短距离无线通信原理

短距离无线通信随着数字通信和计算机技术的发展，许多短距离无线通信的要求被提出目前使用较广泛的短距无线通信技术是蓝牙（Bluetooth），无线局域网802.11（Wi-Fi）和红外数据传输（IrDA），ZigBee，超宽频（UltraWideBand），短距通信（NFC）短距离无线通信特点短距离无线通信同长距离无线通信有很多的区别，主要如下:1、短距离无线通信的主要特点为通信距离短，覆盖距离一般在几十m或100m（200m）之内。覆盖的范围响应也比较小。2、无线发射器的发射功率较低，发射功率一般小于100mW。3、自由地连接各种个人便携式电子设备、计算机外部设备和各种家用电气设备，实现信息共享和多业务的无线传输。4、不用申请无线频道。区别于无线广播等长距离无线传输。5、高频操作，工作频段一般以GHZ为单位。蓝牙系统的特点及应用蓝牙技术简介蓝牙是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙标准的发展V1.1(1991年)V1.2V2.1(2004年)V2.2V3.0(2009年)V4.0(2010年)蓝牙标准的发展V1.1(1998年):为最早期版本，传输率约在748~810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。V1.2:748~810kb/s的传输率，增加了(改善Software)抗干扰跳频功能。V2.1(2004年):改善了装置配对流程，短距离的配对方面，具备了在两个支持蓝牙的手机之间互相进行配对与通讯传输的NFC（NearFieldCoMMunication）机制。具备更佳的省电效果。V3.0(2009年):核心是“GenericAlternateMAC/PHY”(AMP)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。传输速率更高，功耗更低。V4.0(2010年):包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。蓝牙4.0的改进之处主要体现在三个方面，电池续航时间、节能和设备种类上。有效传输距离也有所提升，为60M。蓝牙技术的特点蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学（Industrial,ScientificandMedical,ISM）频段。从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙技术的特点可归纳为如下几点：蓝牙技术的特点很好的抗干扰能力和安全性可建立临时对等连接全球范围适用同时传输语音数据近距离通信功耗低体积小蓝牙技术特点蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4-2.4835GHz。蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。蓝牙采用了跳频（FrequencyHopping）方式来扩展频谱，抵抗来自这些设备的干扰。提供了认证和加密功能，以保证链路级的安全。蓝牙设备在通信连（Connection）状态下，有四种工作模式：激活（Active）模式，呼吸（Sniff）模式保持（Hold）模式，休眠（Park）模式，Active模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。蓝牙技术通信距离为10m,可根据需要扩展至100m，以满足不同设备的需要。蓝牙系统的组成系统组成描述了链路控制器，实现了基带协议和其他的底层连接规程-媒体接入控制(MAC)-差错控制-认证与加密链路管理器（LM）软件实现链路的建立认证及链路配置等-通过连接管理协议（LMP）建立通信联系。-LM利用链路控制器（LC）提供的服务实现上述功能。天线发射功率符合FCC关于ISM波段的要求。-发射功率：100mW-跳频速率：1600跳/秒蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分：核心（Core）部分和协议子集（Profile）部分。协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输,跳频和数据帧传输,连接的建立和释放,链路的控制,数据的拆装等功能。蓝牙系统的技术特点-1工作在2.45GHz频段射频特性收发机配置符合IEEE802标准48位地址数据频率为1Mb／s使用扩频和跳频技术，噪音环境也能工作工作范围约10m，可加至100m蓝牙系统的技术特点-2在1.0B版本的标准中，蓝牙的基带符号速率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625ms，不排除将来采用更高的符号速率。蓝牙支持64kb/s的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数PCM或连续可变斜率增量调制（CVSD，ContinuosVariableSlopeDeltaModulation）。语音和数据可单独或同时传输。当仅传输语音时，蓝牙设备最多可同时支持3路全双工的话音通信；当语音和数据同时传输或仅传输数据时，支持433.9kb/s的对称全双工通信，或723.2kb/s、57.6kb/s的非对称双工通信，后者特别适合无线访问Internet。另外，还采用CRC(CyclicRedundancyCheck)、FEC(ForwardErrorCorrection)及ARQ(AutomaticRepeatRequest)以提高通信的可靠性。TDMA结构蓝牙系统的技术特点-3•Addyourtitleinhere跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hopchannel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做伪随机码，就是假的随机码）不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对应于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳每秒，对应于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时(包括寻呼和查询)则提高为3,200跳每秒。使用这样高的跳频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力。使用调频技术蓝牙系统的技术特点-4•Addyourtitleinhere根据网路的概念提供点对点和点对多点的无线链接。在任意一个有效通信范围内，所有设备的地位都是平等的。首先提出通信要求的设备称为主设备(Master)，被动进行通信的设备称为从设备(Slave)。利用TDMA，一个Master最多可同时与7个Slave进行通信并和多个Slave（最多可超过200个）保持同步但不通信。一个Master和一个以上的Slave构成的网路称为蓝牙的主从网路(Piconet)。若两个以上的Piconet之间存在著设备间的通信，则构成了蓝牙的分散网路(Scatternet)。基於TDMA原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在Piconet和Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，还可同时既是Master又是Slave。因此，在蓝牙中没有基站的概念。另外，所有设备都是可移动的。蓝牙设备的组网蓝牙系统的技术特点-5•Addyourtitleinhere蓝牙的基本出发点是可使其设备能够在全球范围内应用於任意的小范围通信。任一蓝牙设备，都可根据IEEE802标准得到一个唯一的48-bit的BD_ADDR，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在BD_ADDR基础上，使用一些性能良好的演算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码(ID，Identification)在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。全球范围内的工作蓝牙系统的技术特点-6和许多通信系统一样，蓝牙的通信协议采用层次结构。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体上分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口(HCI，HostControlInterface)实现高、低层的联接，后者则可不用HCI。这种层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它蓝牙设备，从而构成Piconet或Scatternet，实现系统提供的各种功能。软件的层次结构蓝牙网络的构成1）主设备与从设备主动提出通信要求的设备是主设备，被动进行通信的设备为从设备。1台主设备最多可同时与7台从设备进行通信，并可以和多达256个从设备保持同步但不通信。1台从设备与另1台从设备通信的唯一途径是通过主设备转发。蓝牙系统提供点对点连接方式（即：蓝牙中仅有两点）或一点多址连接方式。在一点多址连接方式中，信道是分在几个蓝牙单元中。分在同一信道中的两个或两个以上的单元形成一个微网（Piconet）。蓝牙网络的构成2）微网与扩散网1台主设备和1台以上从设备构成的网络称为微网（皮克网）（Piconet）。一个蓝牙单元作为微网的主单元，其余的可作为从单元看待。在一个微网中最多可有七个活动从单元。另外，更多的从单元被锁定在休眠状态中。这些处于休眠状态的从单元在该信道中不能被激活，但对主单元来讲它们仍由主单元同步。无论对激活或休眠状态来讲，信道访问都由主单元控制。a）单个从设备构成的微网(点对点)；b）多个从设备构成的微网（点对多点）；c）多个微网构成的扩散网蓝牙网络的构成具有重叠复盖域的微网之间存在设备间的通信，形成一个扩散网络（Scatternet）结构。每个微网只能具有一个单独主单元，然而从单元可分享基于时分多址的不同微网。另外，在一个微网中主单元可视为另一个微网的从单元。且各微网间不再是以时间或频率同步，各微网有自己的跳频信道。蓝牙扩散网结构示意图网络连接的构成3）对等网络Ad-hoc蓝牙设备在规定的范围内和规定的数量限制下，可以自动建立相互之间的联系，而不需要一个接入点或者服务器，由于这种网络是由某些蓝牙设备临时构成的网络，所以Ad-hoc网络又称临时网。由于网络中的每台设备在物理上都是完全相同的，因此又称为对等网。网络连接的建立蓝牙系统有三种主要状态：待机状态，连接状态和节能状态。从待机状态向连接状态转变的过程中，有7个子状态：寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主响应、从相应、查询相应。蓝牙技术的应用电子付帐系统，宾馆接待处的电子登记服务等。家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等。数字照相机、数字摄像机等。无线键盘、鼠标等。以便携式计算机和掌上计算机为代表。各种电话系统蓝牙技术的应用应用面多前景广阔数字手机、家庭及办公室电话、小型PBX等电话系统等。无线电缆无线办公包数字电子设备电子商务办公自动化家庭娱乐等蓝牙技术的应用无线局域网802.11（Wi-Fi）