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短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及其融合發(fā)展研究
作者:張方奎 張春業(yè)
來(lái)源:RFID世界網(wǎng)
日期:2008-01-24 17:05:49
摘要:本文對(duì)短距離無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的WLAN技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、紫蜂技術(shù)、UWB技術(shù)以及RFID技術(shù)進(jìn)行闡述,分析了它們的技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域,最后闡述了它們的融合發(fā)展趨勢(shì)。
0 引 言
隨著因特網(wǎng)、多媒體和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展。人們與信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)密不可分。當(dāng)今無(wú)線(xiàn)通信在人們的生活中扮演著越來(lái)越重要的角色,低功耗、微型化是用戶(hù)對(duì)當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品尤其是便攜產(chǎn)品的強(qiáng)烈追求,作為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)一個(gè)重要分支的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)正逐漸引起越來(lái)越廣泛的觀注。
1 短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)簡(jiǎn)介
近年來(lái),由于數(shù)據(jù)通信需求的推動(dòng),加上半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)等相關(guān)電子技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展,短距離無(wú)線(xiàn)與移動(dòng)通信技術(shù)也經(jīng)歷了一個(gè)快速發(fā)展的階段,WLAN技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、UWB技術(shù),以及紫蜂(ZigBee)技術(shù)、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)等取得了令人矚目的成就。短距離無(wú)線(xiàn)通信通常指的是lOOm以?xún)?nèi)的通信,分為高速短距離無(wú)線(xiàn)通信和低速短距離無(wú)線(xiàn)通信兩類(lèi)。高速短距離無(wú)線(xiàn)通信最高數(shù)據(jù)速率>loMbits,通信距離<lOm,典型技術(shù)有高速UWB、WirelessUSB;低速短距離無(wú)線(xiàn)通信的最低數(shù)據(jù)速率<lMbits,通信距離<lom。典型技術(shù)有藍(lán)牙、紫蜂和低速UWBt”。
2 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)與IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)族
wLAN顧名思義是一種借助無(wú)線(xiàn)技術(shù)取代以往有線(xiàn)信道方式構(gòu)成計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的手段,以解決有線(xiàn)方式不易實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)的可移動(dòng)性,使其應(yīng)用更加不受空間限制。
IEEE802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) (WLAN)是IEEE最初制定的,是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,包括IEEE802.1 la、IEEE802.11b 和IEEE 802.11g。IEEE802.11a主要用來(lái)解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶(hù)與用戶(hù)終端的無(wú)線(xiàn)接入,工作在5 GHzU—NIIfUnlicensed—National Information Infras—tructure)頻帶,物理層速率54Mbps,傳輸層速率25Mbps。它采用正交頻分復(fù)用(OFDM)擴(kuò)頻技術(shù),可提供25Mbps的無(wú)線(xiàn)ATM 接口、10Mbps的以太網(wǎng)無(wú)線(xiàn)幀結(jié)構(gòu)接口以及TDD/TDMA的空中接口.支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。一個(gè)扇區(qū)可接人多個(gè)用戶(hù),每個(gè)用戶(hù)可帶多個(gè)用戶(hù)終端。其缺點(diǎn)是芯片沒(méi)有進(jìn)入市場(chǎng),設(shè)備昂貴,空中接力不好,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接很不經(jīng)濟(jì),不適合小型設(shè)備。
Wi—Fi(Wireless Fidelityi~線(xiàn)保真1是屬于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)的一種,通常是指IEEE802.11b產(chǎn)品,是利用無(wú)線(xiàn)接人手段的新型局域網(wǎng)解決方案。Wi—Fi的主要特點(diǎn)是傳輸速率高、可靠性高、建網(wǎng)快速、便捷、可移動(dòng)性好、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)彈性化、組網(wǎng)靈活、組網(wǎng)價(jià)格較低等,因此具有良好的發(fā)展前景。IEEE 802.11b工作頻段為2.4GHz的ISM 自由頻段,采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)理論上可以達(dá)到1 1Mpit/s速率。典型通信距離為2Mbit/s時(shí)30~45m,2Mbit/s時(shí)為40~75m,2Mbit/s時(shí)為75~100m。
IEEE802.11g使用了與IEEE802.1lb相同的2.4GHz的ISM免特許頻段。它采用了兩種調(diào)制方式:即IEEE802.11a所采用的OFDM和IEEE802.11b所采用的CCK。通過(guò)采用這兩種分別與IEEE802.11a和IEEE802.11b相同的調(diào)制方式,使IEEE802.1lg不但達(dá)到了IEEE802.11a的54 Mb/s的傳輸速率,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)在廣泛存在的采用IEEE802。llb標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的兼容。IEEE802.11g已經(jīng)被大多數(shù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為下一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。
3 藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)
“藍(lán)牙(Bluetooth)”是一個(gè)開(kāi)放性的、短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),也是目前國(guó)際上最新的一種公開(kāi)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)規(guī)范。它可以在較小的范圍內(nèi),通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接的方式安全、低成本、低功耗的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),使得近距離內(nèi)各種通信設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫資源共享,也可以實(shí)現(xiàn)在各種數(shù)字設(shè)備之間的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。由于藍(lán)牙技術(shù)可以方便地嵌入到單一的CMOS芯片中.因此,特別適用于小型的移動(dòng)通信設(shè)備,使設(shè)備去掉了連接電纜的不便,通過(guò)無(wú)線(xiàn)建立通信。
藍(lán)牙技術(shù)以低成本的近距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎(chǔ).采用高速跳頻(Frequency Hopping)和時(shí)分多址(Time Di.vision Multi—access-TDMA)等先進(jìn)技術(shù),為固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。藍(lán)牙技術(shù)使得一些便于攜帶的移動(dòng)通信設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備不必借助電纜就能聯(lián)網(wǎng),并且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線(xiàn)連接因特網(wǎng).其實(shí)際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車(chē)等信息家電,組成一個(gè)巨大的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。打印機(jī)、PDA、桌上型計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)、鍵盤(pán)、游戲操縱桿以及所有其它的數(shù)字設(shè)備都可以成為藍(lán)牙系統(tǒng)的一部分。
目前藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.工作在2.4GHz頻帶,通道帶寬為1Mb/s,異步非對(duì)稱(chēng)連接最高數(shù)據(jù)速率為723.2kb/s。藍(lán)牙速率亦擬進(jìn)一步增強(qiáng),新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)2.0版支持高達(dá)lOMb/s以上速率f4、8及12~20Mb/s).這是適應(yīng)未來(lái)愈來(lái)愈多寬帶多媒體業(yè)務(wù)需求的必然演進(jìn)趨勢(shì)。
作為一個(gè)新興技術(shù),藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用還存在許多問(wèn)題和不足之處,如成本過(guò)高、有效距離短及速度和安全性能也不令人滿(mǎn)意等。但毫無(wú)疑問(wèn),藍(lán)牙技術(shù)已成為近年應(yīng)用最快的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),它必將在不久的將來(lái)滲透到我們生活的各個(gè)方面。
4 紫蜂(ZigBee)技術(shù)
新一代的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將采用802.15.4(Zig.Bee)協(xié)議。ZigBee是一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù),主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入在各種設(shè)備中,同時(shí)支持地理定位功能。
Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)主要有:
(1)低速率:ZigBee工作在20~250kbps的較低速率,分別提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz1和20kbps(868MHz)I~原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿(mǎn)足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
(2)低時(shí)延:ZigBee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms.節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要-10s,Wi—Fi則需要3s。
(3)低功耗、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單:設(shè)備可以在電池的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年。低功耗意味著較高的可靠性和可維護(hù)性,更適合體積小的大量日常應(yīng)用。
(4)低成本:對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō),低成本意味著較低的設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。ZigBee設(shè)備可以在標(biāo)準(zhǔn)電池供電的條件下(低成本)-r作,而不需要任何重?fù)Q電池或充電操作(低成本、易安裝)。
(5)網(wǎng)絡(luò)容量高:ZigBee通過(guò)使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層,支持幾乎任意數(shù)目的設(shè)備,這對(duì)于大規(guī)模傳感器陣列和控制尤其重要。
ZigBee技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛,其中包括智能建筑、軍事領(lǐng)域、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、智能家居及各種監(jiān)察系統(tǒng)等。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的空缺,其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用,而不是技術(shù)本身。
5 超寬帶(UWB)技術(shù)
超寬帶(Ultra—widebandiUWB)技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末,此前主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)等通信設(shè)備中使用。隨著無(wú)線(xiàn)通信的飛速發(fā)展,人們對(duì)高速無(wú)線(xiàn)通信提出了更高的要求.超寬帶技術(shù)又被重新提出,并倍受關(guān)注。UWB是指信號(hào)帶寬大于50oMHz或者是信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%的無(wú)線(xiàn)通信方案。與常見(jiàn)的使用連續(xù)載波通信方式不同,UWB采用極短的脈沖信號(hào)來(lái)傳送信息,通常每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間。因此脈沖所占用的帶寬甚至高達(dá)幾GHz,因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百分之一。在高速通信的同時(shí),UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小,僅僅是現(xiàn)有設(shè)備的幾百分之一,對(duì)于普通的非UWB接收機(jī)來(lái)說(shuō)近似于噪聲.因此從理論上講,UWB可以與現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)電設(shè)備共享帶寬。UWB是一種高速而又低功耗的數(shù)據(jù)通信方式.它有望在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。UWB的特點(diǎn)如下:
(1)抗干擾性能強(qiáng):UWB采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào),系統(tǒng)具有較大的處理增益,在發(fā)射時(shí)將微弱的無(wú)線(xiàn)電脈沖信號(hào)分散在寬闊的頻帶中,輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。
(2)傳輸速率高:UWB的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十Mbit/s到幾百M(fèi)bit/s,有望高于藍(lán)牙100倍。
(3)帶寬極寬:UWB使用的帶寬在1GHz以上,高達(dá)幾個(gè)GHz。超寬帶系統(tǒng)容量大,并且可以和目前的窄帶通信系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。
(4)消耗電能少:通常情況下,無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在通信時(shí)需要連續(xù)發(fā)射載波,因此要消耗一定電能。而UWB不使用載波,只是發(fā)出瞬間脈沖電波,也就是直接按0和1發(fā)送出去。并且在需要時(shí)才發(fā)送脈沖電波,所以消耗電能少。
(5)保密性好:UWB保密性表現(xiàn)在兩方面:一方面是采用跳時(shí)擴(kuò)頻,接收機(jī)只有已知發(fā)送端擴(kuò)頻碼時(shí)才能解出發(fā)射數(shù)據(jù);另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低,用傳統(tǒng)的接收機(jī)無(wú)法接收。
(6) 發(fā)送功率非常?。篣WB系統(tǒng)發(fā)射功率非常小,通信設(shè)備可以用小于lmW的發(fā)射功率就能實(shí)現(xiàn)通信。低發(fā)射功率大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)電源工作時(shí)問(wèn)。
(7)成本低,適合于便攜型使用:由于UWB技術(shù)使用基帶傳輸,無(wú)需進(jìn)行射頻調(diào)制和解調(diào),所以不需要混頻器、過(guò)濾器、RF廠rF轉(zhuǎn)換器及本地振蕩器等復(fù)雜元件,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,成本大大降低,同時(shí)更容易集成到CMOS電路中。
由于UWB具有廣闊應(yīng)用前景,在標(biāo)準(zhǔn)制定上競(jìng)爭(zhēng)激烈。目前UWB標(biāo)準(zhǔn)提案有二:以摩托羅拉為代表的DS—CDMA方案和多頻帶OFDM聯(lián)盟fMBOA1的OFDM方案。兩種提案各有優(yōu)缺點(diǎn)。DS—CDMA方案建議采用雙頻帶(3.1 5.15GHz和5.825—13.6GHz),即在每超過(guò)1 GHz的頻帶內(nèi)用極短的時(shí)間脈沖發(fā)送數(shù)據(jù),其優(yōu)勢(shì)是硬件簡(jiǎn)單,頻譜利用率高。OFDM方案需建立一個(gè)子信道化UWB系統(tǒng),每個(gè)子信道采用正交頻分復(fù)用方式,優(yōu)勢(shì)是抗ISI(符號(hào)問(wèn)干擾1能力強(qiáng),但硬件相對(duì)復(fù)雜。雖然前段時(shí)間有消息說(shuō)兩大陣營(yíng)要和解,標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)改成兼容性的討論,但并沒(méi)有看到實(shí)際行動(dòng)。毫無(wú)疑問(wèn),兩陣營(yíng)之爭(zhēng)不僅沒(méi)有停止,反而會(huì)進(jìn)一步升級(jí),成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、贏得市場(chǎng)占有率是他們的努力目標(biāo)。
6 射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)
射頻識(shí)別技術(shù)fRadio Frequency Identification-RFID)是從20世紀(jì)80年代走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合f交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞,并通過(guò)傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。RFID技術(shù)無(wú)須精確定位,就可以大批量地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,實(shí)時(shí)傳遞,實(shí)時(shí)核對(duì)、更新,避免人為操作中的錯(cuò)掃、漏掃、重掃等差錯(cuò)。
和傳統(tǒng)的條形碼相比.RFID可以突破條形碼須人工掃描、一次讀一個(gè)的限制.實(shí)現(xiàn)非接觸性和大批量數(shù)據(jù)采集,具有不怕灰塵、油污的特性;也可以在惡劣環(huán)境下作業(yè),實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的讀取,同時(shí)讀取多個(gè)卷;還具有實(shí)時(shí)追蹤、重復(fù)讀寫(xiě)及高速讀取的優(yōu)勢(shì),此特性讓其具有極其廣泛的應(yīng)用范圍。RFID低頻系統(tǒng)主要用于短距離、低成本的應(yīng)用,如多數(shù)的門(mén)禁控制、校園卡、煤氣表、水表等:高頻系統(tǒng)則用于需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng);超高頻系統(tǒng)應(yīng)用于需要較長(zhǎng)的讀寫(xiě)距離和高讀寫(xiě)速度的場(chǎng)合.其天線(xiàn)波束方向較窄且價(jià)格較高,在火車(chē)監(jiān)控、高速公路收費(fèi)等系統(tǒng)中應(yīng)用。
RFID系統(tǒng)因應(yīng)用不同其組成會(huì)有所不同,但基本都由電子標(biāo)簽(Tag)、閱讀器(Reader)和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)(Processor)大部分組成。電子標(biāo)簽f或稱(chēng)射頻卡、應(yīng)答器等),由耦合元件及芯片組成,其中包含帶加密邏輯、串行EEPROM(電可擦除及可編程式只讀存儲(chǔ)器)、微處理器CPU以及射頻收發(fā)及相關(guān)電路。
電子標(biāo)簽具有智能讀寫(xiě)和加密通信的功能,它是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波與讀寫(xiě)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,工作的能量是由閱讀器發(fā)出的射頻脈沖提供。閱讀器,有時(shí)也被稱(chēng)為查詢(xún)器、讀寫(xiě)器或讀出裝置,主要由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、天線(xiàn)、控制模塊及接口電路等組成。閱讀器可將主機(jī)的讀寫(xiě)命令傳送到電子標(biāo)簽,再把從主機(jī)發(fā)往電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)加密,將電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)解密后送到主機(jī)。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)及管理、對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)控制等。其工作原理為:當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物品在讀寫(xiě)器的可讀范圍時(shí),讀寫(xiě)器發(fā)出的查詢(xún)信號(hào)將會(huì)激活標(biāo)簽,標(biāo)簽根據(jù)接收到的查詢(xún)信號(hào)要求反射信號(hào),讀寫(xiě)器接收到標(biāo)簽反射回的信號(hào)后,經(jīng)過(guò)內(nèi)部電路的解碼處理可無(wú)接觸地讀取并識(shí)別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù),從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的。然后進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體識(shí)別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。
通常情況下。RFID閱讀器發(fā)送的頻率稱(chēng)為RFID系統(tǒng)的工作頻率或載波頻率。RFID載波頻率基本上有3個(gè)范圍:低頻(30~300kHz)、高頻(3~30MHz)和超高頻f300MHz~3GHz)。常見(jiàn)的工作頻率有低頻125kHz與134.2kHz、高頻13.56MHz、超高頻433MHz、86o~930MHz、2.45GHz等。
近年來(lái)。隨著通信、微電子、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展.RnD的應(yīng)用范圍和深度都得到了迅速的發(fā)展,并被列為21世紀(jì)最有前途的重要產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用技術(shù)之一。RFID作為接人層技術(shù),結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)或公共電信網(wǎng),將能構(gòu)造一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球物品、人員信息實(shí)時(shí)共享的“物聯(lián)網(wǎng)”。其廣泛的應(yīng)用將深刻地影響我們的社會(huì)形態(tài),極大地提升整個(gè)社會(huì)的信息化水平,提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的質(zhì)量。
7 幾種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及融合發(fā)展趨勢(shì)
在短距離無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域,Wi—Fi目前正日益普及,路由和PC正向采用下一代802.1ln技術(shù)演變。802.1lg有更好的可靠性和更高冉句傳輸速率,這將使其成為下一代消費(fèi)電子產(chǎn)品的最佳選擇;UWB具備高傳輸速率,其定位為多媒體傳輸;藍(lán)牙擁有QoS,可作為語(yǔ)音與數(shù)據(jù)資料傳輸之用;ZigBee傳輸速率雖低,但適合應(yīng)用在感測(cè)與控制場(chǎng)合,搭配低價(jià)與耐用之特性,成為眾所矚目的新興技術(shù);RFID技術(shù)則在電子商務(wù)、電子政務(wù)、現(xiàn)代物流等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。各種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)如藍(lán)牙、WLAN、UWB、Zigbee和RFID等技術(shù)因其各自不同的技術(shù)特點(diǎn),有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域。它們之間互相融合和向更高速率邁進(jìn)的趨勢(shì)使得它們找到了更強(qiáng)勁的發(fā)展“支點(diǎn)”.
7.1 藍(lán)牙與WLAN、UWB加快共存
隨著藍(lán)牙與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)應(yīng)用的普及,其共存問(wèn)題成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)際芯片大廠透過(guò)自行開(kāi)發(fā)與持續(xù)購(gòu)并,目前幾乎均掌握了WLAN與藍(lán)牙的產(chǎn)品線(xiàn),開(kāi)始同時(shí)布局WLAN與藍(lán)牙芯片,未來(lái)也將進(jìn)一步尋求整合。
此外,藍(lán)牙與超寬帶UWB融合的苗頭也已在顯現(xiàn)。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟日前宣布,將在新一代藍(lán)牙技術(shù)中融合超寬帶(UWB)線(xiàn)技術(shù)。該聯(lián)盟預(yù)測(cè)。融合后的基于新一代藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品將于2007年末投放市場(chǎng)。
藍(lán)牙與UWB合作,試圖解決目前藍(lán)牙成本高、傳輸慢。應(yīng)用范圍窄等技術(shù)和市場(chǎng)瓶頸。UWB與藍(lán)牙的結(jié)合。將為支持UWB的硬件產(chǎn)品與目前藍(lán)牙重點(diǎn)支持的通信產(chǎn)品之間提供更為廣泛的對(duì)接途徑。藍(lán)牙的品牌加上UWB的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將使雙方共贏。這種融合,彌補(bǔ)了藍(lán)牙在技術(shù)上的缺陷,在高速傳輸和低耗電量上能夠迎接WLAN(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng))的挑戰(zhàn)。同樣,通過(guò)與藍(lán)牙聯(lián)手。UWB可以繞過(guò)技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展過(guò)程中“后來(lái)者”的身份,與目前全球近5億個(gè)藍(lán)牙產(chǎn)品直接對(duì)接,兩家合作是必然的結(jié)果。
藍(lán)牙專(zhuān)業(yè)工作小組SIG與超寬帶開(kāi)發(fā)者合作來(lái)整合這兩種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。去年兩者之間的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議就已出爐。今年則會(huì)有整合性的產(chǎn)品問(wèn)世。此舉對(duì)藍(lán)牙技術(shù)最大的意義是使其應(yīng)用超越個(gè)人設(shè)備,未來(lái)藍(lán)牙可以進(jìn)入到數(shù)字家庭領(lǐng)域。
7.2 WLAN與UWB競(jìng)合發(fā)展。802.1ln技術(shù)開(kāi)始得到應(yīng)用
WLAN的應(yīng)用已開(kāi)始從傳統(tǒng)的攜帶型計(jì)算機(jī)應(yīng)用向手機(jī)等領(lǐng)域擴(kuò)展,我們已經(jīng)明顯看到了802.1lb向802.11g過(guò)渡的步伐,對(duì)速度的追求也將推動(dòng)802.1ln標(biāo)準(zhǔn)盡快面市。
近年來(lái)。WLAN在工業(yè)和物流、自動(dòng)化等領(lǐng)域都獲得了比較廣泛的發(fā)展。WLAN技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日益成熟。WLAN發(fā)展的另一個(gè)典型是802.1ln的出現(xiàn),其速率已經(jīng)超過(guò)了100Mbps,因此大大推動(dòng)了家庭聯(lián)網(wǎng)中的視頻傳輸應(yīng)用。此外,WLAN的Mesh技術(shù)在這兩年也迅速發(fā)展起來(lái)。大大擴(kuò)展了WLAN的覆蓋范圍。
目前,國(guó)內(nèi)政府已對(duì)WLAN Mesh技術(shù)表示出極大興趣。希望通過(guò)Mesh實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的無(wú)線(xiàn)覆蓋。從局端到終端。WLAN的應(yīng)用范圍大有同時(shí)向上下兩個(gè)方向延伸的趨勢(shì),特別是在短距離寬帶領(lǐng)域,802.1ln更是與UWB技術(shù)在今后存在共同爭(zhēng)奪家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用市場(chǎng)的可能。
目前市場(chǎng)被802.1lb和802.1lg占領(lǐng),而今明兩年,802.1la/g也有一定的市場(chǎng),等到2009年,市場(chǎng)會(huì)被802.1lg和802.1ln占領(lǐng)。其中,802.1lg的成本很低,而802.11n是新一代速度更高的技術(shù),從目前看,它已能滿(mǎn)足PC、手機(jī)和便攜電子三個(gè)市場(chǎng)的不同需求。而隨著越來(lái)越多的設(shè)備和產(chǎn)品使用2.4GHz波段.該波段中的沖突也不斷增加,這使得轉(zhuǎn)向5GHz顯得非常必要,802.1ln無(wú)線(xiàn)解決方案無(wú)疑承接了市場(chǎng)這一需求。
此外,802.1ln技術(shù)的推出將使其與UWB的逐鹿升級(jí),UWB產(chǎn)品面市的步伐亦在加快。有分析認(rèn)為.最終UWB的速度將更快,其芯片組的價(jià)格將更加便宜,在與Wi—Fi競(jìng)爭(zhēng)時(shí)有可能在非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中尋求商機(jī)。UWB的理論速率目前可從100Mbps到1Gbps,當(dāng)前能夠支持的速率為480Mbps,而這與802。1In(100Mbps)的定位會(huì)有一定的重疊。盡管從技術(shù)發(fā)展軌跡看,UWB具有更小的功耗和超低的成本優(yōu)勢(shì),但是802.11n本身從Wi—Fi產(chǎn)業(yè)發(fā)展而來(lái),其成本也較低。而且,從目前的發(fā)展情況看,由于Wi—Fi產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相對(duì)比較成熟,因此802.11n的設(shè)備成本甚至?xí)萓WB更低一些。從本質(zhì)上說(shuō),802.11和802.15之間有著嚴(yán)格的劃分.802.11不適合PAN, 同樣802.15的目標(biāo),也絕對(duì)不是LAN fLocal Area Net.work一本地局域網(wǎng))。UWB最大的優(yōu)勢(shì),最終還是會(huì)體現(xiàn)在高速上。
7.3 ZigBee產(chǎn)品規(guī)?;a(chǎn),未來(lái)兩三年一些便攜設(shè)備將采用ZigBee
ZigBee低成本、低功耗和易部署的技術(shù)特點(diǎn)為它的應(yīng)用和推廣打下了良好基礎(chǔ)。目前,ZigBee技術(shù)已經(jīng)作為模塊解決方案用于大規(guī)模生產(chǎn),ZigBee聯(lián)盟預(yù)計(jì),第一批經(jīng)過(guò)ZigBee認(rèn)證的零售產(chǎn)品將在2007年末上市。
ZigBee側(cè)重應(yīng)用于對(duì)能源管理具有較高要求的領(lǐng)域,傳感器應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)控制是ZigBee主要應(yīng)用市場(chǎng)。到目前為止,ZigBee在數(shù)字家庭的應(yīng)用量還不是很大,其主要應(yīng)用還是在家電遙控、燈光控制、門(mén)禁領(lǐng)域。隨著zigBee模塊成本的下降,在一兩年內(nèi)會(huì)大范圍應(yīng)用。未來(lái)ZigBee應(yīng)用將向燈光控制、便攜設(shè)備領(lǐng)域拓展。在兩三年內(nèi)一些手持式設(shè)備將會(huì)采用ZigBee芯片,進(jìn)行家電控制、小額付款等領(lǐng)域。ZigBee芯片也將更多地與一些終端產(chǎn)品的芯片進(jìn)行集成。
7.4 UWB技術(shù)向高速率的方向邁進(jìn).開(kāi)發(fā)更多新應(yīng)用
UWB超寬帶技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在短距離范圍內(nèi)以超高速率傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)前,UWB技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)480Mbps速率產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和商業(yè)化,期望在今后5年達(dá)到6Gbps。而近期的目標(biāo),將會(huì)朝著速率1Gbps的方向發(fā)展。
UWB作為一種高速PAN無(wú)線(xiàn)技術(shù),同時(shí)將被開(kāi)發(fā)出更多新應(yīng)用。如應(yīng)用在冢庭多媒體中.用在支持UWB的電視、DVD、機(jī)頂盒、手持?jǐn)z像機(jī)和P(:中等;同時(shí),作為由英特爾等公司主導(dǎo)的無(wú)線(xiàn)USB1.0的技術(shù)基礎(chǔ),將主要應(yīng)用于個(gè)人電腦、打印機(jī)、投影儀及數(shù)碼相機(jī)等電子設(shè)備間的無(wú)線(xiàn)傳輸。在接下來(lái)的幾年內(nèi),隨著消費(fèi)產(chǎn)品的出現(xiàn)和消費(fèi)者開(kāi)始在各種多媒體、PC和信息娛樂(lè)應(yīng)用中使用這一技術(shù),我們將會(huì)看到UWB技術(shù)帶來(lái)的巨大影響。
8 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,各短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)不同的技術(shù)優(yōu)勢(shì)決定了他們廣闊的發(fā)展前景,他們的融合發(fā)展則拓展了他們的應(yīng)用領(lǐng)域。短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷完善與發(fā)展.將給我們的生活帶來(lái)更多的便利與豐富多彩。
參 考 文 獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介:
張方奎(1976一),男,山東青島人,碩士研究生。研究領(lǐng)域?yàn)槎叹嚯x無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。Email:zfk2005229@mail.sdu.edu.cn
張春業(yè)(1951一),男,山東濟(jì)南人,副教授,碩導(dǎo)。研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信與系統(tǒng)。WLAN中的關(guān)鍵技術(shù)等。
隨著因特網(wǎng)、多媒體和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展。人們與信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)密不可分。當(dāng)今無(wú)線(xiàn)通信在人們的生活中扮演著越來(lái)越重要的角色,低功耗、微型化是用戶(hù)對(duì)當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品尤其是便攜產(chǎn)品的強(qiáng)烈追求,作為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)一個(gè)重要分支的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)正逐漸引起越來(lái)越廣泛的觀注。
1 短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)簡(jiǎn)介
近年來(lái),由于數(shù)據(jù)通信需求的推動(dòng),加上半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)等相關(guān)電子技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展,短距離無(wú)線(xiàn)與移動(dòng)通信技術(shù)也經(jīng)歷了一個(gè)快速發(fā)展的階段,WLAN技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、UWB技術(shù),以及紫蜂(ZigBee)技術(shù)、射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)等取得了令人矚目的成就。短距離無(wú)線(xiàn)通信通常指的是lOOm以?xún)?nèi)的通信,分為高速短距離無(wú)線(xiàn)通信和低速短距離無(wú)線(xiàn)通信兩類(lèi)。高速短距離無(wú)線(xiàn)通信最高數(shù)據(jù)速率>loMbits,通信距離<lOm,典型技術(shù)有高速UWB、WirelessUSB;低速短距離無(wú)線(xiàn)通信的最低數(shù)據(jù)速率<lMbits,通信距離<lom。典型技術(shù)有藍(lán)牙、紫蜂和低速UWBt”。
2 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)與IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)族
wLAN顧名思義是一種借助無(wú)線(xiàn)技術(shù)取代以往有線(xiàn)信道方式構(gòu)成計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的手段,以解決有線(xiàn)方式不易實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)的可移動(dòng)性,使其應(yīng)用更加不受空間限制。
IEEE802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) (WLAN)是IEEE最初制定的,是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,包括IEEE802.1 la、IEEE802.11b 和IEEE 802.11g。IEEE802.11a主要用來(lái)解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶(hù)與用戶(hù)終端的無(wú)線(xiàn)接入,工作在5 GHzU—NIIfUnlicensed—National Information Infras—tructure)頻帶,物理層速率54Mbps,傳輸層速率25Mbps。它采用正交頻分復(fù)用(OFDM)擴(kuò)頻技術(shù),可提供25Mbps的無(wú)線(xiàn)ATM 接口、10Mbps的以太網(wǎng)無(wú)線(xiàn)幀結(jié)構(gòu)接口以及TDD/TDMA的空中接口.支持語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務(wù)。一個(gè)扇區(qū)可接人多個(gè)用戶(hù),每個(gè)用戶(hù)可帶多個(gè)用戶(hù)終端。其缺點(diǎn)是芯片沒(méi)有進(jìn)入市場(chǎng),設(shè)備昂貴,空中接力不好,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接很不經(jīng)濟(jì),不適合小型設(shè)備。
Wi—Fi(Wireless Fidelityi~線(xiàn)保真1是屬于無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WLAN)的一種,通常是指IEEE802.11b產(chǎn)品,是利用無(wú)線(xiàn)接人手段的新型局域網(wǎng)解決方案。Wi—Fi的主要特點(diǎn)是傳輸速率高、可靠性高、建網(wǎng)快速、便捷、可移動(dòng)性好、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)彈性化、組網(wǎng)靈活、組網(wǎng)價(jià)格較低等,因此具有良好的發(fā)展前景。IEEE 802.11b工作頻段為2.4GHz的ISM 自由頻段,采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)理論上可以達(dá)到1 1Mpit/s速率。典型通信距離為2Mbit/s時(shí)30~45m,2Mbit/s時(shí)為40~75m,2Mbit/s時(shí)為75~100m。
IEEE802.11g使用了與IEEE802.1lb相同的2.4GHz的ISM免特許頻段。它采用了兩種調(diào)制方式:即IEEE802.11a所采用的OFDM和IEEE802.11b所采用的CCK。通過(guò)采用這兩種分別與IEEE802.11a和IEEE802.11b相同的調(diào)制方式,使IEEE802.1lg不但達(dá)到了IEEE802.11a的54 Mb/s的傳輸速率,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)在廣泛存在的采用IEEE802。llb標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的兼容。IEEE802.11g已經(jīng)被大多數(shù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為下一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)。
3 藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)
“藍(lán)牙(Bluetooth)”是一個(gè)開(kāi)放性的、短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),也是目前國(guó)際上最新的一種公開(kāi)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)規(guī)范。它可以在較小的范圍內(nèi),通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接的方式安全、低成本、低功耗的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),使得近距離內(nèi)各種通信設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫資源共享,也可以實(shí)現(xiàn)在各種數(shù)字設(shè)備之間的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。由于藍(lán)牙技術(shù)可以方便地嵌入到單一的CMOS芯片中.因此,特別適用于小型的移動(dòng)通信設(shè)備,使設(shè)備去掉了連接電纜的不便,通過(guò)無(wú)線(xiàn)建立通信。
藍(lán)牙技術(shù)以低成本的近距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎(chǔ).采用高速跳頻(Frequency Hopping)和時(shí)分多址(Time Di.vision Multi—access-TDMA)等先進(jìn)技術(shù),為固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。藍(lán)牙技術(shù)使得一些便于攜帶的移動(dòng)通信設(shè)備和計(jì)算機(jī)設(shè)備不必借助電纜就能聯(lián)網(wǎng),并且能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線(xiàn)連接因特網(wǎng).其實(shí)際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車(chē)等信息家電,組成一個(gè)巨大的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)。打印機(jī)、PDA、桌上型計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)、鍵盤(pán)、游戲操縱桿以及所有其它的數(shù)字設(shè)備都可以成為藍(lán)牙系統(tǒng)的一部分。
目前藍(lán)牙的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.工作在2.4GHz頻帶,通道帶寬為1Mb/s,異步非對(duì)稱(chēng)連接最高數(shù)據(jù)速率為723.2kb/s。藍(lán)牙速率亦擬進(jìn)一步增強(qiáng),新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)2.0版支持高達(dá)lOMb/s以上速率f4、8及12~20Mb/s).這是適應(yīng)未來(lái)愈來(lái)愈多寬帶多媒體業(yè)務(wù)需求的必然演進(jìn)趨勢(shì)。
作為一個(gè)新興技術(shù),藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用還存在許多問(wèn)題和不足之處,如成本過(guò)高、有效距離短及速度和安全性能也不令人滿(mǎn)意等。但毫無(wú)疑問(wèn),藍(lán)牙技術(shù)已成為近年應(yīng)用最快的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),它必將在不久的將來(lái)滲透到我們生活的各個(gè)方面。
4 紫蜂(ZigBee)技術(shù)
新一代的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將采用802.15.4(Zig.Bee)協(xié)議。ZigBee是一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù),主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入在各種設(shè)備中,同時(shí)支持地理定位功能。
Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)主要有:
(1)低速率:ZigBee工作在20~250kbps的較低速率,分別提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz1和20kbps(868MHz)I~原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿(mǎn)足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
(2)低時(shí)延:ZigBee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms.節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要-10s,Wi—Fi則需要3s。
(3)低功耗、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單:設(shè)備可以在電池的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年。低功耗意味著較高的可靠性和可維護(hù)性,更適合體積小的大量日常應(yīng)用。
(4)低成本:對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō),低成本意味著較低的設(shè)備費(fèi)用、安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。ZigBee設(shè)備可以在標(biāo)準(zhǔn)電池供電的條件下(低成本)-r作,而不需要任何重?fù)Q電池或充電操作(低成本、易安裝)。
(5)網(wǎng)絡(luò)容量高:ZigBee通過(guò)使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層,支持幾乎任意數(shù)目的設(shè)備,這對(duì)于大規(guī)模傳感器陣列和控制尤其重要。
ZigBee技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛,其中包括智能建筑、軍事領(lǐng)域、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、智能家居及各種監(jiān)察系統(tǒng)等。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的空缺,其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用,而不是技術(shù)本身。
5 超寬帶(UWB)技術(shù)
超寬帶(Ultra—widebandiUWB)技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代末,此前主要作為軍事技術(shù)在雷達(dá)等通信設(shè)備中使用。隨著無(wú)線(xiàn)通信的飛速發(fā)展,人們對(duì)高速無(wú)線(xiàn)通信提出了更高的要求.超寬帶技術(shù)又被重新提出,并倍受關(guān)注。UWB是指信號(hào)帶寬大于50oMHz或者是信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于25%的無(wú)線(xiàn)通信方案。與常見(jiàn)的使用連續(xù)載波通信方式不同,UWB采用極短的脈沖信號(hào)來(lái)傳送信息,通常每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間只有幾十皮秒到幾納秒的時(shí)間。因此脈沖所占用的帶寬甚至高達(dá)幾GHz,因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到幾百分之一。在高速通信的同時(shí),UWB設(shè)備的發(fā)射功率卻很小,僅僅是現(xiàn)有設(shè)備的幾百分之一,對(duì)于普通的非UWB接收機(jī)來(lái)說(shuō)近似于噪聲.因此從理論上講,UWB可以與現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)電設(shè)備共享帶寬。UWB是一種高速而又低功耗的數(shù)據(jù)通信方式.它有望在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。UWB的特點(diǎn)如下:
(1)抗干擾性能強(qiáng):UWB采用跳時(shí)擴(kuò)頻信號(hào),系統(tǒng)具有較大的處理增益,在發(fā)射時(shí)將微弱的無(wú)線(xiàn)電脈沖信號(hào)分散在寬闊的頻帶中,輸出功率甚至低于普通設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。
(2)傳輸速率高:UWB的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到幾十Mbit/s到幾百M(fèi)bit/s,有望高于藍(lán)牙100倍。
(3)帶寬極寬:UWB使用的帶寬在1GHz以上,高達(dá)幾個(gè)GHz。超寬帶系統(tǒng)容量大,并且可以和目前的窄帶通信系統(tǒng)同時(shí)工作而互不干擾。
(4)消耗電能少:通常情況下,無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)在通信時(shí)需要連續(xù)發(fā)射載波,因此要消耗一定電能。而UWB不使用載波,只是發(fā)出瞬間脈沖電波,也就是直接按0和1發(fā)送出去。并且在需要時(shí)才發(fā)送脈沖電波,所以消耗電能少。
(5)保密性好:UWB保密性表現(xiàn)在兩方面:一方面是采用跳時(shí)擴(kuò)頻,接收機(jī)只有已知發(fā)送端擴(kuò)頻碼時(shí)才能解出發(fā)射數(shù)據(jù);另一方面是系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度極低,用傳統(tǒng)的接收機(jī)無(wú)法接收。
(6) 發(fā)送功率非常?。篣WB系統(tǒng)發(fā)射功率非常小,通信設(shè)備可以用小于lmW的發(fā)射功率就能實(shí)現(xiàn)通信。低發(fā)射功率大大延長(zhǎng)了系統(tǒng)電源工作時(shí)問(wèn)。
(7)成本低,適合于便攜型使用:由于UWB技術(shù)使用基帶傳輸,無(wú)需進(jìn)行射頻調(diào)制和解調(diào),所以不需要混頻器、過(guò)濾器、RF廠rF轉(zhuǎn)換器及本地振蕩器等復(fù)雜元件,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,成本大大降低,同時(shí)更容易集成到CMOS電路中。
由于UWB具有廣闊應(yīng)用前景,在標(biāo)準(zhǔn)制定上競(jìng)爭(zhēng)激烈。目前UWB標(biāo)準(zhǔn)提案有二:以摩托羅拉為代表的DS—CDMA方案和多頻帶OFDM聯(lián)盟fMBOA1的OFDM方案。兩種提案各有優(yōu)缺點(diǎn)。DS—CDMA方案建議采用雙頻帶(3.1 5.15GHz和5.825—13.6GHz),即在每超過(guò)1 GHz的頻帶內(nèi)用極短的時(shí)間脈沖發(fā)送數(shù)據(jù),其優(yōu)勢(shì)是硬件簡(jiǎn)單,頻譜利用率高。OFDM方案需建立一個(gè)子信道化UWB系統(tǒng),每個(gè)子信道采用正交頻分復(fù)用方式,優(yōu)勢(shì)是抗ISI(符號(hào)問(wèn)干擾1能力強(qiáng),但硬件相對(duì)復(fù)雜。雖然前段時(shí)間有消息說(shuō)兩大陣營(yíng)要和解,標(biāo)準(zhǔn)之爭(zhēng)改成兼容性的討論,但并沒(méi)有看到實(shí)際行動(dòng)。毫無(wú)疑問(wèn),兩陣營(yíng)之爭(zhēng)不僅沒(méi)有停止,反而會(huì)進(jìn)一步升級(jí),成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、贏得市場(chǎng)占有率是他們的努力目標(biāo)。
6 射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)
射頻識(shí)別技術(shù)fRadio Frequency Identification-RFID)是從20世紀(jì)80年代走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它利用射頻信號(hào)通過(guò)空間耦合f交變磁場(chǎng)或電磁場(chǎng))實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸信息傳遞,并通過(guò)傳遞的信息達(dá)到識(shí)別目的的技術(shù)。RFID技術(shù)無(wú)須精確定位,就可以大批量地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,實(shí)時(shí)傳遞,實(shí)時(shí)核對(duì)、更新,避免人為操作中的錯(cuò)掃、漏掃、重掃等差錯(cuò)。
和傳統(tǒng)的條形碼相比.RFID可以突破條形碼須人工掃描、一次讀一個(gè)的限制.實(shí)現(xiàn)非接觸性和大批量數(shù)據(jù)采集,具有不怕灰塵、油污的特性;也可以在惡劣環(huán)境下作業(yè),實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的讀取,同時(shí)讀取多個(gè)卷;還具有實(shí)時(shí)追蹤、重復(fù)讀寫(xiě)及高速讀取的優(yōu)勢(shì),此特性讓其具有極其廣泛的應(yīng)用范圍。RFID低頻系統(tǒng)主要用于短距離、低成本的應(yīng)用,如多數(shù)的門(mén)禁控制、校園卡、煤氣表、水表等:高頻系統(tǒng)則用于需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng);超高頻系統(tǒng)應(yīng)用于需要較長(zhǎng)的讀寫(xiě)距離和高讀寫(xiě)速度的場(chǎng)合.其天線(xiàn)波束方向較窄且價(jià)格較高,在火車(chē)監(jiān)控、高速公路收費(fèi)等系統(tǒng)中應(yīng)用。
RFID系統(tǒng)因應(yīng)用不同其組成會(huì)有所不同,但基本都由電子標(biāo)簽(Tag)、閱讀器(Reader)和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)(Processor)大部分組成。電子標(biāo)簽f或稱(chēng)射頻卡、應(yīng)答器等),由耦合元件及芯片組成,其中包含帶加密邏輯、串行EEPROM(電可擦除及可編程式只讀存儲(chǔ)器)、微處理器CPU以及射頻收發(fā)及相關(guān)電路。
電子標(biāo)簽具有智能讀寫(xiě)和加密通信的功能,它是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波與讀寫(xiě)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,工作的能量是由閱讀器發(fā)出的射頻脈沖提供。閱讀器,有時(shí)也被稱(chēng)為查詢(xún)器、讀寫(xiě)器或讀出裝置,主要由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、天線(xiàn)、控制模塊及接口電路等組成。閱讀器可將主機(jī)的讀寫(xiě)命令傳送到電子標(biāo)簽,再把從主機(jī)發(fā)往電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)加密,將電子標(biāo)簽返回的數(shù)據(jù)解密后送到主機(jī)。數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)及管理、對(duì)卡進(jìn)行讀寫(xiě)控制等。其工作原理為:當(dāng)帶有電子標(biāo)簽的物品在讀寫(xiě)器的可讀范圍時(shí),讀寫(xiě)器發(fā)出的查詢(xún)信號(hào)將會(huì)激活標(biāo)簽,標(biāo)簽根據(jù)接收到的查詢(xún)信號(hào)要求反射信號(hào),讀寫(xiě)器接收到標(biāo)簽反射回的信號(hào)后,經(jīng)過(guò)內(nèi)部電路的解碼處理可無(wú)接觸地讀取并識(shí)別電子標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù),從而達(dá)到自動(dòng)識(shí)別物體的目的。然后進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算機(jī)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體識(shí)別信息的采集、處理及遠(yuǎn)程傳送等管理功能。
通常情況下。RFID閱讀器發(fā)送的頻率稱(chēng)為RFID系統(tǒng)的工作頻率或載波頻率。RFID載波頻率基本上有3個(gè)范圍:低頻(30~300kHz)、高頻(3~30MHz)和超高頻f300MHz~3GHz)。常見(jiàn)的工作頻率有低頻125kHz與134.2kHz、高頻13.56MHz、超高頻433MHz、86o~930MHz、2.45GHz等。
近年來(lái)。隨著通信、微電子、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展.RnD的應(yīng)用范圍和深度都得到了迅速的發(fā)展,并被列為21世紀(jì)最有前途的重要產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用技術(shù)之一。RFID作為接人層技術(shù),結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)或公共電信網(wǎng),將能構(gòu)造一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球物品、人員信息實(shí)時(shí)共享的“物聯(lián)網(wǎng)”。其廣泛的應(yīng)用將深刻地影響我們的社會(huì)形態(tài),極大地提升整個(gè)社會(huì)的信息化水平,提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的質(zhì)量。
7 幾種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及融合發(fā)展趨勢(shì)
在短距離無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域,Wi—Fi目前正日益普及,路由和PC正向采用下一代802.1ln技術(shù)演變。802.1lg有更好的可靠性和更高冉句傳輸速率,這將使其成為下一代消費(fèi)電子產(chǎn)品的最佳選擇;UWB具備高傳輸速率,其定位為多媒體傳輸;藍(lán)牙擁有QoS,可作為語(yǔ)音與數(shù)據(jù)資料傳輸之用;ZigBee傳輸速率雖低,但適合應(yīng)用在感測(cè)與控制場(chǎng)合,搭配低價(jià)與耐用之特性,成為眾所矚目的新興技術(shù);RFID技術(shù)則在電子商務(wù)、電子政務(wù)、現(xiàn)代物流等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用。各種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)如藍(lán)牙、WLAN、UWB、Zigbee和RFID等技術(shù)因其各自不同的技術(shù)特點(diǎn),有著不同的應(yīng)用領(lǐng)域。它們之間互相融合和向更高速率邁進(jìn)的趨勢(shì)使得它們找到了更強(qiáng)勁的發(fā)展“支點(diǎn)”.
7.1 藍(lán)牙與WLAN、UWB加快共存
隨著藍(lán)牙與無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)應(yīng)用的普及,其共存問(wèn)題成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)際芯片大廠透過(guò)自行開(kāi)發(fā)與持續(xù)購(gòu)并,目前幾乎均掌握了WLAN與藍(lán)牙的產(chǎn)品線(xiàn),開(kāi)始同時(shí)布局WLAN與藍(lán)牙芯片,未來(lái)也將進(jìn)一步尋求整合。
此外,藍(lán)牙與超寬帶UWB融合的苗頭也已在顯現(xiàn)。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟日前宣布,將在新一代藍(lán)牙技術(shù)中融合超寬帶(UWB)線(xiàn)技術(shù)。該聯(lián)盟預(yù)測(cè)。融合后的基于新一代藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品將于2007年末投放市場(chǎng)。
藍(lán)牙與UWB合作,試圖解決目前藍(lán)牙成本高、傳輸慢。應(yīng)用范圍窄等技術(shù)和市場(chǎng)瓶頸。UWB與藍(lán)牙的結(jié)合。將為支持UWB的硬件產(chǎn)品與目前藍(lán)牙重點(diǎn)支持的通信產(chǎn)品之間提供更為廣泛的對(duì)接途徑。藍(lán)牙的品牌加上UWB的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將使雙方共贏。這種融合,彌補(bǔ)了藍(lán)牙在技術(shù)上的缺陷,在高速傳輸和低耗電量上能夠迎接WLAN(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng))的挑戰(zhàn)。同樣,通過(guò)與藍(lán)牙聯(lián)手。UWB可以繞過(guò)技術(shù)和市場(chǎng)發(fā)展過(guò)程中“后來(lái)者”的身份,與目前全球近5億個(gè)藍(lán)牙產(chǎn)品直接對(duì)接,兩家合作是必然的結(jié)果。
藍(lán)牙專(zhuān)業(yè)工作小組SIG與超寬帶開(kāi)發(fā)者合作來(lái)整合這兩種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。去年兩者之間的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議就已出爐。今年則會(huì)有整合性的產(chǎn)品問(wèn)世。此舉對(duì)藍(lán)牙技術(shù)最大的意義是使其應(yīng)用超越個(gè)人設(shè)備,未來(lái)藍(lán)牙可以進(jìn)入到數(shù)字家庭領(lǐng)域。
7.2 WLAN與UWB競(jìng)合發(fā)展。802.1ln技術(shù)開(kāi)始得到應(yīng)用
WLAN的應(yīng)用已開(kāi)始從傳統(tǒng)的攜帶型計(jì)算機(jī)應(yīng)用向手機(jī)等領(lǐng)域擴(kuò)展,我們已經(jīng)明顯看到了802.1lb向802.11g過(guò)渡的步伐,對(duì)速度的追求也將推動(dòng)802.1ln標(biāo)準(zhǔn)盡快面市。
近年來(lái)。WLAN在工業(yè)和物流、自動(dòng)化等領(lǐng)域都獲得了比較廣泛的發(fā)展。WLAN技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日益成熟。WLAN發(fā)展的另一個(gè)典型是802.1ln的出現(xiàn),其速率已經(jīng)超過(guò)了100Mbps,因此大大推動(dòng)了家庭聯(lián)網(wǎng)中的視頻傳輸應(yīng)用。此外,WLAN的Mesh技術(shù)在這兩年也迅速發(fā)展起來(lái)。大大擴(kuò)展了WLAN的覆蓋范圍。
目前,國(guó)內(nèi)政府已對(duì)WLAN Mesh技術(shù)表示出極大興趣。希望通過(guò)Mesh實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的無(wú)線(xiàn)覆蓋。從局端到終端。WLAN的應(yīng)用范圍大有同時(shí)向上下兩個(gè)方向延伸的趨勢(shì),特別是在短距離寬帶領(lǐng)域,802.1ln更是與UWB技術(shù)在今后存在共同爭(zhēng)奪家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用市場(chǎng)的可能。
目前市場(chǎng)被802.1lb和802.1lg占領(lǐng),而今明兩年,802.1la/g也有一定的市場(chǎng),等到2009年,市場(chǎng)會(huì)被802.1lg和802.1ln占領(lǐng)。其中,802.1lg的成本很低,而802.11n是新一代速度更高的技術(shù),從目前看,它已能滿(mǎn)足PC、手機(jī)和便攜電子三個(gè)市場(chǎng)的不同需求。而隨著越來(lái)越多的設(shè)備和產(chǎn)品使用2.4GHz波段.該波段中的沖突也不斷增加,這使得轉(zhuǎn)向5GHz顯得非常必要,802.1ln無(wú)線(xiàn)解決方案無(wú)疑承接了市場(chǎng)這一需求。
此外,802.1ln技術(shù)的推出將使其與UWB的逐鹿升級(jí),UWB產(chǎn)品面市的步伐亦在加快。有分析認(rèn)為.最終UWB的速度將更快,其芯片組的價(jià)格將更加便宜,在與Wi—Fi競(jìng)爭(zhēng)時(shí)有可能在非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中尋求商機(jī)。UWB的理論速率目前可從100Mbps到1Gbps,當(dāng)前能夠支持的速率為480Mbps,而這與802。1In(100Mbps)的定位會(huì)有一定的重疊。盡管從技術(shù)發(fā)展軌跡看,UWB具有更小的功耗和超低的成本優(yōu)勢(shì),但是802.11n本身從Wi—Fi產(chǎn)業(yè)發(fā)展而來(lái),其成本也較低。而且,從目前的發(fā)展情況看,由于Wi—Fi產(chǎn)業(yè)已經(jīng)相對(duì)比較成熟,因此802.11n的設(shè)備成本甚至?xí)萓WB更低一些。從本質(zhì)上說(shuō),802.11和802.15之間有著嚴(yán)格的劃分.802.11不適合PAN, 同樣802.15的目標(biāo),也絕對(duì)不是LAN fLocal Area Net.work一本地局域網(wǎng))。UWB最大的優(yōu)勢(shì),最終還是會(huì)體現(xiàn)在高速上。
7.3 ZigBee產(chǎn)品規(guī)?;a(chǎn),未來(lái)兩三年一些便攜設(shè)備將采用ZigBee
ZigBee低成本、低功耗和易部署的技術(shù)特點(diǎn)為它的應(yīng)用和推廣打下了良好基礎(chǔ)。目前,ZigBee技術(shù)已經(jīng)作為模塊解決方案用于大規(guī)模生產(chǎn),ZigBee聯(lián)盟預(yù)計(jì),第一批經(jīng)過(guò)ZigBee認(rèn)證的零售產(chǎn)品將在2007年末上市。
ZigBee側(cè)重應(yīng)用于對(duì)能源管理具有較高要求的領(lǐng)域,傳感器應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)控制是ZigBee主要應(yīng)用市場(chǎng)。到目前為止,ZigBee在數(shù)字家庭的應(yīng)用量還不是很大,其主要應(yīng)用還是在家電遙控、燈光控制、門(mén)禁領(lǐng)域。隨著zigBee模塊成本的下降,在一兩年內(nèi)會(huì)大范圍應(yīng)用。未來(lái)ZigBee應(yīng)用將向燈光控制、便攜設(shè)備領(lǐng)域拓展。在兩三年內(nèi)一些手持式設(shè)備將會(huì)采用ZigBee芯片,進(jìn)行家電控制、小額付款等領(lǐng)域。ZigBee芯片也將更多地與一些終端產(chǎn)品的芯片進(jìn)行集成。
7.4 UWB技術(shù)向高速率的方向邁進(jìn).開(kāi)發(fā)更多新應(yīng)用
UWB超寬帶技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在短距離范圍內(nèi)以超高速率傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)前,UWB技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)480Mbps速率產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和商業(yè)化,期望在今后5年達(dá)到6Gbps。而近期的目標(biāo),將會(huì)朝著速率1Gbps的方向發(fā)展。
UWB作為一種高速PAN無(wú)線(xiàn)技術(shù),同時(shí)將被開(kāi)發(fā)出更多新應(yīng)用。如應(yīng)用在冢庭多媒體中.用在支持UWB的電視、DVD、機(jī)頂盒、手持?jǐn)z像機(jī)和P(:中等;同時(shí),作為由英特爾等公司主導(dǎo)的無(wú)線(xiàn)USB1.0的技術(shù)基礎(chǔ),將主要應(yīng)用于個(gè)人電腦、打印機(jī)、投影儀及數(shù)碼相機(jī)等電子設(shè)備間的無(wú)線(xiàn)傳輸。在接下來(lái)的幾年內(nèi),隨著消費(fèi)產(chǎn)品的出現(xiàn)和消費(fèi)者開(kāi)始在各種多媒體、PC和信息娛樂(lè)應(yīng)用中使用這一技術(shù),我們將會(huì)看到UWB技術(shù)帶來(lái)的巨大影響。
8 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,各短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)不同的技術(shù)優(yōu)勢(shì)決定了他們廣闊的發(fā)展前景,他們的融合發(fā)展則拓展了他們的應(yīng)用領(lǐng)域。短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷完善與發(fā)展.將給我們的生活帶來(lái)更多的便利與豐富多彩。
參 考 文 獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介:
張方奎(1976一),男,山東青島人,碩士研究生。研究領(lǐng)域?yàn)槎叹嚯x無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。Email:zfk2005229@mail.sdu.edu.cn
張春業(yè)(1951一),男,山東濟(jì)南人,副教授,碩導(dǎo)。研究領(lǐng)域?yàn)闊o(wú)線(xiàn)通信與系統(tǒng)。WLAN中的關(guān)鍵技術(shù)等。