短距離無線通信技術(shù)及其融合發(fā)展研究
隨著因特網(wǎng)、多媒體和無線通信技術(shù)的發(fā)展。人們與信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)密不可分。當(dāng)今無線通信在人們的生活中扮演著越來越重要的角色，低功耗、微型化是用戶對當(dāng)前無線通信產(chǎn)品尤其是便攜產(chǎn)品的強(qiáng)烈追求，作為無線通信技術(shù)一個重要分支的短距離無線通信技術(shù)正逐漸引起越來越廣泛的觀注。
1 短距離無線通信技術(shù)簡介
近年來，由于數(shù)據(jù)通信需求的推動，加上半導(dǎo)體、計算機(jī)等相關(guān)電子技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，短距離無線與移動通信技術(shù)也經(jīng)歷了一個快速發(fā)展的階段，WLAN技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、UWB技術(shù)，以及紫蜂(ZigBee)技術(shù)、射頻識別(RFID)技術(shù)等取得了令人矚目的成就。短距離無線通信通常指的是lOOm以內(nèi)的通信，分為高速短距離無線通信和低速短距離無線通信兩類。高速短距離無線通信最高數(shù)據(jù)速率>loMbits，通信距離
2 無線局域網(wǎng)(WLAN)與IEEE802．11標(biāo)準(zhǔn)族
wLAN顧名思義是一種借助無線技術(shù)取代以往有線信道方式構(gòu)成計算機(jī)局域網(wǎng)的手段，以解決有線方式不易實(shí)現(xiàn)的計算機(jī)的可移動性，使其應(yīng)用更加不受空間限制。
IEEE802．11無線局域網(wǎng) (WLAN)是IEEE最初制定的，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，包括IEEE802．1 la、IEEE802．11b 和IEEE 802．11g。IEEE802．11a主要用來解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入，工作在5 GHzU—NIIfUnlicensed—National Information Infras—tructure)頻帶，物理層速率54Mbps，傳輸層速率25Mbps。它采用正交頻分復(fù)用(OFDM)擴(kuò)頻技術(shù)，可提供25Mbps的無線ATM 接口、10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口以及TDD／TDMA的空中接口．支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。一個扇區(qū)可接人多個用戶，每個用戶可帶多個用戶終端。其缺點(diǎn)是芯片沒有進(jìn)入市場，設(shè)備昂貴，空中接力不好，點(diǎn)對點(diǎn)連接很不經(jīng)濟(jì)，不適合小型設(shè)備。
Wi—Fi(Wireless Fidelityi~線保真1是屬于無線局域網(wǎng)(WLAN)的一種，通常是指IEEE802．11b產(chǎn)品，是利用無線接人手段的新型局域網(wǎng)解決方案。Wi—Fi的主要特點(diǎn)是傳輸速率高、可靠性高、建網(wǎng)快速、便捷、可移動性好、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)彈性化、組網(wǎng)靈活、組網(wǎng)價格較低等，因此具有良好的發(fā)展前景。IEEE 802．11b工作頻段為2．4GHz的ISM 自由頻段，采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)理論上可以達(dá)到1 1Mpit／s速率。典型通信距離為2Mbit／s時30～45m，2Mbit／s時為40～75m，2Mbit／s時為75～100m。
IEEE802．11g使用了與IEEE802．1lb相同的2．4GHz的ISM免特許頻段。它采用了兩種調(diào)制方式：即IEEE802．11a所采用的OFDM和IEEE802．11b所采用的CCK。通過采用這兩種分別與IEEE802．11a和IEEE802．11b相同的調(diào)制方式，使IEEE802．1lg不但達(dá)到了IEEE802．11a的54 Mb／s的傳輸速率，同時也實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)在廣泛存在的采用IEEE802。llb標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的兼容。IEEE802．11g已經(jīng)被大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為下一代無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。
3 藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)
“藍(lán)牙(Bluetooth)”是一個開放性的、短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是目前國際上最新的一種公開的無線通信技術(shù)規(guī)范。它可以在較小的范圍內(nèi)，通過無線連接的方式安全、低成本、低功耗的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使得近距離內(nèi)各種通信設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無縫資源共享，也可以實(shí)現(xiàn)在各種數(shù)字設(shè)備之間的語音和數(shù)據(jù)通信。由于藍(lán)牙技術(shù)可以方便地嵌入到單一的CMOS芯片中．因此，特別適用于小型的移動通信設(shè)備，使設(shè)備去掉了連接電纜的不便，通過無線建立通信。
藍(lán)牙技術(shù)以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)．采用高速跳頻(Frequency Hopping)和時分多址(Time Di．vision Multi—access-TDMA)等先進(jìn)技術(shù)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接。藍(lán)牙技術(shù)使得一些便于攜帶的移動通信設(shè)備和計算機(jī)設(shè)備不必借助電纜就能聯(lián)網(wǎng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無線連接因特網(wǎng)．其實(shí)際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車等信息家電，組成一個巨大的無線通信網(wǎng)絡(luò)。打印機(jī)、PDA、桌上型計算機(jī)、傳真機(jī)、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數(shù)字設(shè)備都可以成為藍(lán)牙系統(tǒng)的一部分。
目前藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802．15．工作在2．4GHz頻帶，通道帶寬為1Mb／s，異步非對稱連接最高數(shù)據(jù)速率為723．2kb／s。藍(lán)牙速率亦擬進(jìn)一步增強(qiáng)，新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)2．0版支持高達(dá)lOMb／s以上速率f4、8及12～20Mb／s)．這是適應(yīng)未來愈來愈多寬帶多媒體業(yè)務(wù)需求的必然演進(jìn)趨勢。
作為一個新興技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用還存在許多問題和不足之處，如成本過高、有效距離短及速度和安全性能也不令人滿意等。但毫無疑問，藍(lán)牙技術(shù)已成為近年應(yīng)用最快的無線通信技術(shù)，它必將在不久的將來滲透到我們生活的各個方面。
4 紫蜂(ZigBee)技術(shù)
新一代的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采用802．15．4(Zig．Bee)協(xié)議。ZigBee是一種供廉價的固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)，主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入在各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。
Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)主要有：
(1)低速率：ZigBee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2．4GHz)、40kbps(915MHz1和20kbps(868MHz)I~原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
(2)低時延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms．節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要-10s，Wi—Fi則需要3s。
(3)低功耗、實(shí)現(xiàn)簡單：設(shè)備可以在電池的驅(qū)動下運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年。低功耗意味著較高的可靠性和可維護(hù)性，更適合體積小的大量日常應(yīng)用。
(4)低成本：對用戶來說，低成本意味著較低的設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。ZigBee設(shè)備可以在標(biāo)準(zhǔn)電池供電的條件下(低成本)-r作，而不需要任何重?fù)Q電池或充電操作(低成本、易安裝)。
(5)網(wǎng)絡(luò)容量高：ZigBee通過使用IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層，支持幾乎任意數(shù)目的設(shè)備，這對于大規(guī)模傳感器陣列和控制尤其重要。
ZigBee技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，其中包括智能建筑、軍事領(lǐng)域、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、智能家居及各種監(jiān)察系統(tǒng)等。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。
1 短距離無線通信技術(shù)簡介
近年來，由于數(shù)據(jù)通信需求的推動，加上半導(dǎo)體、計算機(jī)等相關(guān)電子技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，短距離無線與移動通信技術(shù)也經(jīng)歷了一個快速發(fā)展的階段，WLAN技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、UWB技術(shù)，以及紫蜂(ZigBee)技術(shù)、射頻識別(RFID)技術(shù)等取得了令人矚目的成就。短距離無線通信通常指的是lOOm以內(nèi)的通信，分為高速短距離無線通信和低速短距離無線通信兩類。高速短距離無線通信最高數(shù)據(jù)速率>loMbits，通信距離
2 無線局域網(wǎng)(WLAN)與IEEE802．11標(biāo)準(zhǔn)族
wLAN顧名思義是一種借助無線技術(shù)取代以往有線信道方式構(gòu)成計算機(jī)局域網(wǎng)的手段，以解決有線方式不易實(shí)現(xiàn)的計算機(jī)的可移動性，使其應(yīng)用更加不受空間限制。
IEEE802．11無線局域網(wǎng) (WLAN)是IEEE最初制定的，是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無線通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，包括IEEE802．1 la、IEEE802．11b 和IEEE 802．11g。IEEE802．11a主要用來解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入，工作在5 GHzU—NIIfUnlicensed—National Information Infras—tructure)頻帶，物理層速率54Mbps，傳輸層速率25Mbps。它采用正交頻分復(fù)用(OFDM)擴(kuò)頻技術(shù)，可提供25Mbps的無線ATM 接口、10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構(gòu)接口以及TDD／TDMA的空中接口．支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。一個扇區(qū)可接人多個用戶，每個用戶可帶多個用戶終端。其缺點(diǎn)是芯片沒有進(jìn)入市場，設(shè)備昂貴，空中接力不好，點(diǎn)對點(diǎn)連接很不經(jīng)濟(jì)，不適合小型設(shè)備。
Wi—Fi(Wireless Fidelityi~線保真1是屬于無線局域網(wǎng)(WLAN)的一種，通常是指IEEE802．11b產(chǎn)品，是利用無線接人手段的新型局域網(wǎng)解決方案。Wi—Fi的主要特點(diǎn)是傳輸速率高、可靠性高、建網(wǎng)快速、便捷、可移動性好、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)彈性化、組網(wǎng)靈活、組網(wǎng)價格較低等，因此具有良好的發(fā)展前景。IEEE 802．11b工作頻段為2．4GHz的ISM 自由頻段，采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)理論上可以達(dá)到1 1Mpit／s速率。典型通信距離為2Mbit／s時30～45m，2Mbit／s時為40～75m，2Mbit／s時為75～100m。
IEEE802．11g使用了與IEEE802．1lb相同的2．4GHz的ISM免特許頻段。它采用了兩種調(diào)制方式：即IEEE802．11a所采用的OFDM和IEEE802．11b所采用的CCK。通過采用這兩種分別與IEEE802．11a和IEEE802．11b相同的調(diào)制方式，使IEEE802．1lg不但達(dá)到了IEEE802．11a的54 Mb／s的傳輸速率，同時也實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)在廣泛存在的采用IEEE802。llb標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的兼容。IEEE802．11g已經(jīng)被大多數(shù)無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為下一代無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。
3 藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)
“藍(lán)牙(Bluetooth)”是一個開放性的、短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是目前國際上最新的一種公開的無線通信技術(shù)規(guī)范。它可以在較小的范圍內(nèi)，通過無線連接的方式安全、低成本、低功耗的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，使得近距離內(nèi)各種通信設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無縫資源共享，也可以實(shí)現(xiàn)在各種數(shù)字設(shè)備之間的語音和數(shù)據(jù)通信。由于藍(lán)牙技術(shù)可以方便地嵌入到單一的CMOS芯片中．因此，特別適用于小型的移動通信設(shè)備，使設(shè)備去掉了連接電纜的不便，通過無線建立通信。
藍(lán)牙技術(shù)以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)．采用高速跳頻(Frequency Hopping)和時分多址(Time Di．vision Multi—access-TDMA)等先進(jìn)技術(shù)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接。藍(lán)牙技術(shù)使得一些便于攜帶的移動通信設(shè)備和計算機(jī)設(shè)備不必借助電纜就能聯(lián)網(wǎng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無線連接因特網(wǎng)．其實(shí)際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車等信息家電，組成一個巨大的無線通信網(wǎng)絡(luò)。打印機(jī)、PDA、桌上型計算機(jī)、傳真機(jī)、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數(shù)字設(shè)備都可以成為藍(lán)牙系統(tǒng)的一部分。
目前藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802．15．工作在2．4GHz頻帶，通道帶寬為1Mb／s，異步非對稱連接最高數(shù)據(jù)速率為723．2kb／s。藍(lán)牙速率亦擬進(jìn)一步增強(qiáng)，新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)2．0版支持高達(dá)lOMb／s以上速率f4、8及12～20Mb／s)．這是適應(yīng)未來愈來愈多寬帶多媒體業(yè)務(wù)需求的必然演進(jìn)趨勢。
作為一個新興技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用還存在許多問題和不足之處，如成本過高、有效距離短及速度和安全性能也不令人滿意等。但毫無疑問，藍(lán)牙技術(shù)已成為近年應(yīng)用最快的無線通信技術(shù)，它必將在不久的將來滲透到我們生活的各個方面。
4 紫蜂(ZigBee)技術(shù)
新一代的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采用802．15．4(Zig．Bee)協(xié)議。ZigBee是一種供廉價的固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)，主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入在各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。
Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)主要有：
(1)低速率：ZigBee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2．4GHz)、40kbps(915MHz1和20kbps(868MHz)I~原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
(2)低時延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms．節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要-10s，Wi—Fi則需要3s。
(3)低功耗、實(shí)現(xiàn)簡單：設(shè)備可以在電池的驅(qū)動下運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年。低功耗意味著較高的可靠性和可維護(hù)性，更適合體積小的大量日常應(yīng)用。
(4)低成本：對用戶來說，低成本意味著較低的設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。ZigBee設(shè)備可以在標(biāo)準(zhǔn)電池供電的條件下(低成本)-r作，而不需要任何重?fù)Q電池或充電操作(低成本、易安裝)。
(5)網(wǎng)絡(luò)容量高：ZigBee通過使用IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層，支持幾乎任意數(shù)目的設(shè)備，這對于大規(guī)模傳感器陣列和控制尤其重要。
ZigBee技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，其中包括智能建筑、軍事領(lǐng)域、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備、智能家居及各種監(jiān)察系統(tǒng)等。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。
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