动网络的接入网，而且，这种接入对网络层以上用户部分来说完全透明，从而目前在固定网络上的任何应用均可在HiperLAN／2上运行。

　　2、Bluetooth技术标准——IEEE　802.15x及16x系列

　　蓝牙技术与无线局域网WLAN、无线城域网WMAN、无线广域网WWAN一道，以蓝牙规范1．1版为基础已纳入IEEE802.X.Y系列中，成为WPAN系列标准IEEE802.15x之一，即802.15.1标准。802.15x系列标准将以蓝牙速率为基础，向低速率、高速率、更高速率全面迈进。

　　IEEE802.15.1即相当蓝牙技术标准。

　　802.15.2解决WPAN与WLAN之间的共存标准。

　　802.15.3标准作为高速WPAN接入，利用编码调制技术，可实现高达55Mbit／s的高速传输，功耗及成本可较低，复杂性亦可比OFDM时低，可实现控制QoS的高质量声音、视象多媒体传输。工作于2.4GHzlSM频段，Ad　hoc网络结构，可由五种调制方式实现11—55Mbit／s速率传输：22Mbit／s时用编码OQPSK，用2维8状态(2D--8S)TCM　QPSK及16／32／64QAM可实现们，33、44及55Mbit／s的高速传输，以满足蓝牙速率能力不足的图象和视频多媒体应用需求。

　　802.15.4标准针对诸如智能证卡，传感器、节能，安保。家庭自动化等低速率WPAN需要，目标是比蓝牙更简单。低功耗、价廉、方便灵活的低速率连接。IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层及MAC层的协议，其余协议主要参照现有标准，高层应用、测试及市场推广等方面工作将由ZigBee联盟负责，由此实施802.15.4的应用技术常称为ZigBee。ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国Inversys公司，日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司及荷兰菲力浦半导体公司组成，至今已吸引了上百家芯片公司。无线设备公司和开发商加盟。ZigBee为此技术的商业化品牌命名，如上已提及，为象征蜂群(Bee)跳ZigBee(“之”字形)舞蹈方式来分享新发现的食物源的位置、距离、方向等信息，表达此繁荣的生存，发展的新通信方式。而且，802.15.4还吸引了其它标准化组织注意，如IEEEl451工作组正在考虑以此为基础实现传感器网络(Sensor　Network)。

　　IEEE802.15.3a目标是提供更高速率物理层增强，UWB即为一种可能的技术途径。UWBG(Ultra　WideBand　Group)工业集团于1998年成立，至2002年2月其成员包括厂商及大学在内已超过540个，一些公司亦提议将UWB技术纳入IEEE802.15.3s标准。

　　WLAN与Bluetooth的互补关系以及战略意义

　　以Bluetooth技术为基础的WBAN、WPAN和WLAN构成了完整的无线接入体系。一般认为WBAN连接距离最短，为围绕人体、(物流等)物件或附属其上，WPAN连接距离大多在10m左右以内，最高达100m左右；而无线局域网WLAN连接距离很多为数千米至一百多米，包括采用智能天线在内EIRP增强后或中继室外运行时，其连接距离可增达数公里或更远。由于其技术指标和市场定位不同，使得它们相互支持与补充，构成一种完整有效的WLAN／WPAN／WBAN无线接入。

　　近代，通用无线接入作为先进手段实施接入网的全部或部分功能，它已成为有线接入的有效支持、补充与延伸；是快速、灵活装备与实现普遍服务的重要途径。无线接入目前虽然大部分为窄带，但中宽带与宽带(Wideband　and　Broadband)无线接入，包括2.5G／3G移动接入、不对称IP接入及卫星接入已成为可能，而蓝牙及WLAN／WPAN／WBAN技术可视为一种最接近用户的短距离、微功率、微微小区(Pico--cell)型无线接入手段，在构筑新世纪全球个人通信网络及无线连接世界方面将发挥其独特重要的作用。很明显，由于通用无线接入可综合包括宏大区、大区、小区、微小区、微微小区、移动、半移动(包括Nomadic游牧式)、可搬移(Transportable)及固定等多种接入覆盖模式，可有效覆盖三维物理空间的任何一角落及有效地在任何时候连接至任何个人用户，它对未来全球个人通信的实际连接覆盖的普遍化与重要性显而易见，而且无线接入与Internet联合运作的所谓无线Internet／移动IP，以及更进一步以全球移动通信演进发展沿1G→2G→2G+(2.5G，2.75G)→3G→3G+→4G这一发展脉络中，将及时大量运用及嵌入Bluetooth、WLAN／WPAN／WBAN之类新手段，进入所谓嵌入式(Embedded)世界，实现以Pico--cell小区个人接入为中心展开的无线个人域网络(WPAN／WBAN)时代，这将成为未来全球个人通信世界中的最重要环节之一。因此，Bluetooth、WLAN／WPAN／WBAN技术的战略意义将不言而喻。

　　参考文献

　　[1]Gil Held，无线数据传输网络: 蓝牙、WAP 和 WLAN：人民邮电出版社，2001

　　[2] Andrew S. Tanenbaum，Computer Networks (third edition) ：清华大学出版社，2000

　　[3]马建仓，蓝牙核心技术及应用：科学出版社, 2003

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