1短距離無線通信技術(shù)解析

短距離無線通信技術(shù)第1章概述林虹1.短距離無線通信基本概念2.各種短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展、應用及特點3.短距離無線通信技術(shù)的探討開發(fā)1.短距離無線通信基本概念有線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)：雙絞線，同軸電纜，光纖，或是別的有線介質(zhì)。無線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)：紅外線，無線電微波，或是其它無線介質(zhì)。信號在空氣中傳播，可以被任何人接收。

無線數(shù)據(jù)網(wǎng)的種類

無線廣域網(wǎng)（WWAN）無線城域網(wǎng)（WMAN）無線局域網(wǎng)（WLAN）無線個人網(wǎng)（WPAN）無線體域網(wǎng)（WBAN）IEEE:美國電氣電子工程師學會

WirelessLANWiredLAN1rdGen2rdGen3rdGen4rdGen10Mbps2Mbps11Mbps54Mbps250Mbps×10×5.5×5.5×5.5GAPBottleNeckintheLastMileOfAccess100Mbps1Gbps10Gbps×10×10Gapoftransmissionabilitybetweenfixedandwireless10k110k384k???什么是短距離無線通信？短距離無線通信的主要特點為通信距離短，覆蓋距離一般在幾十m或100m（200?m）之內(nèi)。無線放射器的放射功率較低，放射功率一般小于100?mW。自由地連接各種個人便攜式電子設備、計算機外部設備和各種家用電氣設備，實現(xiàn)信息共享和多業(yè)務的無線傳輸。各種短距離無線通信技術(shù)Bluetooth（藍牙）技術(shù)WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)IEEE802.11系列HiperLAN系列IrDA(紅外數(shù)據(jù)協(xié)會)技術(shù)UWB（超寬帶）技術(shù)Zigbee（紫蜂）技術(shù)Adhoc（自組織網(wǎng)絡）技術(shù)RFID（射頻識別）技術(shù)HomeRF技術(shù)NFC(短距通信)技術(shù)無線13942.各種短距離無線通信技術(shù)

的發(fā)展、應用及特點藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，其實質(zhì)內(nèi)容是為固定設備或移動設備之間的通信環(huán)境建立通用的短距離無線接口。藍牙技術(shù)的發(fā)展藍牙技術(shù)誕生于1994年，Ericsson當時確定開發(fā)一種低功耗、低成本的無線接口，以建立手機及其附件間的通信。1998年5月，愛立信聯(lián)合諾基亞(Nokia)、英特爾(Intel)、IBM和東芝(Toshiba)成立了“藍牙特殊利益集團“（SIG）。并提出了近距離無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)標準。1999年7月藍牙SIG正式公布藍牙1.0版本規(guī)范，將藍牙的發(fā)展推動到好用化階段。2.1Bluetooth(藍牙）技術(shù)2001年3月，藍牙1.1版本正式發(fā)布。藍牙規(guī)范1.0版本主要針對點對點的無線連接，比如手機與計算機、計算機與外設、手機與耳機等的無線應用。藍牙1.1版本將點對點擴展為點對多點，并修整了前一版本的錯誤與模糊概念。2003年11月，藍牙SIG公布了藍牙1.2版本規(guī)范。實現(xiàn)設備識別高速化的基礎上，削減了與無線局域網(wǎng)(WLAN)的無線電波干擾。2004年11月，藍牙2.0標準(2.0+EDR)正式推出。使藍牙的應用擴展到多媒體設備中，新標準具有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬（2-10Mbps），且在大量數(shù)據(jù)傳輸時功耗降低為原標準的一半。各版本的藍牙技術(shù)標準可從藍牙國際組織的官方網(wǎng)站(://)免費下載。藍牙的技術(shù)特點藍牙工作在全球開放的2.4?GHzISM頻段。頻率范圍為2.4～2.4835?GHz。運用跳頻頻譜擴展和時分多址技術(shù)，把頻帶分成若干個跳頻信道，在一次連接中，無線電收發(fā)器按確定的碼序列不斷地從一個信道“跳”到另一個信道。79個信道，1600跳/s。一臺藍牙設備可同時與其他7臺藍牙設備建立連接。數(shù)據(jù)傳輸速率可達1Mb/s。FECARQ低功耗、通信平安性好。四種工作模式：激活(Active)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式。在鏈路層中，藍牙系統(tǒng)運用認證、加密和密鑰管理等功能進行平安限制。在應用層中，用戶可以運用個人標識碼（PIN）來進行單雙向認證。在有效范圍內(nèi)可越過障礙物進行連接，沒有特殊的通信視角和方向要求。組網(wǎng)簡潔便利。接受“即插即用”的概念，嵌入藍牙技術(shù)的設備一旦搜尋到另一藍牙設備，馬上就可以建立連接，傳輸數(shù)據(jù)。藍牙技術(shù)具有電路交換和分組交換兩種數(shù)據(jù)傳輸類型，能夠同時支持語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸。藍牙規(guī)范藍牙規(guī)范目前已發(fā)展到4.0版本，各版本的規(guī)范都是分為核心系統(tǒng)(Core)和應用模型(Profile)兩部分。其中核心部分包括射頻(RF)、鏈路限制(LC)、鏈路管理(LMP)、邏輯鏈路限制與適應(L2CAP)四個最底層協(xié)議以及通用的業(yè)務搜尋協(xié)議(SDP)和通用接入模型(GAP)。而應用模型則是依據(jù)具體產(chǎn)品的不同須要而提出的各種協(xié)議組合，如串口(SerialPortProfile)、傳真(FAX)、撥號網(wǎng)絡(Dial-upNetworking)等。WLAN是一種借助無線技術(shù)取代以往有線信道方式構(gòu)成計算機局域網(wǎng)的手段，以解決有線方式不易實現(xiàn)的計算機的可移動性，使其應用更加不受空間限制。技術(shù)標準包括IEEE802.11系列和歐洲的HiperLAN系列。IEEE802.11系列IEEE的802.11標準由很多子集構(gòu)成，它具體定義了WLAN中從物理層到MAC層（媒體訪問限制）的通信協(xié)議。HiperLAN系列歐洲電信標準化協(xié)會(ETSI)推出HiperLAN1和HiperLAN2的接入泛歐標準。在2000年，HIPERLAN2標準制定完成，標準接受預留TDMA多址方式，動態(tài)TDD雙工方式，OFDM調(diào)制，最高數(shù)據(jù)速率能達到54Mbit/s，標準具體定義了WLAN的檢測功能和轉(zhuǎn)換信令，用以支持很多無線網(wǎng)絡，支持動態(tài)頻率選擇、無線信元轉(zhuǎn)換、鏈路自適應、多束天線和功率限制等，并且強調(diào)與3G整合。2.2WLAN（無線局域網(wǎng)）技術(shù)IEEE?802.11標準定義了單一的MAC層和多樣的物理層，其物理層標準主要有IEEE?802.11b（WiFi）、IEEE?802.11a和IEEE?802.11g。Wi-Fi最具潛力的應用主要是在SOHO、家庭無線網(wǎng)絡以及不便安裝電纜的建筑物或場所。憑借這些優(yōu)點，Wi-Fi已成為目前最為流行的筆記本電腦無線上網(wǎng)技術(shù)。IEEE在2009年9月11日批準了802.11n高速無線局域網(wǎng)標準。IEEE802.11n運用2.4GHz頻段和5GHz頻段，傳輸速度300Mbps，最高可達600Mbps，可向下兼容802.11b、802.11g。

WLAN802.11系列標準標準IEEE802.11IEEE802.11bIEEE802.11aIEEE802.11g使用頻帶2.4GHz2.4GHz5GHz2.4GHz傳輸速率2Mbps11Mbps54Mbps54Mbps擴頻技術(shù)DSSS/FHSSDSSSFHSSFHSS調(diào)制技術(shù)BPSK/QPSKBPSK/QPSKOFDMOFDM傳輸距離100M100M50M100M標準制定時間1997199920012003在MAC(媒體接入限制)層，802.11、802.11b、802.11a、802.11g這四種標準均接受的是CSMA/CA（載波偵聽多點接入/沖突避開）2.3IrDA(紅外數(shù)據(jù)協(xié)會)技術(shù)紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(InfraredDataAssociation，IrDA)成立于1993年，是致力于建立紅外線無線連接的非營利組織。起初，接受IrDA標準的無線設備僅能在1?m范圍內(nèi)以115.2?kb/s的速率傳輸數(shù)據(jù)，很快發(fā)展到4?Mb/s的速率（4PPM），后來，速率又達到16?Mb/s。IrDA技術(shù)是一種利用紅外線進行點對點通信的技術(shù)。目前它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動設備(如PDA、手機)上廣泛運用。事實上，當今每一個出廠的PDA及很多手機、筆記本電腦、打印機等產(chǎn)品都支持IrDA技術(shù)。IrDA的主要優(yōu)點是無須申請頻率的運用權(quán)，因而紅外通信成本低廉。它還具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接便利、簡潔易用的特點；由于數(shù)據(jù)傳輸率較高，因而適于傳輸大容量的文件和多媒體數(shù)據(jù)。此外，紅外線放射角度較小，傳輸平安性高。IrDA的不足在于它是一種視距傳輸，2個相互通信的設備之間必需對準，中間不能被其他物體阻隔，因而該技術(shù)只能用于2臺(非多臺)設備之間的連接。IrDA目前的探討方向是如何解決視距傳輸問題及提高數(shù)據(jù)傳輸率。2.4UWB（超寬帶）技術(shù)超寬帶(Ultra-Wideband)的定義:UWB信號的帶寬應大于等于500MHz，或其相對帶寬大于0.2。UWB無線通信的實際運用頻譜范圍為3.1-10.6GHz，其有效各向同性輻射功率(EIRP)不超過-41.3dBm/MHz。超寬帶的特點:共享寬帶頻譜資源.系統(tǒng)容量大，傳輸速率高.低功耗、低截獲概率，低成本.良好的多徑辨別率，定位精度高UWB的兩個突破在頻譜劃分方面，開創(chuàng)“共存”局面在傳輸速度方面，真正走向了高速超寬帶的應用:高速無線通信雷達探測成像定位跟蹤

超寬帶的技術(shù)發(fā)展動態(tài):脈沖（IR）UWB

--，…載波UWBDS-CDMA--，…MB-OFDM--，…高速UWB最終標準IEEE802.15.3a至今仍未確定，但形成了WiMedia聯(lián)盟。低速UWB的標準IEEE802.15.4a最終接受了IRUWB技術(shù)，用于短距離無線工業(yè)自動限制網(wǎng)。IEEE802.15.4a的另外一個可選技術(shù)為工作在2.4GHz的CSS技術(shù)。IEEE802.15WorkingGroupforWPAN:///15/2.5Zigbee（紫蜂）技術(shù)ZigBee名字來源于蜂群運用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形態(tài)的舞蹈來共享新發(fā)覺的食物源的位置、距離和方向等信息。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低困難度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動限制和遠程限制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年9月,擁有150個成員，包括飛思卡爾、菲利普、三菱、三星、IBM及華為等。宗旨是在一個開放式全球標準的基礎上使穩(wěn)定的、低成本的、低功耗的、無線聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控和限制產(chǎn)品成為可能……Zigbee自身的技術(shù)優(yōu)勢：低功耗。在低耗電待機模式下,2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月,甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比較,藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10),降低了對通信限制器的要求,按預料分析,以8051的8位微限制器測算,全功能的主節(jié)點須要32KB代碼,子功能節(jié)點少至4KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專利費。每塊芯片的價格大約為2美元。低速率。Zigbee工作在20～250kbps的較低速率,分別供應250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間,在增加RF放射功率后,亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。假如通過路由和節(jié)點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠。短時延。Zigbee的響應速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms,進一步節(jié)約了電能。相比較,藍牙須要3～10s、WiFi須要3s。高容量。Zigbee可接受星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點,最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點;同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理,最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。高平安。Zigbee供應了三級平安模式,包括無平安設定、運用接入限制清單(ACL)防止非法獲得數(shù)據(jù)以及接受高級加密標準(AES128)的對稱密碼,以靈敏確定其平安屬性。免執(zhí)照頻段。接受干脆序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段-2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)真正的ZigBee，由ZigBeeAlliance所主導的標準，定義了網(wǎng)絡層（NetworkLayer）、平安層（SecurityLayer）、應用層（ApplicationLayer）、以及各種應用產(chǎn)品的資料（Profile）；而由IEEE所制訂的802.15.4標準，則是定義了物理層（PHYLayer）及媒體存取層（MACLayer）。物理層（PHY）接受干脆序列展頻（DSSS，）技術(shù)，在媒體存取限制（MAC）層方面，主要是沿用WLAN中802.11系列標準的CSMA/CA方式。低速無線設備·

TV·

VCR·

DVD·

CD

·

鼠標·

鍵盤·

操作桿

·

保安·

HVAC·

照明·

門禁

·

玩具·

游戲器具

·

監(jiān)視·

診斷·

傳感器工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)消費電子個人健康監(jiān)護·

監(jiān)視·

傳感器·

自動化·控制玩具和游戲家庭自動化PC機的外圍設備ZigBee適應的應用場合2.6Adhoc（自組織網(wǎng)絡）技術(shù)蜂窩移動通信網(wǎng)絡和無線局域、移動IP協(xié)議都屬于現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施范疇，它們須要類似基站、訪問服務點或外地代理這樣的中心限制設備。但是，在很多特殊環(huán)境(如動態(tài)環(huán)境下)和應急狀況下，沒有可用的網(wǎng)絡基礎設施如何通信？這就要求能夠動態(tài)的、可以快速部署的、不依靠或者很少依靠現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡，也就是無線自組織網(wǎng)絡，也稱Adhoc網(wǎng)絡。無線自組織網(wǎng)絡(AdhocNetwork)是由一組帶有無線通信收發(fā)裝置的移動終端節(jié)點組成的一個多跳臨時性無中心網(wǎng)絡，可以在任何時刻、任何地點快速構(gòu)建起一個移動通信網(wǎng)絡，并且不須要現(xiàn)有信息基礎網(wǎng)絡設施的支持，網(wǎng)絡中的每個終端可以自由移動，地位相等，而且具有分組轉(zhuǎn)發(fā)實力。也稱為多跳無線網(wǎng)(Multi-hopWirelessNetwork)。Adhoc網(wǎng)絡的前身是分組無線網(wǎng)PRNET(PacketRadioNetwork)。早在1972年，美國國防部高級探討規(guī)劃署(DARPA)就啟動了分組無線網(wǎng)項目PRNET，探討在戰(zhàn)場環(huán)境下利用分組無線網(wǎng)進行數(shù)據(jù)通信。在此之后，DARPA又在1983年和1994年進行了抗毀可適應網(wǎng)絡SURAN(SurvivableAdaptiveNetwork)和全球移動信息系統(tǒng)GloMo(GlobalInformationSystem)項目的探討。探討如何將PRNET的探討成果加以擴展，以支持更大規(guī)模的網(wǎng)絡。由于無線通信和終端技術(shù)的不斷發(fā)展，AdHoc網(wǎng)絡在民用環(huán)境下也得到了發(fā)展，如須要在沒有有線基礎設施的地區(qū)進行臨時通信時，可以很便利地通過搭建AdHoc網(wǎng)絡實現(xiàn)。緊急和突發(fā)場合、偏遠野外地區(qū)、臨時場合、個人通信AdHoc網(wǎng)絡的特點網(wǎng)絡的獨立性AdHoc網(wǎng)絡相對常規(guī)通信網(wǎng)絡而言，最大的區(qū)分就是可以在任何時刻、任何地點不須要硬件基礎網(wǎng)絡設施的支持，快速構(gòu)建起一個移動通信網(wǎng)絡。它的建立不依靠于現(xiàn)有的網(wǎng)絡通信設施，具有確定的獨立性。AdHoc網(wǎng)絡的這種特點很適合災難救助、偏遠地區(qū)通信等應用。動態(tài)變更的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)在AdHoc網(wǎng)絡中，移動主機可以在網(wǎng)中隨意移動。主機的移動會導致主機之間的鏈路增加或消逝，主機之間的關(guān)系不斷發(fā)生變更。在自組網(wǎng)中，主機可能同時還是路由器，因此，移動會使網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變更，而且變更的方式和速度都是不行預料的。對于常規(guī)網(wǎng)絡而言，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)則相對較為穩(wěn)定。有限的無線通信帶寬在AdHoc網(wǎng)絡中沒有有線基礎設施的支持，因此，主機之間的通信均通過無線傳輸來完成。由于無線信道本身的物理特性，它供應的網(wǎng)絡帶寬相對有線信道要低得多。除此以外，考慮到競爭共享無線信道產(chǎn)生的碰撞、信號衰減、噪音干擾等多種因素，移動終端可得到的實際帶寬遠遠小于理論中的最大帶寬值。有限的主機能源在AdHoc網(wǎng)絡中，主機均是一些移動設備，如PDA、便攜計算機或掌上電腦。由于主機可能處在不停的移動狀態(tài)下，主機的能源主要由電池供應，因此AdHoc網(wǎng)絡有能源有限的特點。網(wǎng)絡的分布式特性在AdHoc網(wǎng)絡中沒有中心限制節(jié)點，主機通過分布式協(xié)議互聯(lián)。一旦網(wǎng)絡的某個或某些節(jié)點發(fā)生故障，其余的節(jié)點照舊能夠正常工作。生存周期短AdHoc網(wǎng)絡主要用于臨時的通信需求，相對與有線網(wǎng)絡，它的生存時間一般比較短。有限的物理平安移動網(wǎng)絡通常比固定網(wǎng)絡更簡潔受到物理平安攻擊，易于遭遇竊聽、欺瞞和拒絕服務等攻擊?，F(xiàn)有的鏈路平安技術(shù)有些已應用于無線網(wǎng)絡中來減小平安攻擊。不過AdHoc網(wǎng)絡的分布式特性相對于集中式的網(wǎng)絡具有確定的抗毀性。對于Adhoc網(wǎng)絡來說，信道接入的限制必需是分布式的。每個移動節(jié)點必需知道自己的四周環(huán)境中發(fā)生了什么，而且須要和其他節(jié)點合作，實現(xiàn)網(wǎng)絡業(yè)務傳輸。因為Adhoc網(wǎng)中的節(jié)點常常是移動的，所以MAC協(xié)議的困難性較高。由于這種分布式的特性，移動Adhoc網(wǎng)的信道接入須要在競爭節(jié)點之間協(xié)調(diào)。因此，須要接受某些分布式協(xié)商機制來得到高效率的MAC協(xié)議。其中，協(xié)商中須要的時間和帶寬等信道資源是影響網(wǎng)絡性能的重要因素。無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡，借助于節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多我們感愛好的物質(zhì)現(xiàn)象。在無線傳感器網(wǎng)絡中，除了少數(shù)節(jié)點須要移動以外，大部分節(jié)點都是靜止的。因為它們通常運行在人無法接近的惡劣的甚至緊急的遠程環(huán)境中，能源無法替代，設計有效的策略延長網(wǎng)絡的生命周期成為無線傳感器網(wǎng)絡的核心問題。物聯(lián)網(wǎng)2.7RFID（射頻識別）技術(shù)RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽，操作快捷便利。RFID射頻標簽是承印物與電子技術(shù)的一個典型組合應用。其在承印物上就包含了存有產(chǎn)品信息的IC芯片與天線組成的射頻電路，通過天線接收來自專用閱讀器所放射的射頻信號，并應答出標簽芯片中所包含的數(shù)據(jù)信息，它打破了傳統(tǒng)條形碼識別的局限性