第3章近距离无线通信技术

学习任务3.1无线通信系统概述3.2射频通信3.3微波通信3.4近距离无线通信技术概览3.5近场通信（NFC）3.1无线通信系统概述一、无线通信概念无线通信（WirelessCommunication）是利用电磁波信号可以在空间传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信包括固定体之间的无线通信和移动通信两大部分。移动通信与固定物体之间的通信比较:移动性电磁波传播条件复杂噪声和干扰严重系统和网络结构复杂要求频带利用率高、设备性能好二、现代无线通信分类分类依据应用范围用途陆地公众蜂窝移动通信系统、宽带无线接入系统、无线局域网、无线个域网、无绳电话、集群通信、卫星移动通信等。使用频段中长波通信（小于1MHz）、短波通信（1~30MHz）、超短波通信（30MHz~1GHz）、微波通信（1GHz到几十吉赫兹）、毫米波通信（几十吉赫兹）、红外光通信、红外光通信、大气激光通信等。三、无线与移动通信的发展历程时期工作特点代表事件20世纪20年代至40年代多为专用系统，工作频率较低。美国底特律市警察使用的车载无线电系统20世纪40年代中期至60年代初期从专用移动网向公用移动网过渡，采用人工接续方式，全网的通信容量较小。贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网问世20世纪60年代中期到70年代中期采用大区制、中小容量，使用450MHz频段，实现了自动选频与自动连续。美国推出的改进型移动电话系统（IMTS）20世纪70年代中期至80年代中期小区制、大容量蜂窝状移动通信网美国贝尔实验室研制的先进移动电话系统(AMPS)从20世纪末到21世纪初频谱利用率高，高速传输支持多媒体业务，支持全球无缝漫游等。第三代移动通信系统（3G）的开发和推出四、宽带无线接入技术国际电子电气工程师协会(IEEE)成立了无线局域网标准委员会，并于1997年制定出第一个无线局域网标准——802.11。1999年，IEEE成立了802.16工作组开始研究建立一个全球统一的宽带无线接入城域网技术规范。已经制定或正在制定的IEEE802.11、IEEE802.15、IEEE802.20、IEEE802.22等宽带无线接入标准集，覆盖了无线局域网(WLAN)、无线个域网(WMAN)、无线城域网(WPAN)的领域。3.2射频通信一、什么是射频？射频(RadioFrequency，RF)表示可以辐射到空间的电磁波频率，通常所指的频率范围为300KHz～30GHz。射频的本质是射频电流，是一种高频交流电的简称。二、频谱的划分①IEEE划分的频谱②微波和射频③工业、科学和医用频率①IEEE划分的频谱频段频率波长ELF（极低频）30Hz～300Hz10000km～1000kmVF（音频）300Hz～3000Hz1000km～100kmVLF（甚低频）3kHz～30kHz100km～10kmLF（低频）30kHz～300kHz10km～1kmMF（中频）300kHz～3000kHz1km～0.1kmHF（高频）3MHz～30MHz100m～10mVHF（甚高频）30MHz～300MHz10m～1mUHF（超高频）300MHz～3000MHz100cm～10cmSHF（特高频）3GHz～30GHz10cm～1cmEHF（极高频）30GHz～300GHz1cm～0.1cm①IEEE划分的频谱频段频率波长亚毫米波300GHz～3000GHz1mm～0.1mmP波段0.23GHz～1GHz130cm～30cmL波段1GHz～2GHz30cm～15cmS波段2GHz～4GHz15cm～7.5cmC波段4GHz～8GHz7.5cm～3.75cmX波段8GHz～12.5GHz3.75cm～2.4cmKu波段12.5GHz～18GHz2.4cm～1.67cmK波段18GHz～26.5GHz1.67cm～1.13cmKa波段26.5GHz～40GHz1.13cm～0.75cm②微波和射频微波也是经常使用的波段，微波是指频率300MHz～3000GHz的电磁波，对应的波长为1m～0.1mm，分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波4个波段。目前射频频率与微波频率之间没有定义出明确的频率分界点，微波的低频端与射频频率相重合。③工业、科学和医用频率频率范围应用范围6.765～6.795MHz不同类别的无线电服务，如无线电广播服务、无线电气象服务和无线电航空服务等。13.553～13.567MHz除了电感耦合RFID系统外，还有其他的ISM应用，如遥控系统、远距离控制模型系统、演示无线电系统和传呼机等。26.957～27.283MHz除了电感耦合RFID系统外，这个频率范围的ISM应用还有医疗用电热治疗仪、工业用高频焊接装置和传呼机等。40.660～40.700MHz遥测和遥控。430.050～434.790MHz该频段可用于反向散射RFID系统，除此之外，还可用于小型电话机、遥测发射器、无线耳机、近距离小功率无线对讲机、汽车无线中央闭锁装置等。③工业、科学和医用频率频率范围应用范围868～870MHz该频段在欧洲允许短距离设备使用，因而也可以作为RFID频率使用。888～889MHz、902～928MHz在美国和澳大利亚该频率范围被反向散射RFID系统使用。这个频率范围在欧洲还没有提供ISM应用。2.400～2.4835GHz这个频率范围适合反向散射RFID系统，除此之外，该频段的典型ISM应用还有蓝牙和802.11协议的无线网络等。5.725～5.875GHz反向散射RFID系统，可以用于高速公路RFID系统，还可用于大门启闭（在商店或百货公司）系统。24.00～24.25GHz主要用于移动信号传感器，也用于传输数据的无线电定向系统。135kHz以下被各种无线电服务大量使用。三、RFID使用的频段RFID系统在读写器和电子标签之间通过射频无线信号自动识别目标对象，并获取相关数据。读写器和电子标签之间射频信号的传输主要有两种方式，一种是电感耦合方式，一种是电磁反向散射方式，这两种方式采用的频率不同，工作原理也不同。电感耦合方式在电感耦合方式的RFID系统中，电子标签一般为无源标签，其工作能量是通过电感耦合方式从读写器天线的近场中获得的电子标签与读写器之间传送数据时，电子标签需要位于读写器附近，通信和能量传输由读写器和电子标签谐振电路的电感耦合来实现。在这种方式中，读写器和电子标签的天线是线圈，读写器的线圈在它周围产生磁场，当电子标签通过时，电子标签线圈上会产生感应电压，整流后可为电子标签上的微型芯片供电，使电子标签开始工作。RFID电感耦合方式中，读写器线圈和电子标签线圈的电感耦合如图3.1所示。电感耦合方式图3.1读写器线圈和电子标签线圈的电感耦合电感耦合方式现在电感耦合方式的RFID系统，一般采用低频和高频频率，典型的频率为125kHz、135kHz、6.78MHz、13.56MHz和27.125MHz。电感耦合方式低频频段的RFID系统最常用的工作频率为125kHz。该频段RFID系统的工作特性如下：工作频率不受无线电频率管制约束；阅读距离一般情况下小于1m；有较高的电感耦合功率可供电子标签使用；无线信号可以穿透水、有机组织和木材等；电感耦合方式低频频段的RFID系统非常适合近距离、低速度、数据量要求较少的识别应用。典型应用为动物识别、容器识别、工具识别、电子闭锁防盗等。电感耦合方式高频频段的RFID系统最典型的工作频率为13.56MHz。该频段RFID系统的工作特性如下：数据传输快，典型值为106kbit/s；高时钟频率，可实现密码功能或使用微处理器；电感耦合方式高频频段的电子标签是实际应用中使用量最大的电子标签之一。该频段的典型应用包括电子车票、电子身份证、电子遥控门锁控制器等；相关的国际标准有ISO14443、ISO15693和ISO18000-3等；电子标签一般制成标准卡片形状。电磁反向散射方式电磁反向散射的RFID系统，采用雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标的信息。微波电子标签分为有源标签与无源标签两类。电磁反向散射方式该方式RFID系统的阅读距离一般大于1m，典型情况为4～7m，最大可达10m以上。读写器天线一般为定向天线，只有在读写器天线定向波束范围内的电子标签可以被读写。该方式读写器天线和电子标签天线的电磁辐射如图3.2所示。图3.2读写器天线和电子标签之间的电磁辐射电磁反向散射方式该方式一般适合于微波频段，典型的工作频率有433MHz、800/900MHz、2.45GHz和5.8GHz，属于远距离RFID系统。3.3微波通信一、微波通信定义微波通信是使用波长在0.1毫米~1米(300MHz~3000GHz)之间的电磁波——微波进行的通信。二、微波的通信方式视距通信：由于微波的频率极高，波长又很短，其在空中的传播特性与光波相近，也就是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断。微波中继通信（或微波接力通信）：由于地球曲面的影响以及空间传输的损耗，每隔50公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。三、微波站的设备包括天线、收发信机、调制器、多路复用设备以及电源设备、自动控制设备等。四、微波通信的特性及其应用微波通信由于其频带宽、容量大、可以用于各种电信业务的传送，如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。微波通信具有良好的抗灾性能，对水灾、风灾以及地震等自然灾害，微波通信一般都不受影响。但微波经空中传送，易受干扰，在同一微波电路上不能使用相同频率于同一方向，因此微波电路必须在无线电管理部门的严格管理之下进行建设。此外由于微波直线传播的特性，在电波波束方向上，不能有高楼阻挡，因此城市规划部门要考虑城市空间微波通道的规划，使之不受高楼的阻隔而影响通信。3.4近距离无线通信技术概览一、近距离无线通信技术的概念近距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为近（短）距离无线通信。近距离无线通信技术的三个重要特征和优势是低成本、低功耗和对等通信。二、近距离无线通信分类高速近距离无线通信最高数据速率＞100Mbit/s，通信距离＜10m，典型技术有高速超宽带（UWB）；低速近距离无线通信的最低数据速率＜1Mbit/s，通信距离＜100m，典型技术有Zigbee、Bluetooth等。三、近距离无线通信技术目前，比较受关注的近距离无线通信技术包括蓝牙、802.11（Wi-Fi）、ZigBee、红外（IrDA）、超宽带（UWB）、近距场无线通信（NearFieldCommunication，NFC）等。①蓝牙蓝牙（Bluetooth）是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的短距离无线连接为基础，可为固定的或移动的终端设备提供廉价的接入服务。其传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM频段，提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。蓝牙技术的特点全球范围适用可同时传输语音和数据可建立临时性的对等连接（Ad-hocConnection)良好的抗干扰能力蓝牙模块体积很小、便于集成低功耗开放的接口标准成本低蓝牙技术的应用领域替代线缆（CableReplacement）因特网桥（InternetBridge）临时组网（AdHocNetwork）替代线缆点对点（PointtoPoint）的替代线缆。多个设备或外设在一个简单的“个人局域网”（PAN）内建立通信连接。因特网桥蓝牙无线网络的软件和硬件设施组成：蓝牙接入点（BluetoothAccessPoint,BAP）本地网络服务器（LocalNetworkServer）网络管理软件（NetworkManagementSoftware）因特网桥图3.3蓝牙无线网络结构因特网桥的应用现状在分布了多个蓝牙接入点的商店，顾客可以利用带有WAP、蓝牙和Web浏览功