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近距离无线通信技术及应用前景
 
慧聪网   2005年12月13日15时48分   信息来源:泰尔网    

  【导语】 首先概述近距离无线通信技术的划分以及标准结构,然后着重介绍ZigBee技术、高速/低速UWB和Bluetooth这3种目前比较受关注的近距离无线通信技术,最后简单介绍近距离无线通信的应用前景。

  1、概述

  当今,无线通信在人们的生活中扮演越来越重要的角色,低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈追求,因此近距离无线通信正逐渐引起越来越广泛的注意。

  一般来讲,近距离无线通信技术分为高速近距离无线通信和低速近距离无线通信两类。高速近距离无线通信最高数据速率>100Mbit/s,通信距离<10m,典型技术有高速UWB、WirelessUSB;低速近距离无线通信的最低数据速率<1Mbit/s,通信距离<100m,典型技术有Zigbee、低速UWB、Bluetooth。

  近距离无线通信标准结构包括两部分,如图1所示。其中物理层和MAC层由IEEE 802.15标准系列定义,网络层及安全层等上层协议由各自联盟开发。

  

图1  近距离无线通信标准结构

图1  近距离无线通信标准结构

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  目前比较受关注的近距离无线通信技术是:ZigBee技术、高速/低速UWB和Bluetooth。

  2、ZigBee技术

  ZigBee是一种低速短距离无线通信技术。它的出发点是希望发展一种拓展性强、易布建的低成本无线网络,强调低耗电、双向传输和感应功能等特色。

  ZigBee PHY和MAC层由IEEE802.15.4标准定义。802.15.4协议已于2003年发布,上层协议正在制定之中。802.15.4定义了两个物理层标准,分别对应于2.4GHz频段和868/915MHz频段。两者均基于直接序列扩频,物理层数据包格式相同,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率,具体见表1。


表1 2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层的区别

  

工作频率(MHz)
频段(MHz)
数据速率(kbit/s)
调制方式
868/915
868~868.6
20
BPSK
902~928
40
BPSK
2450
2400~2483.5
250
0-QPSK


  2.4GHz频段为全球免许可ISM频段,可以降低ZigBee设备的生产成本。该物理层采用高阶调制技术,提供250kbit/s的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电。ZigBee技术在该频段采用O-QPSK调制,其调制过程如图2所示。

  

图2  ZigBee技术在2.4GHz频段的调制过程

图2  ZigBee技术在2.4GHz频段的调制过程

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  868MHz为欧洲ISM频段,915MHz为美国的ISM频段。它们的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。传输速率分别为20kbit/s和40kbit/s,这两个频段上无线信号传播损耗较小,可以降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。该频段的ZigBee系统采用差分编码和BPSK技术,调制过程如图3所示。

  

图3  869/915MHz频段的ZigBee系统的调制过程

图3  869/915MHz频段的ZigBee系统的调制过程

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  ZigBee的网络层、安全层和API(应用编程接口)层协议由ZigBee联盟开发。2004年12月14日,ZigBee联盟发布了第一个ZigBee技术规范。

  3、UWB技术

  近年来,学术界和企业界对超宽带UWB(Ultra Wideband)技术表现出极大的兴趣,但是UWB技术并不是一种崭新的技术,早在20世纪60年代就已用在美国军方的雷达、定位和通信系统中。最初的UWB技术不使用载波,而是利用ns-ps级的非正弦波窄脉冲传输数据。由于UWB采用跳时扩频信号,系统具有较大的处理增益,在发射端可将微弱的脉冲信号分散到宽阔的频带上,输出功率甚至低于普通设备的噪声,所以UWB技术具有较强的抗干扰性。UWB可支持很高的数据速率,从几十Mbit/s到几百Mbit/s,发射功率小、耗电少。

  目前UWB PHY和MAC层的标准化工作主要在IEEE802.15.3a和IEEE802.15.4a中进行,其中IEEE802.15.3a工作组负责高速UWB,而IEEE802.15.4a负责低速UWB。

  3.1 高速UWB

  IEEE 802.15.3a标准化的众多物理层技术中,目前主要包括两大技术阵营:一个是以Intel和TI为代表的多频带OFDM(MB-0FDM),将频谱以500MHz带宽大小进行分割,在每个子频带上采用OFDM技术;另一个是以Motorola和Freescale为代表的直接序列UWB(DS-UWB),采用传统脉冲无线电方案。这两种方案都工作在FCC分配的3.1~10.6GHz的免许可频段,但两者有不同的频段划分。

  MB-OFDM将该频带划分为13个频段,每个频段528MHz,用来发送128点的OFDM信号,每个子载波占用4MHz带宽。根据目前的需要和硬件实现水平,采用3带方式(使用子频带1~3)和7带方式(使用子频带1~3和6~9)两种子频带配置方式。MB-0FDM方案的发射端框架如图4所示。

  

图4  MB-OFDM超宽带系统发射端框架

图4  MB-OFDM超宽带系统发射端框架

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  DS-UWB将频带分为两个频段,即3.1-4.85GHz-和6.2~9.7GHz,在高低两个频段中基带信号扩频到整个带宽。而为了避免使用U-NII频段的其他系统,高低两个频段之间的部分没有使用。两个DS-UWB信号占用的带宽远远大于MB-0FDM信号的带宽,所以更容易达到很低的功率谱密度。DS-CDMA系统的发射框架如图5所示。

  

图5  DS-CDMA系统发射端框架

图5  DS-CDMA系统发射端框架

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  IEEE 802.15.3a高速UWB的上层协议由WiMedia Alliance负责。最近WiMedia Alliance与多频带0FDM联盟(MBOA)合并。WiMedia联盟和MBOA均为行业小组,而且有几近相同的成员和相似的使命,他们的结合将可以显著提高开发超宽带标准和互操作性的效率。

  3.2 低速UWB

  IEEE 802.15.4a是作为802.15.4的一个补充,其物理层的标准可能采用低速UWB技术。在2005年3月的IEEE 802全体会议WPAN标准化分会期间,将26项提案整合为6个技术方案,达成了一个“单一提案”。就目前来看,要实现这6项方案的真正融合还需要一段时间。

  4、Bluetooth技术

  蓝牙底层(PHY层和MAC层)协议的标准版本为IEEE 802.15.1,大多数标准制定工作还是由蓝牙小组(SIG)负责,其成果将由IEEE批准。802.15.1蓝牙规定了OSI模型中的物理层和数据链路层下的4个子层标准:RF层、基带层、链路管理器和L2CAP。它采用扩频跳频技术,提供1Mbit/s的数据传输速率,工作于2.4GHz频段,覆盖范围10cm~1Om。IEEE 802.15.1标准已于2002年6月通过。

  由于Bluetooth SIG仍致力于完成蓝牙1.2的标准,因此IEEE 802.15成立了TG1a任务组,以便随时将Bluetooth v1.2的MAC及PHY标准调整并转换成802.15.1a的标准。802.15.1a的PHY层中采用先进的扩频跳频技术,提供1OMbit/s的数据速率。另外,在MAC层中改进了与802.11系统的共存性,并提供增强的语音处理能力、更快速的建立连接能力、增强的服务品质以及提高蓝牙无线连接安全性的匿名模式。IEEE802.15.1a标准也已完成。

  5、近距离无线通信的应用前景

  自从Bluetooth出现以后,曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已,但是Bluetooth的售价一直居高不下,影响了这些厂商的使用意愿。

  ZigBee技术的应用前景非常看好。利用传感器和ZigBee网络可以实现医疗中的远程监测病人身体状况,家庭自动化中的照明设备、空调设备、门禁系统的远程控制,工业生产中的数据自动采集和处理,农业生产中的自动化、网络化和智能化地进行远程设备控制。而作为ZigBee物理层补充的802.15.4a,则把目光投向了精确定位及跟踪应用,如货物标签和跟踪,基于位置的库存控制管理等。

  高速UWB技术可以提供高达100Mbit/s以上的高速无线连接,可用在数字家庭网络中,在家用电器之间提供高速的视频业务传输,比如电视节目可以用电脑进行录制并后期处理,或者数码相机的图像资料可以在电视上播放;另外还可用在数字办公环境中,减少线缆布放的麻烦,提供高速数据传输。

  我们有理由相信在不远的将来有越来越多的内置近距离无线通信功能的设备进入我们的生活,并将极大地改变我们的生活方式和体验。

 
作者:张莉 
 
 
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