1.3 IEEE 802系列标准介绍

IEEE是英文Institute of Electrical and Electronics Engineers的简称，其中文译名是电气和电子工程师协会，该协会的总部设在美国，主要开发数据通信标准及其他标准。IEEE 802委员会负责起草局域网草案，并送交美国国家标准协会（ANSI）批准和在美国国内标准化。IEEE还把草案送交国际标准化组织（ISO）。ISO把这个802规范称为ISO 8802标准，因此，许多IEEE标准也是ISO标准。图1.2为IEEE 802各标准之间的关系图，下面将对其中几个主要的标准进行详细介绍。

1.3.1 IEEE 802.15无线个域网标准

1.IEEE 802.15标准化简介

1998年，IEEE 802.15工作组成立，专门从事WPAN标准化工作。其任务是开发一套适用于短程无线通信的标准，通常我们称为无线个人局域网（WPAN）。目前，IEEE 802.15 WPAN共拥有4个工作组。

✧ 蓝牙WPAN工作组：蓝牙是无线个域网的先驱。在初始阶段，IEEE并没有制定蓝牙相关的标准，所以经过一段快速发展时期后，蓝牙很快就有了产品兼容性的问题。现在，IEEE决定制定行业标准来开发能够相互兼容的蓝牙芯片、网络和产品。

✧ 共存组：为所有工作在2.4GHz频带上的无线应用建立一个标准。

✧ 高数据率WPAN工作组：其IEEE 802.15.3标准适用于高质量要求的多媒体应用领域，主要使用超宽带（UWB）的多频段OFDM联盟（MBOA）的物理层技术。

✧ IEEE 802.15.4工作组：为了满足低功耗、低成本的无线网络要求，IEEE标准委员会在2000年12月正式批准并成立了IEEE 802.15.4工作组，任务就是开发一个低数据率的WPAN（LR-WPAN）标准，它也称为ZigBee，属于低速率短距离的无线个域网，具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点，能在低成本设备（固定、便携或可移动的）之间进行低数据率的传输，该标准已于2003年初正式推出。IEEE 802.15.4无线发射/接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell这些国际通信与工业控制界巨头们极力推崇。

2.IEEE 802.15标准技术指标

蓝牙技术的主要指标包括：

✧ 工作频段：2.402～2.480GHz，采用跳频扩频技术，调制方式GFSK；

✧ 传输速率：1Mbps；

✧ 双工方式：TDD；

✧ 传输距离为10 m。

UWB的技术指标为：

✧ 工作频段：3.1～10.6GHz；

✧ 传输速率：114Mbps；

✧ 双工方式：TDD；

✧ 传输距离在10 m以内。

ZigBee的技术指标如下：

✧ 工作频段：2.4GHz/915MHz/868MHz，采用直接序列扩频技术，调制方式为BPSK/O-QPSK。

✧ 传输速率：2.4GHz为250 kbps，915MHz为40 kbps，868MHz为20 kbps；

✧ 双工方式：TDD；

✧ 传输距离为10～75 m。

3.IEEE 802.15标准系统特点

蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，自蓝牙规范发布以来，它在越来越多的领域得到了应用，如工业自动控制、家庭自动化、电信级的音频传输、PDA、手机和PC外设等，且蓝牙技术适合于较高数据速率的应用。

UWB是一个新兴的高速短距离通信技术，在短距离（13 m以内）有很大的优势，频谱覆盖范围很宽，但发射功率非常低。与蓝牙等带宽相对较窄的传统无线系统不同，UWB能在宽频上发送一系列非常窄的低功率脉冲。较宽的频谱、较低的功率、脉冲化数据，意味着UWB引起的干扰小于传统的窄带无线解决方案，并能够在室内无线环境中提供与有线相媲美的性能。UWB技术主要有MB-OFDM和DS-UWB两种技术标准。其系统主要特点就是抗干扰性能强、带宽极宽、消耗电能小、保密性好、发射功率非常小。

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能。低功耗是ZigBee的一个重要特征。ZigBee技术与蓝牙接近，但系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性，协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，大多时候处于睡眠模式，适合于不需实时传输或连续更新的场合，因此更适合于未来自动监控、遥控领域的新技术。

1.3.2 IEEE 802.20移动宽带无线接入

1. IEEE 802.20标准化工作简介

IEEE 802.20技术，即移动宽带无线接入（Mobile Broadband Wireless Access，MBWA），也被称为Mobile-Fi。这个概念最初是由IEEE 802.16工作组于2002年3月提出的，并成立了相应的研究组，其目标是为了实现在高速移动环境下的高速率数据传输，以弥补IEEE 802.1x协议族在移动性上的劣势。随后，由于在目标市场定位上的分歧，该研究组脱离IEEE 802.16工作组，并于同年9月宣告成立IEEE 802.20工作组。

IEEE 802.20工作组的目标是制定一种适用于高速移动环境下的宽带无线接入系统的空中接口规范。在技术的制定时间上，IEEE 802.20远远晚于3G，因而可以充分发挥它的后发优势：在物理层技术上，以OFDM和MIMO为核心，充分挖掘时域、频域和空间域的资源，大大提高了系统的频谱效率；在设计理念上，基于分组数据的纯IP架构应对突发性数据业务的性能也优于现有的3G技术，与3.5G（HSDPA、EV-DO）性能相当；另外，在实现、部署成本上也具有较大的优势。

2. IEEE 802.20标准技术指标

IEEE 802.20标准的主要技术指标包括：

✧ 工作频率：小于3.5GHz；

✧ 双工方式：FDD和TDD；

✧ 信道带宽：1.25MHz和5MHz；

✧ 下行速率：1.25MHz带宽大于1Mbps，5MHz带宽大于4Mbps；

✧ 上行速率：1.25MHz带宽大于300 kbps，5MHz带宽大于1.2Mbps；

✧ 覆盖范围：2～5 km；

✧ 移动性：最高可支持250km/h。

3. IEEE 802.20系统特点

IEEE 802.20的系统主要特点包括：

✧ 全面支持实时和非实时业务，在空中接口中不存在电路域和分组域的区分；

✧ 能保持持续的连通性，频率统一，可复用；

✧ 支持小区间和扇区间的无缝切换，以及与其他无线技术（IEEE 802.16、IEEE 802.11等）间的切换；

✧ 融入了对QoS的支持，与核心网级别的端到端QoS相一致；

✧ 支持IPv4和IPv6等具有QoS保证的协议；

✧ 支持内部状态快速转变的多种MAC协议状态；

✧ 为上、下行链路快速分配所需资源，并根据信道环境的变化自动选择最优的数据传输速率；

✧ 提供终端与网络间的认证机制；

✧ 与现有的蜂窝移动通信系统可以共存，可降低网络部署成本，包含各个网络间的开放型接口。

1.3.3 IEEE 802.22感知无线电

1. IEEE 802.22标准化工作介绍

它是由IEEE 802.22工作组制定的，用于利用空闲的频段（如TV频段等）进行无线通信的标准。IEEE 802.22的工作组名称是无线地域网（Wireless Regional Area Networks，WRAN）。由于未来对数据传输速率的需求越来越大，要求更高的数据传输速率，除了需要更先进的调制编码方式等技术的支持外，也需要更大的物理带宽（频谱），而当前适应于移动无线通信的带宽日益紧张，尽管如此，有很多已分配的频段并未充分利用，于是，迫切地需要有一种能够利用这一空闲资源的方法。IEEE 802.22正是试图实现在不影响频段原有授权使用者的情况下，尽最大可能地利用空闲时的频谱进行通信。因此，IEEE 802.22是首个在设计初期便将干扰（无线系统的共存性）作为系统设计考虑的重要因素的标准。IEEE 802.22将是继IEEE 802.16之后一个极有前途的系统。

2. IEEE 802.22系统技术指标

IEEE 802.22固定无线区域网络（WRAN）工作于54～862MHz VHF/UHF（扩展频率范围47～910MHz）频段中的TV信道，它可自动检测空闲的频段资源并加以使用，因此可与电视、无线麦克风等已有设备共存。IEEE 802.22系统要求达到的频谱效率为0.5～5 bps/Hz。IEEE 802.22系统要求能够同时满足12个CPE最小1.5Mbps的下行链路传输，上行链路的传输速率峰值能够达到384 kbps，与DSL相似。IEEE 802.22系统基站的覆盖范围比其他IEEE 802系统大得多，这是由更大的发射功率和电视频段的传输特性决定的。如果不考虑传输功率的影响，IEEE 802.22系统的覆盖半径能够达到100 km。当前定义了CPE的发射功率为4 W，覆盖半径为33 km。如此大覆盖范围可以满足WRAN的需求，同时也提出了更为严峻的技术挑战。

3. IEEE 802.22系统特点

IEEE 802.22系统是固定的一点对多点（PMP）无线空中接口，即基站（BS）管理着整个小区和相关的所有用户终端（CPE）。BS控制小区内媒体接入和下行传输给相应的CPE。而CPE通过接入请求，在BS允许的上行传输，即任何CPE必须在收到BS的授权后才能传输。由于BS必须兼顾对授权用户的保护，合理地分配感知任务，合理地实现动态频率选择，都是IEEE 802.22系统的关键问题。

IEEE 802.22系统和其他的IEEE 802的标准相比，它是针对无线区域网的。BS的覆盖范围半径最大可达100 km，在目前4 W的有效全向辐射功率（EIRP）条件下，覆盖面积的半径也达到33 km。这样IEEE 802.22系统的覆盖面积就是当今最大的一个系统。虽然得益于800MHz以下电视频带的良好传播特性，但增加的覆盖范围给技术提供了机遇和挑战。

在IEEE 802.22系统中，为了实现对授权用户的保护，提出工作信道内和工作信道外感知机制。在工作信道内感知时，BS分配静默期。在静默期内，BS和CPE都不发送数据，感知小区内授权用户信号。工作信道内采用两段式感知（TSS）机制，在快速感知阶段，通常采用单一的感知方法（如能量检测、导频信号能量检测），迅速感知是否存在授权用户。这个过程通常在微秒级，参考IEEE 802.11b中20 µs、IEEE 802.11a中9 µs。在精细感知阶段，获知已捕获的授权用户的详细信息。这个过程通常在毫秒级，如检测ATSC信号的同步字段需要24ms。在工作信道外感知时，CPE利用独立的感知天线，可以同时感知工作信道外。

对于感知手段，常用的信号检测方法有能量检测法、相关检测法、周期图法、特征值分解检测法、循环平稳检测法等。能量检测法由于受到检测门限的限制，感知精度不高，通常用于粗略感知阶段。相关检测法是利用事先插入的导频或同步序列，与已知的本地序列相关，这个方法本质上还是能量检测。周期图法、特征值分解检测法、循环平稳检测法属于特征检测。周期图法是利用傅里叶变换来获得信号的功率谱密度，实现算法可以利用快速傅里叶变换，便于实现。特征值分解检测法利用信号和噪声的不相关性，把接收信号分解为信号和噪声的估计量。循环平稳检测法利用调制信号相关函数的周期性，进行感知。特征值分解检测法和循环平稳检测法的计算较复杂。