短距离无线通信技术研究

中北大学2011届毕业论文第1页共49页1绪论1.1概述进入21世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。现有的GSM、NCDMA等技术正红红火火地发展，第三代移动通信系统(3G)也已经提上了议事日程，并将很快投入商用。这些技术能实现远距离的通信。但人们也许没有注意到，在同一间屋内或很近的地方，同样也需要无线通信。因此，又出现了另外一种需求：实现低价位、低功耗、可替代电缆的短距离无线通信。人们希望通过一个小型的、短距离的无线网络为移动和商业用户提供各种服务。短距离无线通信作为一个相对较新的技术，它的市场和应用一直备受业界所关注。从1999年蓝牙标准的横空出世开始，很多技术观点都认为短距离无线通信市场会出现爆发式的增长，但近十年过去了，事实证明，蓝牙至今都还没有进入快速的发展阶段，其应用仍停留在高端手机的无线耳机。有意思的是，作为同时期完成标准化的技术IEEE802.11无线局域网，却在Wi-Fi联盟的强力推动下，得到了空前的推广。如今随着Intel的迅驰技术一道，Wi-Fi的Logo已经在笔记本电脑中随处可见。由此可见，一种技术的应用推广，除了技术本身完善且有明确的市场定位外，国际产业联盟的推动作用是非常巨大的。蓝牙目前的现状也正是由于产业联盟的运作不够成熟所造成的。正是有了Wi-Fi成功的先例。现在还处于技术标准化时期的短距离无线通信技术，就纷纷建立各自的产业联盟，一方面推动高层协议的规范化，进而开展设备认证和互通测试，另一方面积极进行市场宣传和普及，为今后的产品商用做准备。超宽带（UWB）作为高速短距离无线通信技术的核心已经被大家所公认，尽管物理层标准尚处于争论阶段，但产业联盟的进程却非常快速。目前UWB比较明确的市场包括家庭消费电子、计算机周边设备和移动通信终端。家庭消费电子是家电厂商的传统势力范围，不过随着设备的复杂性增加，各种各样的线缆越来越成为了累赘。以数字电视机为中心，包括CD/DVD播放设备、音响设备、数码相机、数码摄像机等等这些消费类电子产品之间的大量数据的传输需要UWB提供高速短距离无线通信技术。同样的情况出现在计算机周边设备，主机与显示器、USB中北大学2011届毕业论文第2页共49页存储设备、扫描仪、投影仪等高速传输的接口也需要无线化，而且需求更为急迫。Intel所主导的WirelessUSB正是这种高速应用的推动组织，2005年初已经有公司展出了基于多频带OFDM的超宽带技术的无线USB控制器。移动通信终端是发展最快的领域，随着3G的全面商用，对终端的存储容量、处理能力和互通性要求也越来越高，UWB这种高速短距离无线通信对蓝牙技术替代也是自然的。面对着如此多的应用场景，各种针对应用的技术联盟也积极开展研究和测试，除了上面提到的WirelessUSB之外，还有1394TradeAssociation和中国的闪联工作组IGRS。另一方面，低速短距离无线通信的代表技术Zigbee也在Zigbee联盟的运作下稳步发展。2004年底Zigbee联盟发布第一个Zigbee网络协议规范，并确定Zigbee的启动市场为家庭控制、建筑物自动化和工业自动化。其中作为家庭控制领域的应用协议描述（ApplicationProfile）已经制定完成。其它领域的应用协议也正在制定中。从蓝牙协议制定的九个应用协议描述看出，低速的短距离无线通信的应用前景是非常广阔的，特别是在后续的IEEE802.15.4a增加了测距和定位功能后，其市场范围将进一步扩大。由于人们对无线通信的需求越来越大，各种短距离无线通信技术将在自动化控制和家庭信息化领域扮演越来越重要的角色。本课题将对目前常用的和最新的短距离无线通信技术标准进行研究，分析了它们的优缺点及实现方法，比较了它们在技术上的异同点，讨论了在选择、使用这些技术时应注意的问题，并且选择蓝牙技术设计一个用于鼠标、键盘、USB适配器的通信系统。之所以选择蓝牙技术，是因为目前较成熟的短距离无线通信技术中，IrDA红外传输虽然效率较高但穿透力差;HomeRF技术实现复杂，设备要求高;IEEE802.11标准虽然应用较广，但它专为数据传输设计不能直接提供语音服务，目前提供的带宽也比较有限。相比较之下，蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别的连接。同时它拥有跳频更快，数据包更短等优点，这是蓝牙比其它系统更稳定，蓝牙技术已经被广泛应用于计算机、手机、照相机、播放器、打印机等电子设备之间的数据传输与交换中，因此蓝牙技术的应用前景十分广泛。通过蓝牙模块的设计，将有利于理解无线通信系统的一般特征，为今后学习和应用其他无线通信技术奠定中北大学2011届毕业论文第3页共49页了基础，具有典型的代表意义。1.2国内外研究现状短距离无线通信技术的出现和应用较好的适应了市场发展的需求,特别是在最近一两年内以惊人的速度发展,各种相关技术层出不穷,已经在医疗、销售、制造、仓储、运输、会展、金融、小型办公、学校等许多不适合或无法布线的场合或需要移动办公、移动工作的企事业单位和行业系统得到了初步的应用。短距离无线通信技术目前在中国尚处于拓荒阶段。国内的通信厂商对短距离无线通信标准化的参与还不是很多，主要停留在研究跟踪阶段。不过，随着我国加入WTO，各种各样的知识产权纠纷接踵而至，许多组织机构和公司已经将短距离无线通信技术纳入了今后的研究视野。中国通信标准化协会（CCSA）的无线通信技术委员会第三工作组已经开始就超宽带技术进行了课题研究，并即将输出相应的研究报告，其它领域如RFID、Zigbee也有了对应的研究计划。不少高校、公司和研究机构都在积极参与[15]。从国际标准组织上看，我国不少高校和公司已经成为超宽带两大阵营组织的成员，在IEEE802.15会议上，中国UWB论坛、北京邮电大学等甚至联合意大利Create-Net公司向IEEE802.15.4a提交了备选物理层方案。这说明我国的研究力量已经开始向短距离无线通信领域转移了，可以相信在未来几年，国内对这方面的研究将会更加深入和富有成效，从而最大程度地保护自主知识产权，争取在未来的技术标准竞争中位于不败位置。蓝牙技术作为电子设备无线互联的廉价和可靠的技术实现方式，可以作为现有移动设备中的小型、廉价、短距离的无线数据收发机。蓝牙技术的发展和完善经历了较长的时间过程，从创立之处起逐步完善和发展了技术标准，优化和扩大了应用领域，进一步提高了无线通信的可靠性和安全性。现在，蓝牙芯片价格已经低于5美元的预期目标，正逐步被大规模市场化运作，特别是蓝牙耳机、蓝牙适配器等产品市场化运作较为成功，蓝牙技术的新一个发展机遇已经来临。基于蓝牙芯片开发相应的模块是该技术应用的最佳途径，有利于提高效率、降低成本、增加结构设计的灵活性，特别是模块已经集成了射频电路从根本上解决了模块应用的技术难题，更有利于形成优势互补的产业链，推动了蓝牙技术的快速发展。中北大学2011届毕业论文第4页共49页2短距离无线通信技术标准本章主要介绍几种常见和最新的短距离无线通信技术标准，对目前使用较广泛的蓝牙、IEEE802.11、红外、HomeRF、Zigbee和UWB等传输技术进行了阐述，并分析了它们的优缺点及技术比较。2.1蓝牙技术蓝牙，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“蓝芽”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。2.1.1蓝牙技术的典型应用蓝牙技术适用于以下三个方面的短距离无线连接：（1）数据和语音接入点；（2）替代电线和电缆；（3）包含硬件、软件和互操作需求的一种无固定中心站的网络。蓝牙技术的几种典型应用如下:（1）三合一电话。“蓝芽”技术使一部移动电话手机能在多种场合内使用：在办公室里，这部手机是内部电话，不计电话费；在家里，是无绳电话，计固定电话费；出门在外，是一部移动电话，按移动电话的话费订费。（2）因特网桥。“蓝芽”技术可以使便携式电脑在任何地方都能通过移动电话手机进入因特网，随时随地到因特网上去“冲浪”。（3）交互性会议。在会议中，“蓝芽”技术可以迅速使自己的信息通过电脑、手机、PDA等供其他与会者共享。（4）房门公文包。笔记本电脑还在皮包里时收到了外来的电子邮件，用户的移动电话就会发出声音，提醒用户“电脑收到了电子邮件”。这时用户不用打开电脑，在手机上就可以浏览收到的电子邮件。（5）数字相机中图像的无线传输。“蓝芽”技术将数字相机中的图像发送给中北大学2011届毕业论文第5页共49页其它的数字相机或者PC机、PDA等。（6）各种家用设备的遥控和组成家电网络。2.1.2蓝牙技术的特点蓝牙技术标准经历了不断完善和发展的过程，蓝牙国际组织—特殊利益集团(SIG)制订了不同版本的蓝牙标准，区分蓝牙产品首先应该关注该产品符合的技术版本。蓝牙技术标准制订时间顺序如下[1]：(1)2004年11月4日，2.0+EDR版标准；(2)2003年11月5日，1.2版标准；(3)2001年2月22日，1.1版标准；(4)1999年12月l日，l.0b版标准；(5)1999年7月26日，1.0a版标准，第一个对外公布的标准；(6)1999年7月5日，1.0版标准草案；(7)1999年4月30日，09版标准；(8)1999年l月21日，08版标准；(9)1998年10月19日，07版标准。本论文以蓝牙标准1.2版为准。蓝牙技术采用1600hpo/s的跳频扩频通信技术，能在特殊模式下支持3200hpo/s跳频速率；引入电路交换和分组交换方式，实现同时承载数据和语音业务；支持多种功耗模式，适合应用于电池供电的数字设备。1.2版蓝牙技术主要参数如表2.1。表2.11.2版蓝牙基本技术参数工作频段2402MHz~2480MHz双工方式TDD（时分双工）调制技术GFSK（高斯频移键控）业务类型电路交换分组交换调频速率1600hpo/s工作模式PARK（休眠）/HOLD（保持）/SNIFF（呼吸）连接方式面向连接方式的SCO和面向无连接的ACL纠错方式1/3FEC、2/3FEC、ARQ中北大学2011届毕业论文第6页共49页表2.2802.11特性说明特性说明物理层频段速率安全吞吐量范围优点缺点直序扩频(DSSS)调频扩频(FHSS)红外(IR)2.4GHz(ISM频段，802.11b和802.11g)，5Ghz(802.11a)11Mbps，2Mbps，5.5Mbps(802.11b)55M(802.11a和802.11g)基于RC4的流加密算法，有限的密钥管理11M(802.11b)54M(802.11a，802.11g)室内100米，室外300米左右无需布线，使用灵活方便，产品已经很多且成熟，价格已经下降安全方便，吞吐量会随着用户的增多和距离的加大而下降信道加密0位、40位、60位加密字符语音编码CVSD通信距离10m或者100m2.1.3小结综上所述蓝牙技术是一种全球统一标准、互操作强、体积小、工作频段不受限制、无需电缆连接的无线网络新产品，特别适于短距离移动传输。各类家电信息产品只需多花几美元就能连接成网，嵌入的蓝牙模块成本不高，甚至希望能低于电缆和连接头。人们希望这种理想尽快实现，产品尽快问世。但是蓝牙技术作为一种综合性很强的高科技通信产品，与任何一种高科技新技术一样，它的研发与生产同样存在风险，技术越高，投资必越大，风险也越高。我们应该即要看到蓝牙的特点、优点，也要看到蓝牙的问题和不成熟度。2.2IEEE802.11IEEE802.11是美国电气电子工程师协会IEEE（InstituteforElectri