近距离海量数据通信设备方案

UHDRWTUltraHighDataRateWirelessTransmission近距离海量数据通信设备方案目录1.通信协议选择................................................................................................................................32.近距离海量数据通信设备设计方案............................................................................................61.通信协议选择常用的近距离无线传输协议包括Bluetooth、Wi-Fi、IrDA、Zigbee、UWB、NFC。目前正在研究和发展的包括WHDI、WirelessHD、WiDi、WiGig、DLNA，这些协议大部分是由几个或多个芯片生产厂家联合开发的。目前无线通信领域各种技术的互补性日趋鲜明。这主要表现在不同的接入技术具有不同的覆盖范围、不同的适用区域、不同的技术特点、不同的接入速率。众多的无线通信协议，下面从几个方面简要的介绍一下目前的情况。1)标准化程度，大部分的技术均已经完成标准化工作，进行了试验网建设和商业网建设；2)占用频率，Wi-Fi技术、UWB使用的是开放频段，WiMAX技术、3G技术等其他技术使用的是授权频段；3)覆盖范围，Wi-Fi技术属于局域网无线接入技术，覆盖35m-100m；WiMAX技术、3G技术、LMDS技术、MMDS技术、集群通信属于城域网接入技术，覆盖范围在1km-54km不等，而卫星通信、点对点微波则属于广域网技术，通常用于通信主干组网建设；4)传输速率，点对点微波和卫星通信属于干线传输技术，不同的情况速率变化较大，而其余的技术均为接入技术；5)调制技术，其中Wi-Fi技术、WiMAX技术、3G技术均采用最新的调制技术OFDM，其余的技术均未采用OFDM调制技术；6)天线技术，仅仅3G和WiMAX技术采用了MIMO技术，而其他技术均未采用MIMO技术；7)传输环境，仅仅WiMAX技术和3G技术支持非视距传输，其余技术均要求视距传输环境；8)网络安全和QoS机制，WiMAX技术和3G技术在这方面做得比较优秀、完善，其余的均存在较大的问题；从技术发展的趋势可以看出，以OFDM+MIMO为核心的无线通信技术将成为未来无线通信发展的主流方向。而目前基于该技术的无线通信技术主要有WiMAX、Wi-Fi等技术。各种主流短距离通信协议之间的比较如下图[1]所示。图1.协议之间的比较图2.数据vs传输时间的比较图3.发射功率之间的比较图4.消耗功率之间的比较这些协议之间针对不同的用处各有优缺点。UWB由于传输距离短的问题而发展相对滞后，但是由于在雷达方面的卓越表现，从10年前开始，国外厂家的这类技术被禁止向中国出口。国内为了打破国外的技术禁锢，很早就开展了相关研究。但是到目前为止，进展甚微。由上面的比较看来，UWB和wi-fi性能相对接近，但是却不存在UWB的技术禁售问题。而且目前短距离通信技术中生命力最强的是Wi-Fi技术，并且在不断的发展过程中。Wi-Fi在发展的过程中不断的吸收各种先进的通信技术，其传输速率从最初802.11的2Mbps到802.11ac的Gbps。表1.IEEE发布的wi-fi相关标准IEEE标准技术协议标准发布时间工作频段标准速度理想最高速率覆盖范围(室内+室外)802.11a19995.15-5.35/5.47-5.725/5.725-5.875GHz25Mbps54Mbps30米/45米802.11b19992.4-2.5GHz6.5Mbps11Mbps30米/100米802.11g20032.4-2.5GHz25Mbps54Mbps30米/100米802.11n20092.4GHz或5GHz300Mbps600Mbps70米/250米802.11ac20115GHz433Mbps/867Mbps867Mbps/1.73Gbps/3.47Gbps/6.93Gbps-由上面简介可见，wi-fi具备了大带宽、发展性强、技术成熟等特点。与UWB相比，wi-fi的协议得到了充分实现，实际产品中的各项性能都与协议中的相差不远。而UWB虽然在协议上具备极大的吸引力，而目前能实现的性能还是相差比较远。因此在本项目中采用WIFI技术作为各设备之间的空中接口协议，即可避免重新开发协议的困难。并针对wi-fi技术中的一些缺点，引入其他技术的优点予以补充。2.近距离海量数据通信设备设计方案近距离海量数据通信设备需要完成大量数据传输的实时性。其中图像实时传输为重点实现的功能，通信距离在10m之内。此设备主要特点：数据速率达到Gbps量级，图像传输实时性，时延达到亚ms量级；空中接口的智能化；低误码率设计，10^(-6)量级；低功耗设计；小型化设计，限制在20cmx10cmx3cm的体积范围内；本方案的特点也是设备的难点所在，特别是小型化设计。按照前面的讨论结果，整个设备采用wi-fi技术作为基础，结合智能化和MIMO技术。其原理框图如下所示。设备1设备2设备3设备n近距离海量数据传输设备图5.近距离海量数据传输设备组网框图每个设备与海量数据传输设备之间直接采用有线连接，而设备之间通过海量数据传输设备进行无线通信。而每个设备可以自动加入整个无线通信网络。海量数据传输设备采用主设备电源进行供电，其主要的原理框图如下所示。WIFIcoreRFmoduleInterfacingManagermentsData近距离海量数据传输设备Antennas图6.近距离海量数据传输设备原理框图近距离海量数据传输设备由五部分组成。具体为天线阵列（antennas）、射频模块（RFmodule）、wi-fi核心（WIFIcore）、接口模块（Interfacing）和管理模块（Managements）。天线阵列由多个天线组成，完成射频信号的收发。射频模块与天线阵列相连，由管理模块通过射频模块对多个天线进行管理。wi-fi核心则实现整个系统的表示层、会话层、传送层、网络层、数据链路层和部分物理层的功能。接口模块则负责完成海量数据传输设备与主设备之间的数据交互。管理模块则负责协调、控制各个模块之间的工作状态。【1】Jin-ShyanLee,..,AComparativeStudyofWirelessProtocols:Bluetooth,UWB,Zigbee,andWi-Fi,The33rdAnnualConferenceoftheIEEEIndustrialElectronicsSociety,Nov.5-8,2007,Taipei,Taiwan