室内红外无线接入点的实现研究

摘 要：针对室内红外无线数据通信技术这一特定领域，分析了将TCP/IP协议栈透明架设在IrDA协议

栈之上的红外接入点的实现方案，并在此之上探讨了硬件实现的可行性。在无线个人局域网领域利用红外实现网络接入点的功能，具有无须申请频率使用权、设备元件功耗低、体积小、成本低廉、方便易用等优点，因此不失为一种可行的无线接入点选择。

关键词：红外接入点；IrDA；IrLAN；TCP/IP

中图分类号:TP393.04文献标识码:A

The Implementation Research of an Indoor Infrared Wireless Access Point

CAO Chuan-dong，SHI Tao，MA Hong-liang

（College of Information Science & Technology, Shihezi University, Xinjiang Shihezi 832003)

Key words: IR access point；IrDA；IrLAN；TCP/IP

在PAN（Personal Area Network）领域里，作为一种可供选择的短距离无线通信方式，红外（IR，Infrared）通信以其光波传输本身的优点（无电磁波辐射泄漏、安全高速、收发元件功耗低、体积小、成本低廉等），在工业界得到了广泛支持和应用，各种带有红外通信接口的设备已十分普遍[1]，如数码相机、打印机、移动电话、PDA及笔记本电脑等，目前已成为无线局域网（WLAN，Wireless LAN）领域3大主流技术之一，IEEE亦在其802.11体系中定义了漫射式红外（diffuse IR）物理层标准[2]。因此，如何利用红外介质实现室内高速无线接入，使随时可能靠近的各种带红外接口的数字设备能够透明访问内部LAN资源并连入Internet，以较低成本和绿色节能方式实现Internet无处不在、PAN网络随时随地的便利接入，是一个十分值得研究和探讨的课题。本文即针对室内近距离的红外无线接入如何实现的问题，探讨其可行性。目前，国外仅有屈指可数的数家公司有针对红外的无线接入点硬件产品，国内从各种公开媒体上尚未见有同类成果或产品问世，因此属我国的空白领域。

1 红外无线数据通信协议分析

在通信协议标准方面，目前针对IR的协议标准主要有IrDA和802.11，其中IrDA是由红外数据协会（the Infrared Data Association）组织于1993年发布的。尽管IrDA目前已被多数厂商采纳，并已由工业界成功实现了多种红外设备的即时发现和数据传输，但由于IrDA组织最初的设计目标是建立一个普适的、低成本的、点对点的红外数据传输标准，因此只定义了直线视距范围内两个单LED和单FD（photodiodes，光电二极管）设备之间的点对点数据通信规范。此外，受限于红外传输的短距离（视距传输，中间不能被其他物体阻隔）、半双工特性，使得利用IrDA构建红外无线PAN网络只能局限于点对点方式的简单拓扑结构，无法充分发挥红外可作为无线自组织网络（Ad-hoc network）中对各种PDA设备泛在的移动性的广泛支持的优点，以及相对于Wi-Fi和BlueTooth等其他WLAN技术在设备体积小、电源功耗低、成本低廉、无需申请频率使用权、数据传输速率高、连接方便简单、易用性好、无电磁波辐射污染问题等方面的比较优势。图1显示了目前软硬件技术相对较成熟的IrDA协议栈的体系结构[3]，其中特定于系统平台实现的服务包括IrNet/IrLAN/IrOBEX等协议。

IEEE在其1997年发布的802.11物理层规范中也针对IR作了定义描述，802.11 IR主要是针对如何利用红外接入点构建WLAN的问题，对具有多LEDs和多个FDs的漫射红外（diffuse IR）方式的通信在物理层进行了规范化定义，但目前该领域尚处在底层协议的基础研究探索阶段，相关协议尚未被主要设备商和操作系统厂商所采纳和实现。

再从横向方面来看：作为WLAN三大主流技术之一，IrDA与Wi-Fi、Bluetooth协议栈结构的异同从表1中可以清楚地看出：Wi-Fi最大的优势是在上层兼容标准的TCP/IP协议栈，而蓝牙和红外均在二、三层及高层自定义了协议标准以适应移动设备和介质传输特性上的需要。因此，在通信协议标准方面IrDA（包括蓝牙）所具有的独立性和自成一体，反而使其相对于Wi-Fi而难以占据优势[4]。这在很大程度上限制了红外应用的广泛性，因为用户只能依赖基于IrDA规范开发的专门针对红外通信的上层应用程序。因此，笔者认为目前红外研究领域亟待解决的关键问题是：如何将TCP/IP协议栈透明架设在成熟的IrDA协议簇之上，即TCP/IP与IrDA的透明集成。该问题的关键性意义在于：不必为红外设备单独开发新的应用层程序，便可基于成熟的TCP/IP融合目前的固网和现有的各种带红外接口的数字终端设备，以较低成本实现Internet无处不在的便利接入。因此，在接入点处实现两种协议的透明集成是关键。

2 透明集成TCP/IP和IrDA协议栈的可行性

根据上节所述，问题的核心在于找寻和设计出一种在接入点处实现TCP/IP与IrDA两种协议栈透明集成的可行方案，由于IrDA在设备发现、地址分配方案、连接发起、链路管理等方面都具有特定于红外的特性，因此需要深入研究操作系统内核和设备驱动对于IrDA、TCP/IP的具体实现细节和支持特性。通过深入的分析和文献阅读积累，笔者所在的课题组对各种可行性从协议集成的角度进行了分析比较，图2则直观描述了TCP/IP over IrDA的各种选项[5]，其中IrLAN值得作为首选考虑。

3 红外无线接入点的实现分析

3.1基于Windows平台的实现分析

Microsoft公司在其Windows Server2003,Windows 2000/XP, Windows Me/98/95及Windows CE系列产品中提供了对IrDA 的支持。Windows 2K以后推出的系统支持基于IrDA的非串行化的数据传输。Windows将IrDA的Tiny TP完全暴露给上层应用开发人员，并基于WinSock套接字编程机制为上层提供了IrSocket套接字编程API接口。但微软支持的接入点仅限于在2K及其以后的服务器系统平台上以内置方式的PPP+IrNET实现[6]。

3.2基于Linux平台的实现分析

Linux内核对于IrDA的支持特性尤其是其对IrLAN、IrNET协议的支持，加之所提供的开放源码资源十分丰富的特性，使得在基于Linux的红外接入点处实现TCP/IP与IrDA协议簇的透明集成成为一个重要选择，并且是进一步探讨和分析硬件实现可行性的基础。如可考虑选择基于特定嵌入式芯片及其开发环境和接口，利用Linux内核的高度可定制性，快速实现嵌入式硬件方案[7]。在这方面目前国外已有Clarinet Systems、Extended Systems等数家专业红外设备公司以及HP公司拥有的红外接入点硬件产品。

4 结束语

针对如何利用红外介质实现室内高速无线接入的问题，本文分析了将TCP/IP协议栈透明架设在IrDA协议栈之上的红外接入点的实现方案，并在此之上进一步探讨了硬件实现的可行性。在无线个人局域网领域利用红外实现无线方式的网络接入点功能，具有无需申请频率使用权、无电磁波辐射污染、设备元件功耗低、体积小、成本低廉等明显优势，因此不失为一种可行的无线接入点选择。

基于目前的研究成果，进一步探索利用Linux系列开源嵌入式系统平台开发红外接入点硬件产品，以弥补国内在这一领域的空白，是一个值得研究的课题。

参考文献：

[1]严后选，张天宏，孙健国.近距离红外无线数据通信技术研究[J].应用基础与工程科学学报, 2004,12(4):407-415.

[2]IEEE.IEEE802.11-1999(ISO/IEC8802-11:1999):Local and metropolitan area networks-Specific requirements-Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY)Specifications[EB/OL].[1999-8-20].http://standard s.ieee.org/reading/ieee/std/lanman/802.11-1999.pdf.

[3]Vishay Semiconductors. Infrared Data Communication According to IrDA Standard Part 2: Protocol IrDAProtocolStack[EB/OL].[2006-9-20].http://irda.affiniscape.com/associations/2494/files/Publications/IrDA%20Protocol%20Basics.pdf.

[4]Glade Diviney. An Introduction to Short-Range Wireless Data Communications [EB/OL]. [2003-4-24]. / library/default.asp?url=/library/en-us/irda/irda/windows_irda_architecture.asp.

[7]周亦敏, 佟国香. 基于Linux的红外网络通信的实现 [J]. 仪器仪表学报, 2005, 26 (8): 476-481.

（本文系石河子大学国家863后补助项目，项目名称：基于Linux系统的室内红外无线接入点的研发，项目编号：hbzxm2006-016）

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