短距离无线通信技术及其综合发展解析

息第４４卷第职精２００７年簟１０期鱼蠹与往襄ＥｌｅｅｗｌｃｓｌＭｅａｇｍ＇ｃｍｅｓｔ＆ｈ—ｎＩｍ蚰恤廿蚰Ｖ确舢Ｎｍ５腔Ｏｃｔ．２０们短距离无线通信技术及其融合发展研究张方奎。张春业（山东大学信息科学与工程学院．济南２５０１００）摘要：本文对短距离无线通信领域应用广泛的ＷＩＡＮ技术、蓝牙技术、紫蜂技术、ＵＷＢ技术以及ＲＦＩＤ技术进行阐述，分析了它们的技术特点、发展现状和应用领域，最后阐述了它们的融合发展趋势。关键词：短距离无线通信；ＷＬＡＮ；蓝５Ｊ：；ＺｉｇＢｃｅ；超宽带；射频识别（Ｒ兀Ｄ）中圈分类号：ＴＭ７６；侧文献标识码：Ｂ文章编号：１００１—１３９０（２００７｝１０－００４８－０５ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅｓｈｏｒｔｒａｎｇｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｉｔｓｍｅｒｇｉｎｇｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｓＺＨＡＮＧＦａｎｇ－ｋｎｉ，ＺＨＡＮＧＣｈｕｎ－ｙｅ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５０１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅａｒｔｉｃｌｅｅｘｐｏｕｎｄｓｔｈｅＷＬＡＮ、ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ、ＺｉｇＢｅｅ、ＵＷＢａｎｄＲＦＩＤｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｗｈｉｃｈ８ｒｅｅⅨｔｅｎｓｉｖｅｌｙａｐｐｈｅｄｉｎｔｈｅｓｈｏｒｔｒａｎｇｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｉｒｔｅｃｈ・ｎｉｃａｌｃｈａ阳ｃｔｅｒｉｓｄｃ８、ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅａ＿ｓ，ａｎｄａｔｌａｓｔｅｘｐｏｕｎｄｓｔｈｅｉｒｍｅｒｇｉｎｇｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｒｅｎｄｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈｏｒｔｒａｎｇｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｎ‘ａｎｕｎｉｃａｆｉｏｎ；ＷＩ）ｔＮ；ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ＇，ＺｉｇＢｅｅ；ＵＷＢ；ＲＦＩＤ０引言随着因特网、多媒体和无线通信技术的发展．人们与信息网络已经密不可分。当今无线通信在人们的生活中扮演着越来越重要的角色，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，作为无线通信技术一个重要分支的短距离无线通信技术正逐渐引起越来越广泛的观注。ｌ短距离无线通信技术简介近年来．由于数据通信需求的推动。加上半导体、计算机等相关电子技术领域的快速发展，短距离无线与移动通信技术也经历了一个快速发展的阶段，ＷＬＡＮ技术、蓝牙技术、ＵＷＢ技术，以及紫蜂（ｚｉｇＢｅｃ）技术、射频ｉＰ，别（ＲＦＩＤ）技术等取得了令人瞩目的成就。短距离无线通信通常指的是ｌＯＯｍ以内的通信．分为高速短距离无线通信和低速短距离无线通信两类。高速短距离无线通信最高敷据速率＞１００Ｍｂｉｔ／８，通信距离＜１０ｍ，典型技术有高速ＵＷＢ、ＷｉｒｅｌｃｓｓＵＳＢ；低速短距离无线通信的最低数据速率＜ＩＭｂｉｆｆｓ，通信距离＜一档一ｌＯＯｍ．典型技术有蓝牙、紫蜂和低速ＵＷＢｔ”。２无线局域网（ＷＬＡＮ）与ｍＥＥ踟五ｎ标准族四ｗＬＡＮ顾名思义是一种借助无线技术取代以往有线信道方式构成计算机局域网的手段．以解决有线方式不易实现的计算机的可移动性．使其应用更加不受空间限制。ＩＥＥＥ８０２．１ｌ无线局域网ｆ阢．ＡＮ）是ＩＥＥＥ最初制定的，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物．包括ＩＥＥＥ８０２．１ｌａ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ和ＩＥＥＥ８０２．ＩＩｇ。ＩＥＥＥ８０２．１ｌａ主要用来解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接人。工作在５Ｇ｝ＩｚＵ—Ｎｉｌ（Ｕｎｌｉｃｅｎｓｅｄ－ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＩｎｆｒａｓ—ｔｒｕｃｔｕｒｅ）频带．物理层速率５４Ｍｂｐｓ，传输层速率２５Ｍｂｐｓ。它采用正交频分复用（０ＦＤ呻扩频技术．可提供２５Ｍｂｐｓ的无线ＡＴＭ接！Ｅｌ、ｌＯＭｂｐｓ的以太网无线帧结构接口以及ＴＤＤ／ＴＤＭＡ的空中接口，支持语音、数据、图像业务。一个扇区可接人多个用户，每个用户可带多个用户终端。其缺点是芯片没有进入市场，设备昂贵。空中接力万方数据总第州辔尊５０２期２００７年第１０期电舅与倥寰日ｅｃＵｔｅａｌＭｅ４ｔｓｍ－ｅｍｅｕｔ＆ｈ哼ｈＩＩｍｅｎ恤６佃Ｖｏ洲Ｎｏ舶０ｃＬ２０们不好，点对点连接很不经济，不适合小型设备。Ｗｉ—Ｆｉ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓｎｄｅｌｉｔｖ一无线保真１是属于无线局域网（ＷＬＡＭ的一种，通常是指ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ产品，是利用无线接人手段的新型局域网解决方案。Ｗｉ—Ｆｉ的主要特点是传输速率高、可靠性高、建网快速、便捷、可移动性好、网络结构弹性化、组网灵活、组网价格较低等。因此具有良好的发展前景。ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ工作频段为２．４ＧＨｚ的ＩＳＭ自由频段．采用直接序列扩频ＣＤＳＳＳ）技术理论上可以达到１１Ｍｐｉｔ／ｓ速率。典型通信距离为２Ｍｂｉ幽时３０－４５ｉｎ。２Ｍｂｉｌ／ｓ时为４０一７５ｍ．２Ｍｂｉｔ／ｓ时为７５—１００ｍ。ＩＥＥＥ８０２．１１９使用了与ＩＥＥＥ８０２．１ｌｂ相同的２．４Ｇｍ的ＩＳＭ免特许频段。它采用了两种调制方式：即ＩＥＥＥ８０２．１ｌａ所采用的ＯＦＤＭ和ＩＥＥＥ８０２．１ｌｂ所采用的ＣＣＫ。通过采用这两种分别与ＩＥＥＥ８０２．１１ａ和ＩＥＥＥ８０２．１ｌｂ相同的调制方式，使ＩＥＥＥ８０２．１ｌｇ不但达到了ＩＥＥＥ８０２．１ｌａ的５４Ｍｂ／ｓ的传输速率．同时也实现了与现在广泛存在的采用ＩＥＥＥ８０２．１ｌｂ标准设备的兼容。ＩＥＥＥＳ０２．１ｌｇ已经被大多数无线网络产品制造商选择作为下一代无线网络产品的标准。３蓝牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）技术碍“蓝牙（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）”是一个开放性的、短距离无线通信技术标准。也是目前国际上最新的一种公开的无线通信技术规范。它可以在较小的范围内，通过无线连接的方式安全、低成本、低功耗的网络互联，使得近距离内各种通信设备能够实现无缝资源共享．也可以实现在各种数字设备之间的语音和数据通信。由于蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的ＣＭＯＳ芯片中。因此，特别适用于小型的移动通信设备，使设备去掉了连接电缆的不便。通过无线建立通信。蓝牙技术以低成本的近距离无线连接为基础．采用高速跳频（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＨｏｐｐｉｎｇ）和时分多址（ＴｉｍｅＤｉ・ｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉ－ａｅｃｅｓｓ－－ＴＤＭＡ）等先进技术．为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。蓝牙技术使得一些便于携带的移动通信设备和计算机设备不必借助电缆就能联网。并且能够实现无线连接因特网，其实际应用范周还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。打印机、ＰＤＡ、桌上型计算机、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。目前蓝牙的标准是ＩＥＥＥ８０２．１５，工作在２．４ＧＨｚ频带．通道带宽为ｌＭｂ／Ｂ，异步非对称连接最高数据速率为７２３．２ｋｂ／ｓ。蓝牙速率亦拟进一步增强，新的蓝牙标准２．０版支持高达１０Ｍｂ／ｓ以上速率（４、８及１２—２０Ｍｌｄｓ）．这是适应未来愈来愈多宽带多媒体业务需求的必然演进趋势。作为一个新兴技术，蓝牙技术的应用还存在许多问题和不足之处，如成本过高、有效距离短及速度和安全性能也不令人满意等。但毫无疑问．蓝牙技术已成为近年应用最快的无线通信技术．它必将在不久的将来渗透到我们生活的各个方面。４紫蜂【ＺｉｇＢｅｅ）技术“新一代的无线传感器网络将采用８０２．１５．４（Ｚｉｇ－Ｂｅｅ）协议。ＺｉｇＢｅｅ是一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能。ｚｉｇｂ，＊技术的特点主要有：（１）低速率：ｚｉｌ；Ｂｅｅ工作在２０—２５０ｋｂｐｓ的较低速率。分别提供２５０ｋｂｐｓ（２．４ＧＨｚ）、４０ｋｂｐｓ（９１５ＭＨｚ）和２０ｋｂｐｓ（８６８ＭＨｚ）ｆ均原始数据吞吐率．满足低速率传输数据的应用需求。（２）低时延：Ｚ坛Ｂｅｅ的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需１５ｍｓ，节点连接进入网络只需３０ｍｓ，进一步节省了电能。相比较。蓝牙需要３－１０ｓ，Ｗｉ—ｎ则需要３Ｂ。（３）低功耗、实现简单：设备可以在电池的驱动下运行数月甚至数年。低功耗意味着较高的可靠性和可维护性．更适合体积小的大量日常应用。（４）低成本：对用户来说，低成本意味着较低的设备费用、安装费用和维护费用。ＺｉｇＢｅｅ设备可以在标准电池供电的条件下（低成本）ａｚ作，而不需要任何重换电池或充电操作（低成本、易安装）。（５）网络容量高：ＺｉｇＢｅｅ通过使用ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的ＰＨＹ和ＭＡＣ层。支持几乎任意数目的设备，这对于大规模传感器阵列和控制尤其重要。ＺｉｇＢｅｅ技术的应用范围非常广泛，其中包括智能建筑、军事领域、工业自动化、医疗设备、智能家居及各种监察系统等。ＺｉｇＢｅｅ技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用．而不是技术本身。５超宽带（ＵＷＢ）技术超宽带（Ｕｌｔｒａ－ｗｉｄｅｂａｎｄ－－ＵＷＢ）技术起源于２０世纪５０年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展。人们对高速无线通信提出了更高的要求．超宽带技术又被重新提出．并倍受关注。ＵＷＢ是指信号带宽大于５００ＭＨｚ或．４９—万方数据慧第４４卷第５∞期２００７年第１０期电蒉与便裹ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａ目¨ｔｎ蛐ｔ矗Ｉｎ．ｍ＇ｍｎｅｍａｔｔｏａＶｄ．４４Ｎ仉Ｓ０２Ｏｃｔ．２００７者是信号带宽与中心频率之比大于２５％的无线通信方案。与常见的使用连续载波通信方式不同。ＵＷＢ采用极短的脉冲信号来传送信息．通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间。因此脉冲所占用的带宽甚至高达几ＧＨｚ．因此最大数据传输速率可以达到几百分之一。在高速通信的同时．ＵＷＢ设备的发射功率却很小．仅仅是现有设备的几百分之一．对于普通的非ＵＷＢ接收机来说近似于噪声．因此从理论上讲．ＵＷＢ可以与现有无线电设备共享带宽。ＵＷＢ是一种高速而又低功耗的数据通信方式．它有望在无线通信领域得到广泛的应用。ＵＷＢ的特点如下：（１）抗干扰性能强：ＵＷＢ采用跳时扩频信号．系统具有较大的处理增益．在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中．输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。（２）传输速率高：ＵＷＢ的数据速率可以达到几十Ｍｂｉｔ／ｓ到几百Ｍｂｉ讹．有望高于蓝牙１００倍。（３）带宽极宽：ＵＷＢ使用的带宽在１ＧＨｚ以上，高达几个ＧＨｚ。超宽带系统容量大。并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。（４）消耗电能少：通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波．因此要消耗一定电能。而ＵＷＢ不使用载波．只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按Ｏ和１发送出去．并且在需要时才发送脉冲电波．所以消耗电能少。（５）保密性好：ＵＷＢ保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩颓，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。（６）发送功率非常小：ＵＷＢ系统发射功率非常小．通信设备可以用小于１ｍｗ的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长了系统电源工作时间。（７）成本低，适合于便携型使用：由于ＵＷＢ技术使用基带传输，无需进行射频调制和解调，所以不需要混频器、过滤器、ＲＦ，ｑ＇Ｆ转换器及本地振荡器等复杂元件．系统结构简化，成本大大降低，同时更容易集成到ＣＭＯＳ电路中。由于ＵＷＢ具有广阔应用前景，在标准制定上竞争激烈。目前ＵＷＢ标准提案有二：以摩托罗拉为代表的ＤＳ—ＣＤＭＡ方案和多频带ＯＦＤＭ联盟（ＭＢＯＡ）的０ＦＤＭ方案。两种提案各有优缺点。Ｄｓ＿ＣＤＭＡ方案建议采用双频带（３．１—５．１５ＧＩ－Ｉｚ和５．８２５—１３．６ＧＨｚ）．即在每超过１ＧＨｚ的频带内用极短的时间脉冲发送数据。其优势是硬件简单，频谱利用率高。ＯＦＤＭ方案需建一Ｓ０一立一个子信道化ＵＷＢ系统，每个子信道采用正交频分复用方式，优势是抗ＩＳＩ（符号间干扰）能力强，但硬件相对复杂。虽然前段时间有