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 IEEE 802.11 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，主机中北大学 2011 届毕业论文第 2 页 共 49 页与显示器、USB 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 Wireless USB 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 Wireless USB 之外，还有 1394 Trade Association 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（Application Profile）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 IEEE 802.15.4a 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，为今后学习和中北大学 2011 届毕业论文第 3 页 共 49 页应用其他无线通信技术奠定了基础，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 2.4GHz ISM（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。中北大学 2011 届毕业论文第 5 页 共 49 页（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 2.1 1.2 版蓝牙基本技术参数工作频段 2402MHz2480MHz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中北大学 2011 届毕业论文第 6 页 共 49 页表 2.2 802.11 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纠错方式 1/3FEC、2/3FEC、ARQ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。2.2 IEEE802.11IEEE802.11 是美国电气电子工程师协会 IEEE（Institute for Electrical and Electronic Engineers）为解决无线网路设备互连，于 1997 年 6 月制定发布的无线局域网标准。IEEE802.11 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 IEEE802.11b,a 和 g。中北大学 2011 届毕业论文第 7 页 共 49 页2.2.1 IEEE802.11b1999 年 9 月正式通过的 IEEE802.11b 标准是 IEEE802.11 协议标准的扩展。它可以支持最高 11Mbps 的数据速率，运行在 2.4GHz 的 ISM 频段上，采用的调制技术是 CCK。但是随着用户不断增长的对数据速率的要求，CCK 调制方式就不再是一种合适的方法了。因为对于直接序列扩频技术来说，为了取得较高的数据速率，并达到扩频的目的，选取的码片的速率就要更高，这对于现有的码片来说比较困难；对于接收端的 RAKE 接收机来说，在高速数据速率的情况下，为了达到良好的时间分集效果，要求 RAKE 接收机有更复杂的结构，在硬件上不易实现。2.2.2 IEEE802.11aIEEE802.11a 工作 5GHz 频段上，使用 OFDM 调制技术可支持 54Mbps 的传输速率。802.11a 与 802.11b 两个标准都存在着各自的优缺点，802.11b 的优势在于价格低廉,但速率较低（最高 11Mbps） ；而 802.11a 优势在于传输速率快（最高 54Mbps）且受干扰少，但价格相对较高。另外，11a 与 11b 工作在不同的频段上,不能工作在同一 AP 的网络里，因此 11a 与 11b 互不兼容。2.2.3 IEEE802.11g为了解决上述问题，为了进一步推动无线局域网的发展，2003 年 7 月802.11 工作组批准了 802.11g 标准。 。该草案与以前的 802.11 协议标准相比有以下两个特点：其在 2.4G 频段使用 OFDM 调制技术，使数据传输速率提高到20Mbps 以上；IEEE802.11g 标准能够与 802.11b 的 WIFI 系统互相连通，共存在同一 AP 的网络里，保障了后向兼容性。2.2.4 小结它们在技术和性能上各有差异。如表 2.3 所示：表 2.3 几种主要 802.11 WLAN 标准的区别标准频带(GHz)最大物理层数据速率(Mbit/s)第三层数据速率(Mbit/s)传输技术与所列标准兼容性主要优点 主要缺点中北大学 2011 届毕业论文第 8 页 共 49 页802.11 2.4 2 1.2FHSS/DSSS 无较大的辐射范围有限的比特率802.11a 5.0 54 32 OFDM 无在非拥挤频段有较高的比特率在802.11标准族中，辐射范围最小802.11b 2.4 11 67 DSSS 802.11应用广泛，较大的辐射范围对许多现在的应用需求来说，比特率太低802.11g 2.4 5432 OFDM802.11/802.11b在2.4GHz的频带有较高的比特率共存WLAN数目小，辐射范围比802.11a大802.11是IEEE制订的第一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2Mbit/s。其工作频带为ISM频段,标准主要是制定物理层和媒体接入控制(MAC)层的规范。2.3 红外（IrDA）红外线数据协会 IrDA（Infrared Data Association）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 1m 范围内以 115.2kbs 速率传输数据，很快发展到 4Mbs 的速率，后来，速率又达到 16Mbs。IrDA 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，他也许是第一个实现无线个人局域网（PersonalAreaNetwork，PAN）的技术。目前他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。IrDA 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。他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，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，传输上安全性高。中北大学 2011 届毕业论文第 9 页 共 49 页IrDA 的不足在于他是一种视距传输，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。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。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。2.4 HomeRF 技术HomeRF 工作组是由美国家用射频委员会领导、于 1997 年成立的，其主要工作任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网。家庭射频（HomeRF）标准是由 HomeRF 工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。HomeRF 是IEEE802.11 与 DECT 的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。HomeRF 采用了扩频技术，工作在 2.4GHz 频带，能同步支持 4 条高质量语音信道，但是HomeRF 的传输速率只有 1M2Mbps。由于 HomeRF 技术没有完全公开，目前只有几十家小企业支持，在抗干扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺，因此它的应用前景还不是十分明朗。HomeRF 是对现有无线通信标准的综合和改进：当进行数据通信时，采用IEEE802.11 规范中的 TCP/IP 传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。但是，该标准与 802.11b 不兼容，并占据了与 802.11b 和Bluetooth 相同的 2.4GHz 频率段，所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。2.5 ZigBee 技术ZigBee 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、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。IEEE802.15.4 工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。ZigBee 联盟在制定 ZigBee 标准时，采用了 IEEE802.15.4 作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee 联盟制定了数据链路层（DLL） 、网络层(NWK)和应用编程接口(API)规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。中北大学 2011 届毕业论文第 10