个人区域网络技术扫描 齐赛 01-12-13 下午 02:48:19 -------------------------------------------------------------------------------- 电子设备对人们来说越来越多，手表、寻呼机、蜂窝电话、PDA和便携式电脑一应俱全，换句话说，人们身上常备着5个“显示器”，三个“键盘”，两个“扬声器”，两个“麦克风”和三个“通信设备”。 由于这些设备的输入输出端口不同，所以它们之间难以实现数据的交换。如果有一个“网络”能够将这些个人信息电子设备连接起来，共享I/O、存储空间和信息资源，则将会大大节省人们的时间与费用。这个“网络”就是本篇文章所要介绍的一种网络构想—无线个人区域网络PAN（Personal Area Networks）。 背景 个人区域网络是在Mike Hawley教授领导下的个人信息体系结构工作组和Neil Gershenfeld教授领导下的物理与媒体工作组（这两个工作组都在美国麻省理工学院的媒体实验室里）在一次交流研讨会上提出的。当时，Hawley教授的工作组需要一种能够将身上携带的各种信息处理设备进行连接的技术手段，而Gershenfeld的工作组则正在进行利用电场感应进行定位测量的研究。他们发现把手放在天线之间会对电容产生感应，从而对定位测量产生影响。这些由于手的移动产生的干扰后来被证明是很有用的。他们很快意识到，通过调制，被用来进行感应定位的电场能够通过人体传送数据。这就是PAN网络技术的基本原理。 PAN网络原理 1．基本原理 在PAN网络中，要利用人体作为媒介实现两个设备之间的通信，至少需要一个PAN发信机和一个PAN接收机。PAN发信机的电容偶合出一个很小的置换电流，该电流可通过人体到达PAN接收机。发信机不必与皮肤直接接触。电容器是由相互分开的金属板组成的，它能够存储电荷。当电流在有电容的电路中流动时，置换电流便在电容的两片金属板之间流动。置换电流是真实存在的，并且由PAN设备出发在人体内流动。在PAN网络中，发信机的电极对准人体，而皮肤则起电容的作用。通过对电流进行调制，可以实现对发信机和人体之间的置换电流的调制。这样，数据便可以传送到接收机（通过在人体中流动的电流）。 在任何电路中，都需要一个回路以实现电流的流动，这个回路通过“大地”形成。“大地”包括所有的导电体和绝缘体，它们与PAN网络中的设备非常接近。所以，要把人体与“大地”隔开，以防止通信电路的短路。PAN网络工作原理如图1所示。
图1 PAN网络工作原理 从图1可以看出，发信机可将电场耦合到人体。在这里发信机和人体起电容器A的作用。普通的电流沿着人体流动，其中的一部分会到达人体另一端的PAN接收机（可以看做是电容器B）。这样，电流将在人体和收、发信机之间流动，称之为置换电流。接收机的另一个电极与“大地”构成电容器C，而发信机的另一个电极和“大地”则构成电容器D。因为“大地”总是零电位，那么电极与“大地”之间就建立起了电场，这样电流回路也就形成了。因此，像其他电路一样，电流（载有数据）可以由发信机传输到收信机。发信机和收信机由最基本的编码器、解码器以及发送、接收电路组成。所以，典型的编码器可以将输入数据进行适当的编码，然后将其送入发送电路，发送电路则负责将其变换成电流信号。而译码器则将接收到的数据译成原始信息比特，送交给接收设备进行进一步的处理。图2是一个典型的发信机原理结构图。接收机的原理结构图与此相似，只需要把TRX换成RX、译码器换成编码器即可。
PAN网络技术以ISO 七层网络协议标准为基础。不同的设备可以通过时分多址的方式工作。码分多址方式也是一种可选的工作方式。 在PAN网络中，通信电流要从人体中流过，这听起来让人觉得有些害怕，其实这种担心是不必要的。电流无时无刻不在人们的身体中流过：神经、感官和思考功能都是通过微弱的电流来传输信息的。PAN网络中的工作电流约为十亿分之一安培，比在人体中自然流动的电流还要小。人们梳头时产生的电荷，比PAN网络中用于交换信息的电荷至少要大1000倍。 人体中自然盐分的存在使得人体十分易于导电。PAN网络技术正是利用了这一点，通过电场产生可在人体中流动的极其微弱的“置换电流”来传输信息。 2．调制方案 对PAN网络而言，有两种调制方案可供选择。一种是开关键控调制，即用电流的有无来代表被传输的信息比特。这种方案非常简单，但为了改善信噪比，电压值必须足够高才行。另一种方案是采用直接序列扩频技术，用PN码序列对载波进行调制，这样会大大地增加传输带宽。信号同步PN码调制以传输整个PN码序列来代表信息比特1，而用传输反相PN码序列来代表信息比特0。信噪比特性随着PN码序列长度的增加而增加。为了实现扩频，调制开关键由PN码序列控制。最后接收判决时，将最终结果相关值与两个判决门限相比较。如果相关值大于一个正的门限，则将相应的信息比特判为1；如果相关值低于一个负的门限，则将相应比特判为0；如果相关值介于这两个门限之间，则表示没有接收到相应信息。 3．数据传输速率 理论上，在信噪比很好的情况下（如10dB左右），PAN网络设备的传输速率可达417kbps 。在实际应用中，采用调制解调技术后，PAN网络中的信道传输容量可达到100kbps。采用数据压缩技术可进一步增加PAN网络的通信信道容量。 4．功耗和安全性 PAN网络采用的近距离通信技术，明显优越于基于射频传输的技术方案。PAN网络设备的电流量极小，这使其不会轻易耗尽供电电池。PAN设备功耗低、频率低，这使得信号不会传播到人体范围之外去；并且，只有用户携带在身上或与用户直接相接触的设备才能检测到这些信号。PAN网络中的电场电流传输技术比其他的短距离无线传输技术优越很多。近距离内的静电耦合与电极的表面积成比例。远距离传输的效率可以通过将发信机的阻抗与自由空间相匹配来优化。在较为典型的情况下，一般使用半波长天线来达到这一目的。 PAN设备在工作过程中，大部分能量被自感应电容存储起来了。即使功率很低，射频电磁波也能够在距波源很远的地方被检测到。这是因为射频电磁波的衰减与距离的平方成正比，而近距离电场的衰减则随距离的立方成正比。 尽管PAN网络的的范围很小，但安全性还是个应该考虑的问题。在PAN网络中，对身体的触摸就像电话线的接入一样。所以，必须在PAN网络中采用加密算法才能使数据流看起来像随机比特流，这样才能保证PAN网络中数据的安全，防止“窃听”。 PAN技术现状 目前，一个PAN网络原型已问世，它可以进行通过人体交换数据的演示。该原型的电路系统是使用电池供电的低功耗电路系统，检电器由一个电流放大器和一个由数字微控制器控制的双极断路器组成。检电器同时将接收到的微置换电流积分变换成电压，此电压再由微控制器提供的模数变换电路进行抽样量化。模拟器件和微控制器可以被集成为一个单独COMS电路，以降低PAN收发信机的成本。 1．目前存在的问题 PAN网络最大的问题是安全性。在当前的PAN网络系统中，数据在各设备之间的传输非常简单。但是，当人体发生碰撞的时候，数据传输的不安全性将会大大增加。例如，本来可以通过PAN网络系统很方便地将自动取款机的密码输入取款机，但是如果这时有人与该客户的身体发生接触，那么上述情况就很难顺利实现了。因此，为了PAN网络系统的安全性，人们还需要对PAN网络系统中的加密技术进一步进行研究。 2．PAN网络技术的应用领域 PAN网络潜在的商业应用之一是取代人们钱夹里的那些塑胶卡片。这些卡片当前的作用是标识身份，虽然它们的用途可能各不相同: 将信用卡交给银行出纳员，他（她）将号码敲入电脑，然后进行转账或存取款业务；将磁卡插入ATM自动取款机，然后输入密码取钱；按名片拨打电话时，必须先输入一长串号码，才能拨号。上述所有情况都表明一个问题，使用“卡片”既不方便，又不安全。应该有全新的技术来解决这些问题。 3．PAN网络设备中的“电源”问题 通过身体不仅可以传输数据，也可以传输能量。最近已有实验演示证明了这一点。将某个特殊设备安装在靴子里面，当人们走路的时候，它可以将机械能转化为电能，该电能可以经过人的身体传送到另一个电子设备。接收到电能的电子设备利用这些电能工作，这样PAN网络的电源供电问题就轻而易举地解决了。 4．PAN网络范围的扩展 就像设备之间的联网可以扩展设备的应用范围一样，网络之间的互连同样也可以扩展网络的应用范围。PAN网络限制在随身携带或身体触及的范围之内，但通过其他联网技术如蓝牙技术，就可以将PAN网络与外部世界联系起来。例如，手表或移动电话可以嵌入蓝牙功能以作为PAN网络与外部世界的接口。如果该手表具有蓝牙技术功能，且该用户当前正好坐在电脑前，那么手表可以立即将接收到的信息传送给电脑PC机，并显示在显示器上。如果该用户没有PDA，则其手表会自动与电脑进行“交谈”；或者便携式电脑利用蓝牙技术通过PAN网络将电话号码传输到移动电话中。 相关技术比较 除PAN网络外，本文提到了蓝牙技术和IrDA技术，那么这些技术之间