短距离无线通信技术

短距离无线通信技术第1章概述林虹1.短距离无线通信基本概念2.各种短距离无线通信技术的发展、应用及特点3.短距离无线通信技术的研究开发1.短距离无线通信基本概念•有线通信数据传输的介质：双绞线，同轴电缆，光纤，或是别的有线介质。•无线通信数据传输的介质：红外线，无线电微波，或是其它无线介质。信号在空气中传播，可以被任何人接收。无线数据网的种类•无线广域网（WWAN）•无线城域网（WMAN）•无线局域网（WLAN）•无线个人网（WPAN）•无线体域网（WBAN）IEEE:美国电气电子工程师学会WirelessLANWiredLAN1rdGen2rdGen3rdGen4rdGen10Mbps2Mbps11Mbps54Mbps250Mbps×10×5.5×5.5×5.5GAPBottleNeckintheLastMileOfAccess100Mbps1Gbps10Gbps×10×10Gapoftransmissionabilitybetweenfixedandwireless10k110k384k???什么是短距离无线通信？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（200 m）之内。无线发射器的发射功率较低，发射功率一般小于100 mW。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。各种短距离无线通信技术Bluetooth（蓝牙）技术WLAN（无线局域网）技术IEEE802.11系列HiperLAN系列IrDA(红外数据协会)技术UWB（超宽带）技术Zigbee（紫蜂）技术Adhoc（自组织网络）技术RFID（射频识别）技术HomeRF技术NFC(短距通信)技术无线13942.各种短距离无线通信技术的发展、应用及特点蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的短距离无线接口。蓝牙技术的发展•蓝牙技术诞生于1994年，Ericsson当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通信。•1998年5月，爱立信联合诺基亚(Nokia)、英特尔(Intel)、IBM和东芝(Toshiba)成立了“蓝牙特殊利益集团“（SIG）。并提出了近距离无线数据通信技术标准。•1999年7月蓝牙SIG正式公布蓝牙1.0版本规范，将蓝牙的发展推进到实用化阶段。2.1Bluetooth(蓝牙）技术•2001年3月，蓝牙1.1版本正式发布。蓝牙规范1.0版本主要针对点对点的无线连接，比如手机与计算机、计算机与外设、手机与耳机等的无线应用。蓝牙1.1版本将点对点扩展为点对多点，并修整了前一版本的错误与模糊概念。•2003年11月，蓝牙SIG公布了蓝牙1.2版本规范。实现设备识别高速化的基础上，减少了与无线局域网(WLAN)的无线电波干扰。•2004年11月，蓝牙2.0标准(2.0+EDR)正式推出。使蓝牙的应用扩展到多媒体设备中，新标准具有更高的数据传输速率和带宽（2-10Mbps），且在大量数据传输时功耗降低为原标准的一半。各版本的蓝牙技术标准可从蓝牙国际组织的官方网站()免费下载。蓝牙的技术特点•蓝牙工作在全球开放的2.4 GHzISM频段。频率范围为2.4～2.4835 GHz。•使用跳频频谱扩展和时分多址技术，把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信道。79个信道，1600跳/s。•一台蓝牙设备可同时与其他7台蓝牙设备建立连接。•数据传输速率可达1Mb/s。FECARQ•低功耗、通信安全性好。四种工作模式：激活(Active)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式。在链路层中，蓝牙系统使用认证、加密和密钥管理等功能进行安全控制。在应用层中，用户可以使用个人标识码（PIN）来进行单双向认证。•在有效范围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通信视角和方向要求。•组网简单方便。采用“即插即用”的概念，嵌入蓝牙技术的设备一旦搜索到另一蓝牙设备，马上就可以建立连接，传输数据。•蓝牙技术具有电路交换和分组交换两种数据传输类型，能够同时支持语音业务和数据业务的传输。蓝牙规范蓝牙规范目前已发展到4.0版本，各版本的规范都是分为核心系统(Core)和应用模型(Profile)两部分。其中核心部分包括射频(RF)、链路控制(LC)、链路管理(LMP)、逻辑链路控制与适应(L2CAP)四个最底层协议以及通用的业务搜寻协议(SDP)和通用接入模型(GAP)。而应用模型则是根据具体产品的不同需要而提出的各种协议组合，如串口(SerialPortProfile)、传真(FAX)、拨号网络(Dial-upNetworking)等。WLAN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。技术标准包括IEEE802.11系列和欧洲的HiperLAN系列。•IEEE802.11系列IEEE的802.11标准由很多子集构成，它详细定义了WLAN中从物理层到MAC层（媒体访问控制）的通信协议。•HiperLAN系列欧洲电信标准化协会(ETSI)推出HiperLAN1和HiperLAN2的接入泛欧标准。在2000年，HIPERLAN2标准制定完成，标准采用预留TDMA多址方式，动态TDD双工方式，OFDM调制，最高数据速率能达到54Mbit/s，标准详细定义了WLAN的检测功能和转换信令，用以支持许多无线网络，支持动态频率选择、无线信元转换、链路自适应、多束天线和功率控制等，并且强调与3G整合。2.2WLAN（无线局域网）技术•IEEE 802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，其物理层标准主要有IEEE 802.11b（WiFi）、IEEE 802.11a和IEEE 802.11g。•Wi-Fi最具潜力的应用主要是在SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。凭借这些优点，Wi-Fi已成为目前最为流行的笔记本电脑无线上网技术。•IEEE在2009年9月11日批准了802.11n高速无线局域网标准。IEEE802.11n使用2.4GHz频段和5GHz频段，传输速度300Mbps，最高可达600Mbps，可向下兼容802.11b、802.11g。WLAN802.11系列标准标准IEEE802.11IEEE802.11bIEEE802.11aIEEE802.11g使用频帶2.4GHz2.4GHz5GHz2.4GHz传输速率2Mbps11Mbps54Mbps54Mbps扩频技术DSSS/FHSSDSSSFHSSFHSS调制技术BPSK/QPSKBPSK/QPSKOFDMOFDM传输距离100M100M50M100M标准制定時间1997199920012003在MAC(媒体接入控制)层，802.11、802.11b、802.11a、802.11g这四种标准均采用的是CSMA/CA（载波侦听多点接入/冲突避免）2.3IrDA(红外数据协会)技术红外线数据协会(InfraredDataAssociation，IrDA)成立于1993年，是致力于建立红外线无线连接的非营利组织。起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1 m范围内以115.2 kb/s的速率传输数据，很快发展到4 Mb/s的速率（4PPM），后来，速率又达到16 Mb/s。IrDA技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备(如PDA、手机)上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA技术。IrDA的主要优点是无须申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。它还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点；由于数据传输率较高，因而适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输安全性高。IrDA的不足在于它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连接。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。2.4UWB（超宽带）技术超宽带(Ultra-Wideband)的定义:•UWB信号的带宽应大于等于500MHz，或其相对带宽大于0.2。•UWB无线通信的实际使用频谱范围为3.1-10.6GHz，其有效各向同性辐射功率(EIRP)不超过-41.3dBm/MHz。超宽带的特点:•共享宽带频谱资源.•系统容量大，传输速率高.•低功耗、低截获概率，低成本.•良好的多径分辨率，定位精度高UWB的两个突破在频谱划分方面，开创“共存”局面在传输速度方面，真正走向了高速超宽带的应用:•高速无线通信•雷达探测成像•定位跟踪超宽带的技术发展动态:•脉冲（IR）UWB--，…•载波UWBDS-CDMA--，…MB-OFDM--，…高速UWB最终标准IEEE802.15.3a至今仍未确定，但形成了WiMedia联盟。低速UWB的标准IEEE802.15.4a最终采用了IRUWB技术，用于短距离无线工业自动控制网。IEEE802.15.4a的另外一个可选技术为工作在2.4GHz的CSS技术。IEEE802.15WorkingGroupforWPAN（紫蜂）技术ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee联盟成立于2001年9月,拥有150个成员，包括飞思卡尔、菲利普、三菱、三星、IBM及华为等。宗旨是在一个开放式全球标准的基础上使稳定的、低成本的、低功耗的、无线联网的监控和控制产品成为可能……Zigbee自身的技术优势：•低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。•低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。•低速率。Zigbee工作在20～250kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。近距离。传输范围一般介于10～100m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。短时延。Zigbee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、WiFi需要3s。高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。高安全。Zigbee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段-2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)真正的ZigBee，由ZigBe