无线协议的比较研究：蓝牙、超宽带、ZigBee和Wi-Fi外文翻译资料

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无线协议的比较研究：蓝牙、超宽带、ZigBee和Wi-Fi

Jin-Shyan Lee, Yu-Wei Su, and Chung-Chou Shen

摘要

蓝牙（通过IEEE 802.15.1）、超宽带（UWB，通过IEEE802.15.3）、ZigBee（通过IEEE802.15.4）和Wi-Fi（通过IEEE802.11）是低功耗短距离无线通信的四种协议标准。从应用的角度来看，蓝牙用于无绳鼠标、键盘和免提耳机，UWB用于高带宽多媒体链路，ZigBee用于可靠的无线网络监控网络，而Wi-Fi则是针对计算机到计算机的连接，作为有线网络的扩展或替代。在本文中，我们提供了这些流行的无线通信标准的研究，评估他们的主要特点和行为方面的各种度量，包括传输时间，数据编码效率，复杂性和功耗。相信本文的比较将有助于应用工程师选择合适的协议。索引术语-无线协议，蓝牙，超宽带（UWB），ZigBee，Wi-Fi，短程通信。

一．引言

在过去的几十年里，工厂自动化在世界范围内发展成为一个非常有吸引力的研究领域。它整合了不同的现代学科，包括通信、信息、计算机、控制、传感器和执行器工程，带来了新的解决方案、更好的性能和完整的系统。工业通信是工厂自动化中日益重要的组成部分之一[1].为了实现互连，工厂自动化系统可以使用通用消息规范与各种传感器、控制器和异构机器相结合。许多不同的网络类型已被推广用于车间，包括控制区域网络（CAN）、过程现场总线（Profibus）、Modbus等。然而，如何为特定的应用选择合适的网络标准是工业工程师面临的关键问题。Lain等人。[2].为网络控制应用评估以太网（带冲突检测的载波感知多路访问、CSMA/CD总线）、控制网（令牌传递总线）和设备网（带消息优先级仲裁的CSMA、CSMA/AMP总线）。在详细讨论了每个网络的媒体访问控制（MAC）子层协议之后，他们研究了在控制情况下使用相应网络的关键参数，包括网络利用率和时间延迟。

另一方面，对于无电缆接入网络和服务，无线通信是一种快速增长的技术，提供灵活性和移动性[3].显然，减少电缆限制是无线相对于有线设备的好处之一。其他优点包括动态网络形成、低成本和易于部署。一般来说，短程无线场景目前由四种协议控制：蓝牙和UWB、ZigBee和Wi-Fi，它们分别对应于IEEE 802.15.1、802.15.3、802.15.4和802.11a/b/g标准。IEEE定义了10-100米范围内无线通信的物理层（PHY）和MAC层。对于蓝牙和Wi-Fi，Ferro和Potorti[4].从容量、网络拓扑、安全性、服务质量支持和功耗等方面比较了它们的主要特性和行为。在[5]中，Wang等人。比较了IEEE 802.11e和IEEE802.15.3的MAC。结果表明，它们之间的吞吐量差异很小。此外，802.15.3的电源管理比802.11e更为简单，对于ZigBee和蓝牙，Baker[6]研究了它们在工业应用中的优缺点，并声称ZigBee over 802.15.4协议可以满足比蓝牙更广泛的实际工业需要，因为它具有长期的电池操作，更有用范围、多个维度的灵活性以及网状网络体系结构的可靠性。

本文在综述了上述四种短距离无线协议的基础上，对它们进行了初步的比较，并具体研究了它们的传输时间、数据编码效率、协议复杂度和功耗。本文的其余部分安排如下。第二节简要介绍了蓝牙、UWB、ZigBee和Wi-Fi等无线协议。接下来，在第三节中对它们进行了综合评估。然后，在第四节中，分别基于IEEE标准和商用现货无线产品比较了复杂性和功耗。最后，第五节对本文进行了总结。

二．无线协议

本节介绍蓝牙、UWB、ZigBee和Wi-Fi协议，它们对应于IEEE802.15.1，1-4244-0783-4/07/$20.00copy;2007年IEEE 46，分别是802.15.3、802.15.4和802.11a/b/g标准。IEEE在其标准中只定义了PHY层和MAC层。对于每个协议，不同的公司联盟致力于开发涵盖网络、安全和应用程序配置文件层的规范，以便实现这些标准的商业潜力。

本节提供的材料在文献中广泛提供。因此，本文的主要目的不是对无线标准领域的研究做出贡献，而是对四种主要的短程无线网络进行比较。

A. 基于IEEE 802.15.1的蓝牙

蓝牙，也被称为IEEE 802.15.1标准，是基于一种无线无线电系统设计的，用于短距离和廉价的设备，以取代计算机外围设备（如鼠标、键盘、操纵杆和打印机）的电缆。这一系列的应用被称为无线个人区域网（WPAN）。蓝牙中定义了两种连接拓扑：微微网和散射网。微微网是由作为微微网中的主设备的蓝牙设备和作为从设备的一个或多个蓝牙设备构成的WPAN。基于主机地址的跳频信道定义每个微微网。在给定的微微网中参与通信的所有设备都使用主机的时钟进行同步。奴隶只能在主人的控制下以点对点的方式与主人沟通。主机的传输可以是点对点或点对多点。此外，除了在主动模式下，从设备还可以处于驻车模式或待机模式，以减少功耗。散射网是在时间和空间上重叠的可操作蓝牙微微网的集合。两个微微网可以连接起来形成一个散射网。蓝牙设备可以同时参与多个微微网，从而允许信息可能流到单个微微网的覆盖区域之外。散射网中的一个设备可以是几个微微网中的奴隶，但其中只有一个是主人。

B.基于IEEE 802.15.3的UWB

超宽带（UWB）作为一种室内短程高速无线通信技术，近年来受到广泛关注。[7] UWB最令人兴奋的特性之一是其带宽超过110mbps（高达480mbps），可以满足家庭网络中音频和视频传输等大多数多媒体应用，也可以作为高速串行总线（如USB 2.0和IEEE 1394）的无线电缆替代。继2002年2月美国和联邦通信委员会（FCC）对UWB进行频率分配之后，电子通信委员会（ECC-TG3）正在制定欧洲UWB技术的法规。从实现的角度来看，为了使用符合FCC法规要求的UWB技术，已经开发了几种解决方案。在现有的物理层解决方案中，在IEEE 802.15任务组3a（TG3a）中，多频带正交频分复用（MB-OFDM）是一种基于载波的系统，它将UWB带宽划分为子频带，WiMedia联盟和UWB论坛分别提出了一种基于脉冲的直接序列UWB（DS-UWB）系统，该系统将输入比特与扩频码相乘，并通过短脉冲调制符号元素来传输数据。TG3a于2003年1月建立，用于定义802.15.3的替代物理层。然而，在IEEE 802.15.3a中经过三年的干扰处理后，MB-OFDM和DS-UWB这两个提案的支持者都支持ieee802.15.3a任务组在2006年1月未结束的情况下关闭。另一方面，IEEE 802.15.3b对802.15.3mac子层的修改已经在2006年3月得到批准并发布。

C.通过IEEE 802.15.4的ZigBee

ZigBee over IEEE 802.15.4定义了低速率WPAN（LR-WPAN）规范，用于支持功耗最小、通常在10米的个人操作空间（POS）中操作的简单设备。ZigBee提供具有长电池寿命的自组织、多跳和可靠的网状网络[8-9]。两种不同的设备类型可以参与LR-WPAN网络：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。FFD可以作为PAN协调器、协调器或设备在三种模式下工作。FFD可以与RFD或其他FFD交谈，而RFD只能与FFD交谈。RFD用于非常简单的应用，例如光开关或被动红外传感器。它们不需要发送大量数据，一次只能与一个FFD关联。因此，RFD可以使用最小的资源和内存容量来实现。在第一次激活FFD之后，它可以建立自己的网络并成为PAN协调器。全明星网络独立于目前运行的所有其他明星网络。这是通过选择一个泛标识符来实现的，该泛标识符当前不被无线电影响范围内的任何其他网络使用。一旦选择了PAN标识符，PAN协调器就可以允许其他设备加入其网络。RFD可以作为分支末端的离开节点连接到集群树网络，因为它一次只能与一个FFD关联。任何ffd都可以充当协调器，并向其他设备或其他协调器提供同步服务。这些协调器中只有一个可以是整个PAN协调器，它可能比PAN中的任何其他设备具有更大的计算资源。

D. 基于IEEE 802.11a/b/g的Wi-Fi

无线保真度（Wi-Fi）包括用于无线局域网（WLAN）的IEEE802.11a/b/g标准。它允许用户在连接到接入点（AP）或以特别模式时以宽带速度上网。IEEE 802.11体系结构由几个组件组成，这些组件相互作用，提供一个无线LAN，支持对上层透明的站点移动性。IEEE 802.11lan的基本小区称为基本服务集（BSS），它是一组移动或固定站。如果一个电台离开了它的基站，它就不能再直接与基站的其他成员通信。IEEE 802.11在BSS的基础上，采用了独立的基本服务集（ibs）和扩展服务集（ESS）网络配置。如图1所示，当IEEE 802.11站能够在没有任何AP的情况下直接通信时，IBSS操作是可能的。由于这种类型的IEEE 802.11lan通常是在没有预先规划的情况下形成的，只要LAN是需要的，这种类型的操作通常被称为ad hoc网络。与独立存在不同，BSS还可以形成由多个BSS构建的扩展形式的网络的组件。用于互连bss的体系结构组件是分布式系统（DS）。带有ap的DS允许IEEE 802.11创建任意大小和复杂度的ESS网络。这种类型的操作通常称为基础设施网络。

三．比较研究

表一总结了四种协议之间的主要区别。每个协议都基于一个IEEE标准。显然，UWB和Wi-Fi提供了更高的数据速率，而蓝牙和ZigBee提供了更低的数据速率。通常，蓝牙、UWB和ZigBee用于WPAN通信（大约10米），而Wi-Fi则面向无线局域网（约100米）。不过，ZigBee在某些应用中也可以达到100米。

在UWB波段工作的UWB发射器的FCC功率谱密度发射限值为-41.3dbm/Mhz。这是适用于UWB频带中的无意发射的相同限制，即所谓的第15部分限制。蓝牙和ZigBee的标称传输功率为0 dBm，Wi-Fi为20 dBm。

配电系统

BSS系统

AP：接入点

BSS;基本服务集

ESS：扩展服务集

IBSS:独立基站

图1.Wi-Fi网络的IBS和ESS配置

表一：蓝牙、UWB、ZigBee和Wi-Fi协议的比较