近距離海量數(shù)據(jù)通信設(shè)備方案

1、UHDRWTUltra High Data Rate Wireless Transmission近距離海量數(shù)據(jù)通信設(shè)備方案目錄1.通信協(xié)議選擇32.近距離海量數(shù)據(jù)通信設(shè)備設(shè)計方案61.通信協(xié)議選擇常用的近距離無線傳輸協(xié)議包括Bluetooth、Wi-Fi、IrDA、Zigbee、UWB、NFC。目前正在研究和發(fā)展的包括WHDI、WirelessHD、WiDi、WiGig、DLNA，這些協(xié)議大部分是由幾個或多個芯片生產(chǎn)廠家聯(lián)合開發(fā)的。目前無線通信領(lǐng)域各種技術(shù)的互補(bǔ)性日趨鮮明。這主要表現(xiàn)在不同的接入技術(shù)具有不同的覆蓋范圍、不同的適用區(qū)域、不同的技術(shù)特點、不同的接入速率。眾多的無線通信協(xié)議，下面從幾

2、個方面簡要的介紹一下目前的情況。1) 標(biāo)準(zhǔn)化程度，大部分的技術(shù)均已經(jīng)完成標(biāo)準(zhǔn)化工作，進(jìn)行了試驗網(wǎng)建設(shè)和商業(yè)網(wǎng)建設(shè)；2) 占用頻率，Wi-Fi技術(shù)、UWB使用的是開放頻段，WiMAX技術(shù)、3G技術(shù)等其他技術(shù)使用的是授權(quán)頻段；3) 覆蓋范圍，Wi-Fi技術(shù)屬于局域網(wǎng)無線接入技術(shù)，覆蓋35m-100m；WiMAX技術(shù)、3G技術(shù)、LMDS技術(shù)、MMDS技術(shù)、集群通信屬于城域網(wǎng)接入技術(shù)，覆蓋范圍在1km-54km不等，而衛(wèi)星通信、點對點微波則屬于廣域網(wǎng)技術(shù)，通常用于通信主干組網(wǎng)建設(shè)；4) 傳輸速率，點對點微波和衛(wèi)星通信屬于干線傳輸技術(shù)，不同的情況速率變化較大，而其余的技術(shù)均為接入技術(shù)；5) 調(diào)制技術(shù)，其

3、中Wi-Fi技術(shù)、WiMAX技術(shù)、3G技術(shù)均采用最新的調(diào)制技術(shù)OFDM，其余的技術(shù)均未采用OFDM調(diào)制技術(shù)；6) 天線技術(shù)，僅僅3G和WiMAX技術(shù)采用了MIMO技術(shù)，而其他技術(shù)均未采用MIMO技術(shù)；7) 傳輸環(huán)境，僅僅WiMAX技術(shù)和3G技術(shù)支持非視距傳輸，其余技術(shù)均要求視距傳輸環(huán)境；8) 網(wǎng)絡(luò)安全和QoS機(jī)制，WiMAX技術(shù)和3G技術(shù)在這方面做得比較優(yōu)秀、完善，其余的均存在較大的問題；從技術(shù)發(fā)展的趨勢可以看出，以O(shè)FDM+MIMO為核心的無線通信技術(shù)將成為未來無線通信發(fā)展的主流方向。而目前基于該技術(shù)的無線通信技術(shù)主要有WiMAX、Wi-Fi等技術(shù)。各種主流短距離通信協(xié)議之間的比較如下圖1所

4、示。圖1. 協(xié)議之間的比較圖2. 數(shù)據(jù)vs傳輸時間的比較圖3. 發(fā)射功率之間的比較圖4. 消耗功率之間的比較這些協(xié)議之間針對不同的用處各有優(yōu)缺點。UWB由于傳輸距離短的問題而發(fā)展相對滯后，但是由于在雷達(dá)方面的卓越表現(xiàn)，從10年前開始，國外廠家的這類技術(shù)被禁止向中國出口。國內(nèi)為了打破國外的技術(shù)禁錮，很早就開展了相關(guān)研究。但是到目前為止，進(jìn)展甚微。由上面的比較看來，UWB和wi-fi性能相對接近，但是卻不存在UWB的技術(shù)禁售問題。而且目前短距離通信技術(shù)中生命力最強(qiáng)的是Wi-Fi技術(shù)，并且在不斷的發(fā)展過程中。Wi-Fi在發(fā)展的過程中不斷的吸收各種先進(jìn)的通信技術(shù)，其傳輸速率從最初802.11的2Mbp

5、s到802.11ac的Gbps。表1. IEEE 發(fā)布的wi-fi相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEEE標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時間工作頻段標(biāo)準(zhǔn)速度理想最高速率覆蓋范圍(室內(nèi)+室外)802.11a19995.15-5.35/5.47-5.725/5.725-5.875 GHz25Mbps54Mbps30米/45米802.11b19992.4-2.5 GHz6.5Mbps11Mbps30米/100米802.11g20032.4-2.5 GHz25Mbps54Mbps30米/100米802.11n20092.4GHz或5GHz300Mbps600Mbps70米/250米802.11ac20115GHz433Mbps/867

6、Mbps867Mbps/1.73Gbps/3.47Gbps/6.93Gbps-由上面簡介可見，wi-fi具備了大帶寬、發(fā)展性強(qiáng)、技術(shù)成熟等特點。與UWB相比，wi-fi的協(xié)議得到了充分實現(xiàn)，實際產(chǎn)品中的各項性能都與協(xié)議中的相差不遠(yuǎn)。而UWB雖然在協(xié)議上具備極大的吸引力，而目前能實現(xiàn)的性能還是相差比較遠(yuǎn)。因此在本項目中采用WIFI技術(shù)作為各設(shè)備之間的空中接口協(xié)議，即可避免重新開發(fā)協(xié)議的困難。并針對wi-fi技術(shù)中的一些缺點，引入其他技術(shù)的優(yōu)點予以補(bǔ)充。2.近距離海量數(shù)據(jù)通信設(shè)備設(shè)計方案近距離海量數(shù)據(jù)通信設(shè)備需要完成大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。其中圖像實時傳輸為重點實現(xiàn)的功能，通信距離在10m之內(nèi)。此設(shè)

7、備主要特點：Ø 數(shù)據(jù)速率達(dá)到Gbps量級，圖像傳輸實時性，時延達(dá)到亞ms量級；Ø 空中接口的智能化；Ø 低誤碼率設(shè)計，10(-6)量級；Ø 低功耗設(shè)計；Ø 小型化設(shè)計，限制在20cm x 10cm x 3cm的體積范圍內(nèi)；本方案的特點也是設(shè)備的難點所在，特別是小型化設(shè)計。按照前面的討論結(jié)果，整個設(shè)備采用wi-fi技術(shù)作為基礎(chǔ)，結(jié)合智能化和MIMO技術(shù)。其原理框圖如下所示。圖5. 近距離海量數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備組網(wǎng)框圖每個設(shè)備與海量數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備之間直接采用有線連接，而設(shè)備之間通過海量數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備進(jìn)行無線通信。而每個設(shè)備可以自動加入整個無線通信網(wǎng)絡(luò)。海量數(shù)

8、據(jù)傳輸設(shè)備采用主設(shè)備電源進(jìn)行供電，其主要的原理框圖如下所示。圖6. 近距離海量數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備原理框圖近距離海量數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備由五部分組成。具體為天線陣列（antennas）、射頻模塊（RF module）、wi-fi核心（WIFI core）、接口模塊（Interfacing）和管理模塊（Managements）。天線陣列由多個天線組成，完成射頻信號的收發(fā)。射頻模塊與天線陣列相連，由管理模塊通過射頻模塊對多個天線進(jìn)行管理。wi-fi核心則實現(xiàn)整個系統(tǒng)的表示層、會話層、傳送層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和部分物理層的功能。接口模塊則負(fù)責(zé)完成海量數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備與主設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互。管理模塊則負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)、控制各個模塊之間的工作狀態(tài)?！?】Jin-Shyan Lee, ., A Comparative Study of Wireless Protocols: Bluetooth, UWB, Z