Wireless Personal Area Networks.docx

1、Wireless Personal Area NetworksDistributed Information SystemsThe Term PaperWireless Personal Area Networks指導教授：莊裕澤 教授學生姓名：高婉婷學生系級：資管所研一學生學號：R89725011目 錄一、PANPersonal Area Networking的問題P2二、何謂Wireless Personal Area Networks.P3三、WPAN的發展歷史.P4四、關於IEEE 802.15P5五、關於Bluetooth System.P7六、Bluetooth的發展現況與未來展望

2、.P11七、關於HomeRF.P13八、結論與心得.P14九、參考文獻.P15一、PANPersonal Area Networking的問題在進入探討WPAN這個主題之前，我們先來看看PAN的挑戰和限制，PAN就是Personal Area Networking，也就是連結在個人活動範圍內各項隨身電子設備的小型網路，而它最大的問題和限制就在於實體“線”本身。用實體線路傳輸資料會有一些無可避免的問題，像是線路突然斷掉、訊號在線路中迷路、外來的訊號突然闖進線路中，或者遺失與遠端的連線等，所以利用實體線路傳輸資料時，“線”本身就是一個非常重要的component，少了它或者它無法正常運作的時候，資

3、料的傳輸也就受到嚴重限制了。 接著試想一個人隨身帶著一個手錶、一支手機、一台PDA以及一組個人用耳機，則他的身上至少會有三個顯示器輸出設備、兩個輸入設備、一個麥克風和三個擴音器，如果他想要將這些設備連接在一起，以便這些設備彼此之間能夠分享資訊、傳遞資料，則他還必須帶著兩條長範圍的連接線路網路線，否則他將無法將這些設備連接在一起，由這個例子就可以感受得到實體線路對PAN的限制；而且PAN還會產生不必要的重覆Duplication，比方傳輸的資訊、硬體設備輸入、輸出Component、資料的輸入以及一些軟體的功能。因此隨著網際網路應用的蓬勃發展，以及寬頻無線通訊技術的快速發展，人們對於無線網路整合

4、應用技術的需求也越來越迫切；展望未來，無線通訊應用的終端產品必將整合資訊產品的功能，並逐漸朝向輕、薄、短、小的方向發展，讓使用者更加易於攜帶及使用。二、何謂Wireless Personal Area Networks 隨著Internet和多媒體通訊技術的快速發展，人們對於寬頻、無線通訊應用的需求也越來越急迫；繼廣域網路WAN，Wide Area Networks、都會區域網路MAN，Metropolitan Area Networks以及區域網路LAN，Local Area Networks的發展之後，現在最熱門的技術是無線網路小範圍應用的研究發展。目前在無線網路小範圍應用這方面的代表性研

5、究成果，主要有以下三項：以無線區域網路Wireless LAN為典型應用的IEEE802.11通訊協定、由多家著名資訊電腦、通訊、及消費電子廠商為核心所發展的HomeRF業界標準，它們提出以家庭應用為背景的SWAP（Shared Wireless Access Protocol）協定，以及由Ericsson等公司發起成立的藍芽技術小組所提出的藍芽系統Bluetooth System。最近提出的無線個人區域網路WPAN，Wireless Personal Area Network在短時間內已經成為各方矚目的一個新焦點，可見其受重視的程度。Wireless Personal Area Networ

6、ks簡稱為WPAN，主要是將在個人操作空間內的各項電子通訊產品，如個人電腦、PDAs、Notebook、手機及某些可移動性的消費型電子元件等，利用無線通訊技術建立它們彼此的連線，以增加它們分享、共用資源的能力。而目前在無線個人區域網路方面的技術發展目標主要是以 Bluetooth技術為基礎，Bluetooth已經成為目前通訊領域中的一個熱門焦點，未來的IEEE 802.15也有可能會修訂Bluetooth以作為標準的規範，預計在不久的將來它會成為無線網路通訊小範圍應用的國際標準，在後面的章節裡還會對它有更多、更詳細的介紹。三、WPAN的發展歷史 WPAN的技術最早是從1997年IEEE Por

7、table Application Standards CommitteePASC內部的一個“ad hoc”團隊所開始研究發展，而在同一時期並沒有其它小組或者標準機構投入相關的研究；一直到1998年3月一個隸屬於IEEE 802.11的研習小組開始發展Project Authorization RequestPAR，進而在1999年3月衍生出IEEE 802.15 WPAN工作小組，這個工作小組的主要任務就是要針對短距離、小範圍的無線網路內發展出無線個人區域網路的標準。 IEEE 802.15 WPAN工作小組的成員主要由Federal Express、Intermec Technologie

8、s、Boeing、Harris、Symbol Technologies以及 Texas Instruments等50家公司所參與組成，802.15工作小組主要是針對WPAN在010公尺小範圍內、資料傳輸速率小於1Mbps、小型化、低成本，以及低電力消耗的市場，邀請產業界提出市場需求及技術的解決方案，其所制定的新標準主要以2.4GHz技術為發展基礎，將可以和現存802.11無線區域網路的標準共用，而這項技術也與由Bluetooth Special Interest GroupSIG所主導發展中的藍芽技術相當雷同近似，所以802.15工作小組所發展出來的技術解決方案並不會讓人覺得陌生，反而有份熟悉

9、感；雖然802.15標準可能會因為藍芽發展的標準而受到排斥，但不論最後大家所採用的標準為何，能與其它的技術共存使用是這個工作小組的首要原則，所以工作小組強調其所發展出來的標準有三個主要的目標：具有廣泛的市場應用性、能夠與既有標準共存或共同運作，以及能夠被廣泛地使用；也就是強調標準全球化的重要性，期望建立一套在每一個地方都能夠使用的通訊標準。四、關於IEEE 802.15與其它的無線通訊協定如：HomeRF、Bluetooth比較起來，IEEE 802協定主要focus在ISO/OSI Reference Model中的較低層，比較圖如下：IEEE P802.15 WPAN工作小組被授權發展針對

10、短距離無線網路內的個人區域網路標準，他們的主要工作就是要建立產業內新興的需求規格、提供一個公開的討論空間讓各方共同討論提議、定義相關的名詞以及建立一致的解決方案。 目前IEEE 802.15 WPAN的技術特點如下：“A”List -1. 使用全世界目前還未經認可unlicensed的射頻頻譜分佈，像是2.4GHz頻段。2. 相對於目標設備target device而言，是低成本的。3. 體積小，約小於.5立方英寸包含天線和電池。4. 容易管理的，目前只使用非常低的消耗量。5. 非同步Asynchronous或非連結導向Connection-less的資料連結。6. 在同一個區域內能允許多個無

11、線個人區域網路並存400平方英尺內能容納20個wireless PANs。7. 在同一個區域內能允許與多種無線系統例如：P802.11共存。8. 有WPAN網路存取控制Network Access Control。“B”List -1. 設備之間最大的通訊距離約010公尺。2. 網路支援最少16個通訊設備。3. Bridges或者Gateways能夠連結到其它的資料網路。4. 從一個通訊設備device傳送資料到另外一個設備的資料傳輸量Delivered Data Throughput約19.2100 kbits/s。5. 在WPAN內的所有通訊設備必須要能夠彼此互相溝通、連結。6. 提出Qo

12、S以支援多種流量型態traffic types。7. 同步Synchronous以及連結導向Connection-oriented的資料連結。而P802.15 WPAN的技術需求與IEEE P802.11比較如下圖所示：五、關於Bluetooth System 在無線個人區域網路發展技術方面，Bluetooth System相較而言似乎更具有代表性。Bluetooth Special Interest GroupSIG在1998年5月由Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba五大家公司作為原始發起組織，以參與Bluetooth標準規格的制定，在發展一年多的時間內就吸引了

13、近2000家國際上有影響力的公司加入，成為Adopter的一員，參與Adopter的成員主要包括無線通訊廠商、電腦系統廠商、電腦周邊設備廠商以及半導體製造廠商等，到了1999年底，美國的四大家公司3COM、Lucent、Microsoft和Motorola也紛紛加入成為Bluetooth的發起組織，使得Bluetooth的標準在與SWAP、IEEE 802.11等類似應用的標準競爭中脫穎而出。藍芽技術是由產業聯盟所主導發展的無線網路傳輸標準規格，針對短距離無線傳輸連結的需求，提供Data and Voice access points、Cable Replacement及Ad Hoc Netw

14、orking三個領域的功能，能夠連結行動電話、notebook、PCs及其它可移動性元件等通訊設備，創造無線語音及數據通訊的環境；而藍芽技術屬於一種系統解決方案，包含硬體、軟體以及使軟硬體能夠在多種機器上彼此溝通的能力，藍芽規格定義的是一個完整的系統，而它主要是使用可取得的2.4GHz ISMIndustrial, Science and Medicine頻段，以確保全世界溝通頻道的並容性。 藍芽無線個人區域網路系統架構主要分為四個層次：Application Framework、Control Interface、Link Manager以及Radio & Baseband，藍芽系統架構圖與

15、OSI Reference Model的比較如下圖： 每一層各司其職，它們主要的功能分別是：1. Application Framework層：提供網路應用時所需要的應用程式界面Application Programming Interface。2. Control Interface層：提供通訊設備對Bluetooth模組的界面功能。3. Link Manager層：提供Bluetooth模組通訊協定的功能。4. Radio & Baseband層：提供 Bluetooth模組的硬體功能。而Bluetooth的系統架構與IEEE 802協定的對應關係圖如下：Bluetooth根據網路的概念提

16、供點對點和點對多點的無線連結，在任意一個有效通訊的範圍內，所有設備的地位都是平等的，首先提出通訊要求的設備稱為“主設備”Master，而被動進行通訊的設備則稱為“從設備”Slave。利用TDMA的技術，1個Master最多可以同時和7個Slave進行溝通，並和多個Slave最多可超過200個保持同步但不通訊。一個主設備和一個以上的從設備所構成的網路稱為Bluetooth的“主從網路”Piconet，若兩個以上的主從網路之間存在著設備間的通訊，則構成了Bluetooth的“分散網路”Scatternet；基於TDMA原理和Bluetooth設備的平等性，任何一個Bluetooth設備在主從網路或

17、分散網路中的角色，可以是主設備，也可以是從設備，更可以同時是主設備也是從設備，因此在Bluetooth中沒有基站的概念，而且所有的設備都是可移動的。主從網路和分散網路的示意圖如下圖： 目前Bluetooth System的技術特點如下：1. 設備之間最大的通訊距離大約在10100米。2. 主要的小型無線通訊系統在2.4 GHz的ISM頻段工作，使用了79個頻道，頻道間隔為1 MHz，系統採用數據包的形式傳送資料，按時分雙工TDD，Time Division Duplex方式工作，而調變技術採用GFSK調變。3. 最大發射功率分為三個等級，分別是：100mW (20dBm)、2.5mW (4dB

18、m) 和1mW (0dBm)，在420dBm範圍內要求採用功率控制。4. 支援同步、連結導向連線和非同步、非連結導向連線，分別是SCOSynchronous Connection-Oriented Link和ACLAsynchronous Connection-Less Link，前者主要傳送語音、影像等及時性強的訊息，必須在規定的時隙傳輸，而後者則以傳送數據資料為主，可以在任意的時隙傳輸，每當ACL傳輸佔用SCO的預留時隙時，一旦系統需要SCO傳輸，ACL則自動讓出這些時隙以保證SCO傳輸的及時性。5. 支援64 kb/s的及時語音傳輸和各種速率的數據資料傳輸，語音和數據資料可單獨或同時傳輸

19、；當只傳輸語音訊息時，Bluetooth設備最多能夠同時支援3路全雙工的語音通訊，而要同時傳輸語音訊息和數據資料或僅傳輸數據資料時，系統可支援433.9 kb/s的對稱全雙工通訊或723.2kb/s、57.6 kb/s的非對稱雙工通訊。6. 採用CRCCyclic Redundancy Check、FECForward Error Correction及ARQAutomatic Repeat Request，以提高資料傳輸、通訊的可靠性。7. 跳頻技術是Bluetooth的關鍵技術之一，採用高跳頻速率使得Bluetooth系統具有足夠強的抗干擾能力。藍芽技術可以建立小區域的無線通訊網，也就是前

20、述的無線個人區域網路WPAN。根據IEEE802標準，任何一個藍芽設備都可以得到一個唯一的、公開的BDADDR位址，進而可以使各種電子設備在全世界任意的小區域內建立設備間的無線通訊網路，因此具有非常廣闊的應用和市場。六、Bluetooth的發展現況與未來展望Bluetooth無線通訊技術在經過多年努力發展之後，目前已有某些廠商推出所謂的雛型產品prototype，而最早上市的產品是去年底易利信所生產搭配行動電話使用的耳掛式“無線”免持聽筒耳機；至於其他大多數的廠商則希望能在今年年中推出Bluetooth相關產品，一般預計在2005年後Bluetooth才能普遍應用在所有資訊及通訊等各項產品上。

21、在元件Components開發方面，目前已有多家廠商投入開發包括：Ericsson、Nokia、Philips、Silicon Wave、Toshiba等，大部分廠商都以開發單一晶片single chip作為產品的終極目標，業界估計Bluetooth單晶片初期上市價格約為25至30美元，大約要到公元2005年才會下降至5美元的售價目標；由於初期單價偏高，只會加裝在高單價的大哥大手機如：易利信T28、R320和筆記型電腦內。在Development Toolkits方面，目前也有多家廠商正在著手發展，Symbionics和Ericsson已合作推出Bluetooth開發環境，該環境整合Erics

22、son的Radio Module、VLSI的Baseband chip及Firmware，加上Interface及Application Development Board，而其他公司也將陸續推出其相關元件之Development Kits。另外，在Protocol Software及Application Software方面則尚未看到廠商推出具體的發展結果。國內在這方面的研究也不落人後，工研院電通所正著手計畫開發Bluetooth Chipset元件，而資策會網路通訊實驗室也針對語音及數據傳輸服務功能，開發一系列Bluetooth產品所需的通訊協定軟體，並轉移給國內廠商，以整合成完整功能之

23、Bluetooth產品。由於Bluetooth強調資訊與通訊技術的結合，提供行動電話、可攜式電腦及周邊設備的無線連結，對於未來通訊網路尤其是無線個人區域網路的應用提供一個非常寬廣的前景，又因為它強調體積小、價格低、易於使用，所以更容易受到大家的青睞。未來待技術發展成熟，以致Bluetooth的價格大幅下降後，也會開始在低價位的手機、數位相機、電腦周邊產品如：印表機、鍵盤、滑鼠、喇叭、掃描器、傳真機及汽車內部配備如：無線喇叭、麥克風、車用大哥大免持聽筒、車用電腦配備等上加裝，而能普遍應用於短距離的無線通訊環境。最後，當家庭網路也發展成熟的時候，勢必也會廣泛地應用Bluetooth在各種家電設備上

24、，包括：電視、音響、電冰箱、冷氣、電鍋、微波爐等各種設備，都可能加裝。業界預計到公元2005年時，第三代行動電話每支都會加裝Bluetooth，筆記型電腦、GSM手機會有八成以上加裝，至於PDA、電腦周邊產品、掌上型電腦等，也會有五成以上加裝藍芽。目前國內個人電腦大廠如：宏碁、神通、英業達、廣達、仁寶，主機板大廠華碩，PC周邊設備大廠明碁、致伸，IC大廠華邦等多家業者，都已加入藍芽的國際聯盟，共同致力推動這項個人化無線通訊的技術革命。相信如果Bluetooth能夠順利推展與應用，對於台灣的資訊業、電子業及通訊業都會有很大的衝擊，而更重要的是，對於人類生活的方式也會有深遠的影響。七、關於Home

25、RF目前在無線家庭通訊網路系統的發展技術方面，主要以HomeRF為基礎。HomeRF為多家資訊電腦公司、通訊及消費性電子廠商所發起的業界標準，提出SWAPShared Wireless Access Protocol的設計理念、整合DECT 網路的語音通訊協定TDMA及IEEE 802.11無線區域網路的數據傳輸通訊協定CSMA/CA，以結合家庭裡的電腦、電話及消費性電子設備，並提供設備之間無線傳輸、相互通訊Communication及相容操作Interoperation的功能，並連結外部的電話網路以及網際網路，進而整合成一個家庭無線通訊環境。HomeRF的系統架構主要分為三個層次：Appli

26、cations、Protocols 及 Platform；每一層的功能如下：1. Application層：提供系統應用服務，分為無線語音及無線數據兩種類型的服務；無線語音服務主要提供外部電話的連線、內部無線分機的接通等功能，而無線數據服務則是提供網際網路服務、資源分享、印表機分享等服務。2. Protocol層：提供網路通訊所需要的通訊協定，包括TCP/IP及 SWAP等通訊協定軟體及電腦裝置所需的驅動程式。3. Platform層：提供網路傳輸所需的硬體功能。 目前HomeRF的技術特點如下：1. 使用2.4 GHz尚未經認可unlicensed的頻段。2. 使用跳頻式展頻技術Freque

27、ncy Hopping Spread Spectrum。3. 提供1-2Mbps的數據資料傳輸速度及最多可支援七人同時使用的語音通訊。八、結論與心得過去兩個星期以來，在蒐集、閱讀相關資料、文獻的過程中，讓我對WPAN有更深一層的認識，也對WPAN的相關發展技術如：IEEE802.15、藍芽等有初步的了解，更深刻地體悟到繼網際網路這場大革命之後，緊接而來的就是下一波無線網路的風潮。可以想像得到我們未來生活或者工作的樣子：桌上型電腦的周邊設備都是透過無線傳輸，如：無線印表機、無線鍵盤、無線滑鼠以及無線喇叭等，擴充整體工作環境的空間和彈性；筆記型電腦可以透過行動電話以無線通訊方式接收電子郵件，行動電

28、話可顯示由電腦上所接收到的電子郵件訊息，更可以透過筆記型電腦、個人數位助理和行動電話上的通訊錄資訊的自動同步更新功能同步更新同一份資料，節省許多工作時間；而無線語音傳輸功能可省略行動電話手機與頭戴式免持聽筒之間的連線，方便使用者空出雙手工作；利用數位照相機透過行動電話做即時資料傳輸，節省往返的傳遞時間以及提高資訊的及時性；更重要的是，未來的我們可以視隨時的需要，就能夠很容易地建構出一個隨意通訊網路Ad Hoc Network以分享資源，解決網路架設困難的問題，我個人覺得這將是一個很重要的突破。 雖然目前WPAN的發展還只是在初步階段，並沒有一個非常明確的標準，產品的價格也非常昂貴，但是我對它未

29、來的發展和應用潛力有絕對的信心，我相信只要多給它一點時間，待技術發展更趨成熟之後，它所帶來應用的影響和衝擊將和Internet一般，令人雀躍！ 我們應該拭目以待！九、參考文獻1. 論文Paving the way for personal area network standards: an overviewof the IEEE P802.15 Working Group for Wireless Personal Area NetworksSiep , T.M.; Gifford, I.C.; Braley, R.C.; Heile, R.F.IEEE Personal Communica

30、tions , Volume: 7 Issue: 1 , Feb. 20002. 網站，此為Bluetooth SIG官方網站3. 網站http:/www.ieee802.org/15/4. 網站http:/www.homerf.org5. 網站http:/www.ericsson.se/6. 網站http:/www.ietf.org/proceedings/99jul/7. 網頁http:/www.iis.org.tw/gold/techn/tech-3.htm8. 網頁http:/www.ntpo.nsc.gov.tw/active/no12/d1.html9. 網頁10. 網頁http:/www.ietf.org/proceedings/99jul/slides/mobileip-802_15-99jul/sld001.htm