一个关于蓝牙、超宽带、ZigBee和Wi-Fi无线协议的比较研究外文翻译资料

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一个关于蓝牙、超宽带、ZigBee和Wi-Fi无线协议的比较研究

摘要——蓝牙（通过IEEE 802.15.1），超宽带（UWB，超过IEEE 802.15.3），ZigBee（超过IEEE 802.15.4），以及Wi-Fi（通过IEEE 802.11）是用于低功耗短程无线通信的四种协议标准。从应用程序的角度来看，蓝牙用于无绳鼠标、键盘和免提耳机，超宽带是针对高带宽多媒体链路，ZigBee是设计了实现可靠的无线网络化监控网络，而Wi-Fi则直接指向计算机到计算机作为有线网络的扩展或替代的连接。在本文对这些流行的无线网络进行了研究。 通信标准，评估其主要特征和各种度量的行为，包括传输时间、数据编码效率、复杂性和功耗。据信，本文的比较结果帮助应用工程师选择适当的协议。

索引——无线原型、蓝牙、超宽带（UWB），ZGBEE，WI-FI，短程通信。

1. 导言

在过去的几十年中，工厂自动化得到了发展在世界范围内成为一个非常有吸引力的研究领域。它结合了不同的现代学科，包括沟通，信息、计算机、控制、传感器和执行器以集成的方式进行工程设计，从而产生新的解决方案，更好的性能和完整的系统。其中之一 工厂自动化中越来越重要的部件是工业通信（1）。出于互连目的，一个工厂自动化系统可与各种传感器、控制器和使用通用消息规范。许多不同的网络类型被提升到车间使用，包括控制局域网（CAN）、过程现场总线（Profibus）、Modbus等等。但是对工程师莱恩等人来说如何选择合适的网络标准特殊应用是工业界的一个关键问题（2）。评估了以太网（载波感知 具有碰撞检测、CSMA/CD总线的多址访问），控制网（令牌传递总线）和设备网（CSMA 消息优先级仲裁，CSMA/AMP总线）网络控制应用。经过详细的讨论介质访问控制（MAC）子层协议网络，他们研究了相应的关键参数在控制情况下使用的网络，包括网络 利用率和时间延迟。

另一方面，用于访问网络和服务，如果没有电缆，无线通信将迅速发展提供灵活性和移动性的技术（3）。显然，减少电缆限制是一个好处，关于有线设备的无线。其他好处 包括动态网络形成，成本低，容易部署。一般来说，短程无线场景目前有四种协议：蓝牙和超宽带，ZigBee和Wi-Fi，它们分别对应于IEEE802.15.1、802.15.3、802.15.4和802.11a/b/g标准。IEEE定义物理（phy）和mac行动范围内的无线通信层大约10-100米。适用于蓝牙和Wi-Fi、Ferro和Potorti（4）。比较了它们的主要特征和行为包括容量、网络拓扑结构、 安全性、服务质量支持和功耗。（5）在王等.比较了IEEE 802.11e和IEEE 802.153。他们的研究结果表明它们之间的差别很小。此外，电源802.15.3的管理比802.11e的管理容易。 Zigbee和蓝牙，Baker[6]研究了他们的优势和工业应用的弱点，并声称由于其长期的电池，工业需求比蓝牙更大ZigBee超过802.15.4协议可以满足更广泛的操作、更大的使用范围、灵活性。网格网络体系结构的尺寸和可靠性。本文在概述了上述四种短距离无线协议的基础上，对其进行了初步的研究。比较它们，然后专门研究它们传输时间、数据编码效率、协议复杂性和功耗。本文的其余部分组织为跟随。第二节简要介绍无线协议，包括蓝牙、UWB、ZigBee和Wi-Fi。接下来，第三节对其进行了一个综合评价。然后，在第四节中，分别基于IEEE标准和商用现货无线产品的复杂度和功耗进行比较。最后，第五节本文结束。

1. 无线协议

本节介绍蓝牙、UWB、ZigBee和Wi-Fi协议，分别符合IEEE 802.15.1,802.15.3、802.15.4和802.11a/b/g标准。IEEE只定义了PHY和MAC层标准。对于每个协议，公司的联盟是独立的

制定覆盖网络的规范，安全和应用程序配置文件层，使商业这些标准的潜力是可以实现的。

本节中介绍的是其中材料。因此，本文的主要目的不是为了为无线标准领域的研究做出贡献，但是给出了四种主要短距离无线的网络进行比较。

1. IEEE 802.15.1蓝牙

蓝牙，又称IEEE 802.15.1，标准是基于无线无线电系统设计的一种短距离和便宜的设备代替电缆的计算机外围设备，如鼠标、键盘、操纵杆和打印机。这个范围内的应用程序被称为无线个人区域网络(WPAN)。其定义了两个连接性拓扑蓝牙:piconet和scatternet。piconet是一个WPAN由蓝牙设备组成，用作piconet和作为的一个或多个蓝牙设备。一个基于主机地址的跳频信道定义每个微微网。所有参与的设备在给定的piconet中，通信使用主人的钟。奴隶只和他们的主人交流以点对点的方式在主程序的控制下。的主信号可以是点对点传输，也可以是点对多点传输。此外，除了在活动模式下，从设备也可以处于停车或待机模式，以降低功率消耗。散网是一个可操作的集合蓝牙微微网在时间和空间上重叠。两个微网可以连接起来形成一个散网。蓝牙设备可以同时参与多个微微网，这样就允许了信息流动的可能性

超出单个微微网的覆盖范围。一中的设备scatternet可以是几个微微网的奴隶，但可以是几个微微网的主人。

1. UWB / IEEE 802.15.3

超宽频作为一种室内设备，近年来备受关注短距离高速无线通信之一。超宽带最令人兴奋的特点是它的带宽超过110mbps(最高可达480mbps)哪个能满足大部分多媒体应用，如音频和视频传输在家庭网络中，它也可以作为无线电缆更换USB 2.0等高速串行总线IEEE 1394。跟随美国和联邦通信委员会(FCC)的频率分配UWB于2002年2月推出电子通讯委员会(ECC TG3)正在拟订一个欧洲对超宽带技术的监管。从一个实现的角度来看，已经有了几种解决方案是为了使用超宽频技术而开发的符合FCC的监管要求。在现有的PHY解决方案，IEEE 802.15 Task Group 3a (TG3a)， multiband正交频分复用(MB-OFDM)，一种基于载波的系统，将超宽带划分为子频带，直接序列超宽带(DS-UWB)，基于脉冲的将输入位与扩展码相乘的系统

通过调制符号的元素来传输数据随着一个短脉冲被WiMedia提出联盟和UWB论坛。TG3a是创建于2003年1月，用于定义替代PHY层802.15.3。然而，经过三年的阻塞过程ieee802.15.3a，两项建议的支持者，MB-OFDM和DS-UWB，支持关闭IEEE 802.15.3a任务2006年1月未见结论。另一方面，IEEE 802.15.3b，对802.15.3 MAC的修改subblayer已于2006年3月获得批准并发布。

1. ZigBee通过IEEE 802.15.4

基于IEEE 802.15.4的ZigBee定义了用于支持以下简单设备的低速率WPAN (rr -WPAN)规范消耗最少的电力，通常在个人操作操作空间(POS)为10m。无线个域网提供了自组织,多跳，长电池可靠的网状网络。两个不同的设备类型可以参与LR-WPAN网络:全功能设备(FFD)和a

精简功能设备(RFD)。FFD可以在三种情况下工作充当PAN协调器、协调器或a的模式设备。FFD可以与RFD或其他FFD通信，而RFD可以与RFD通信只能和FFD对话。RFD用于应用程序这是非常简单的，如电灯开关或被动式红外传感器。他们不需要发送大的数量的数据，可能只与一个FFD在一些时间。因此，RFD可以使用最小的资源和内存容量。FFD之后是

第一次激活时，它可以建立自己的网络成为PAN协调器。全明星网络运营独立于目前所有其他星网操作。这是通过选择PAN标识符来实现的，其他网络目前没有使用哪个无线电势力范围。一旦选择了PAN标识符，PAN协调器可以允许其他设备加入它网络。RFD可以作为一个连接到集群树网络在分支的末尾保留节点，因为它只能每次关联一个FFD。任何ffd均可作为协调器，并向其他提供同步服务设备或其他协调器。只有一个协调员可以是整体的PAN协调器，哪个可能更大计算资源比PAN中的任何其他设备都多。

1. IEEE 802.11a/b/g无线网络

无线保真度(Wi-Fi)包括IEEE 802.11a/b/g无线局域网(WLAN)的标准。它允许当连接时用户可以以宽带速度上网到接入点(AP)或在特设模式下。IEEE 802.11体系结构由与之交互的几个组件组成提供无线局域网，支持站点的移动性对上层透明。IEEE 802.11的基本单元局域网被称为基本服务集(basic service set, BSS)，它是移动或固定电台。如果一个站从它的基站移出，它不能再直接与其他成员沟通了吗。基于BSS, IEEE 802.11采用了独立软件基本服务集(IBSS)和扩展服务集(ESS)网络配置。如图1所示，IBSS当IEEE 802.11工作站能够时，操作是可能的没有任何AP直接通信。因为这种类型EEE 802.11局域网通常是在没有预先计划的情况下形成的只要需要局域网，这种类型的操作就是通常称为特设网络。而不是现有的独立地，BSS也可以构成由多个BSSs构成的网络的扩展形式。用于互连BSSs的体系结构组件是配电系统(DS)。带有APs的DS允许IEEE 802.11创建任意大小和复杂性的ESS网络。这操作类型通常称为基础结构网络。

1. 比较研究

表一总结了这四种方法的主要区别协议。每个协议都基于IEEE标准。显然，UWB和Wi-Fi提供了更高的数据速率，而蓝牙和ZigBee提供了较低的一个。一般来说,蓝牙、UWB和ZigBee都是为WPAN设计的通讯(约10米)，而Wi-Fi是定向的WLAN(约100米)。然而，ZigBee在某些应用程序中也可以达到100米。超宽带FCC功率谱密度发射限制在超宽频带工作的发射机为-41.3 dBm/Mhz。这是非故意排放者适用的相同限制超宽带，即所谓的第15部分限制的名义蓝牙和ZigBee的传输功率均为0 dBm，Wi-Fi是20 dBm。

图1是Wi-Fi网络的IBS和ESS配置

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