近距离无线通信成为热点与比较.doc

一， 近距离无线通信成为热点与比较通信离不开网络。网络为通信提供共享的连接通道和管理事务。网络从大往小来说有：Internet网、WAN（广域网）、MAN（城域网）、LAN（局域网）、HAN（家庭网）、PAN（个人网）。以局域网LAN为中心向上的各网已经发展成熟，往下的家庭网HAN还是空白。家庭网一直是个难点。因为它进入千家万户，必须简单、方便、适用、廉价，它们比技术还重要。可是偏偏越简单、越方便、越适用、越廉价凑到一起就越是需要高的技术的支持。技术发展到了今天，家庭网络总算孕育成熟，很快就会呱呱落地。那就是无线家庭网。有线网能够便宜，但是，仅是布线一项，首先就做不到简单、方便、适用，比如穿墙打洞就不简单、不方便、不适用。无线家庭网在众多公司克服种种困难不懈地努力下，现在已经有了如以下多种可行的方案。线将这些方案的对比概括整理列为表4。下面对这些方案做一些背景说明。1, Bluetooth2002年，成立IEEE 802.15工作组，专门从事无线个人网的标准化（WPAN）工作。目前共有四个工作组：1 蓝牙工作组（802.15.1） 蓝牙是短距通信的先驱，她曾有过一段受宠的亮丽时段，各自为政，很快就遇到兼容性的麻烦，制约她的发展，一度陷于停顿。现在，IEEE出面组织制定统一的标准。企盼产生优良的蓝牙芯片和蓝牙网络产品。2 共存组 希望为所有工作于2.4MHz的无线产品建立一个共同的802.15.2标准。3 高数据率工作组 为高速无线多媒体WPAN网制定802.15.3标准。4 802.15.4工作组 为低数据率、低复杂度、低功耗、低成本的WPAN网制定标准。这就是后面要介绍的ZigBee网。802.15.1蓝牙的概要请见表6。但是，为全面了解蓝牙，下面对蓝牙产品的背景情况介绍一下。蓝牙技术始于蓝牙特别兴趣小组的开发。它是无需专利许可的开放式业界规范。早在1998年5月，由五家公司：爱立信、诺基亚、IBM、Intel和东芝创建BGI（蓝牙兴趣小组小组）。1999年7月，正式公布蓝牙技术标准1.0版。蓝牙选用的频率为2.4GHz，处于全球各地可用、无需注册、公开、免费的ISM（Industrial,Science and Medicine）频段之内。不同国家和地区又据情规定各自的应用频段：北美和欧洲自己规定具体应用频率有79个，法国、西班牙、日本只有23个，每个频率间隔均为1MHz。蓝牙采用时分多址（TDMA）的分组传输技术；数据发送限在最长625us时隙之内；基带发送速率为1Mbps，跳频速率1600或3200次/秒。蓝牙支持面向连接的同步链路和无连接异步链路。同步连接链路用预定时隙传送语音，速率64kbps；异步非连接链路用任意时隙传送数据，速率：721kbps（非对称接线），432.6kbps（对称接线）。发射功率分三级：100mW, 2.5mW和1Mw，通信距离分别为：100米、10米和1米。功率超过2.5mW，必须采用功率限制装置，按实际通信距离调整发送功率。蓝牙技术支持点点、点多点无线连接。它们是构成蓝牙无线网的基础。蓝牙无线网的基本网是由八台设备构成的微微网（Piconet），网中任何时候只允许有一个主叫设备，其余均为从设备。主叫设备用它的时钟和跳频序列来同步各个从设备。 建立微微网之前，各设备处于待机状态，每个1.28秒（此为唤醒周期）监听一次消息，设备一旦被唤醒，就在预先设定的32个跳频（大多属国家这样设定）频率上监听信息，主设备负责联网的初始化工作，它用寻呼消息（Page Message）的方式为有地址的设备建立连接。未知地址的设备，如公用传真机，则用查询消息（Inquiry Message）建立连接。主设备在16个跳频上发送一串相同的寻呼消息给从设备，如果没能收到应答,再改用另外16个跳频发送相同的寻呼消息。主设备到从设备的最大时延为2个唤醒周期,时延0.5个唤醒周期。一个主设备最多只能建立7个连接，建立了连接的从设备叫做活动从设备，未建立连接的从设备为休眠设备（Parked Unit），只保持同步，不参加数据传送。无数据传送的活动从设备，为了节电，可主动申请或由主设备置为保持模式（Hold Mode）。保持模式下内部定时器仍在工作，一旦退出保持模式立即可以参与数据传送。还有一种比保持模式更省电的监听模式（Sniff Mode），它的监听间隔通过编程被加大。将各个微微网的主设备再用点点、点多点无线相连构成散弹网（Scatternet）。开发蓝牙的目的，是想要提供一个全球可用的短距无线通信网的标准。每个蓝牙设备都有一个48位的蓝牙设备地址码（BD-ADDR），在通过认证、加密等安全审查后，构筑可互信的群组，保证无线连接不受侵扰。蓝牙设备的硬件部分由无线射频（RF）单元、基带（Baseband）单元、和链路管理（Link Manager）单元构成。无线射频单元按照ISM频段要求，在2.4022.480GHz之间安排79个带宽为1MHz的频点，跳频速率，发射功率、距离等应达到要求。基带单元负责跳频及数据/信息帧的传输。链路管理单元负责同步/异步链路管理、检错纠错、物理层的认证和加密。软件有多层次无线网协议栈，如果与Internet网相连，还要吸收现成的HTTP、PPP、 SMTP、UDP、POP、FTP、ICTP、TCP/IP等协议。软件协议栈和蓝牙硬件之间还有一层主机控制接口（HCI）层。本层以上由主机负责，本层以下的由蓝牙硬件完成。软件通过HCI层与硬件进行透明交互。蓝牙技术中，通过对协议的不同组合，可实现如下一些典型的应用：探知网中可用服务及其特性、交互通信、无绳电话、传真、耳机使用、文件传输、拨号联网、局域网接入等。蓝牙技术的成功关键在于成本。2000年 6月公布的第一代蓝牙模块的成本为20美元，开发商奋斗目标是降到5美元以下。日立公司将它的16位H8S系列单片机与Silicon Wave公司的Odessey芯片组相配套，实现点点、点多点无线连接的个人网。Odessey芯片组实现微微网的硬件部分及底层协议栈部分。Silicon Wave公司的品牌芯片组，还有SiW1501和SiW1601。前者是一块7X7封装的无线射频Modem芯片，其上集成了有：无线射频收发器、2.4GHz合成器、和Modem功能块等。Silicon Wave使用的是带有AD/DA的直接转换式无线电结构，所以整个系统得到简化。后一个芯片完成数据处理、数据分组、检错/纠错、电源控制等功能。“市场研究专家预计，像当今的IrDA一样，不久以后，蓝牙将成为手机的标准接口。预计，到2007年，大约一半的手机将具备蓝牙功能，” 2004年12月14日英飞凌科技股份公司推出BlueMoon UniCellular芯片，这是业内针对蓝牙无线应用打造的最新、最先进的集成电路。这种芯片的速度是当今其他蓝牙解决方案的三倍，也是业内封装规格最小的单芯片之一，它支持蓝牙标准2.0版本以及最新发布的增强数据级协议（EDR），具备超低功耗和出色的射频性能，是GSM、EDGE和UMTS移动电话的理想解决方案。 BlueMoon UniCellular芯片所具备的增强数据级特性，能够使手机实现无线多媒体功能，在长达10米的距离内，以超过当今传输速度两倍的速度与其他个人电子设备交换数据。实际数据速率从721Kbps提高到2.1Mbps，传输每位数据所需的能量降低了2/3。 BlueMoon UniCellular蓝牙芯片的封装尺寸仅为5X5毫米，需配外部组件的数量减少为6个（以往至少为9个），结果，它所占用的手机主板空间缩小为40平方毫米，仅相当于市场上现有解决方案的一半。BlueMoon UniCellular芯片的功耗比上一代蓝牙解决方案低35%左右。 BlueMoon Unicellular芯片已经通过了基本数据级环境（理论数据速率为1Mbps）和增强数据级环境（理论数据速率为2Mbps和3Mbps）中的所有互用性测试。这种芯片带有WLAN互通接口（两线和三线），能够与当今市场上大部分WLAN解决方案共享2.4 GHz ISM （工业、科学和医疗）频段。BlueMoon芯片的设计输出功率为Class 2（传输距离为10米），在添加一个外置功率放大器后，可以轻松地升级为Class 1（传输距离为100米），因此，它是即将问世的免许可移动接入（UMA）技术的理想选择。2, Wi-Fi（无线高保真）无线局域网WLAN(IEEE802.11标准)的起源可以追朔到第二次大战，当时为军用。战后，被学者用在校园网上。夏威夷大学首建无线局域网（WLAN），实行星形结构的对等网。之后，沉沦得太久时间，直到后PC时期手机已然走红，才由Intel、Microsoft插手，Cisco支持，将其无线技术免费授权给其战略性芯片伙伴。一时间WLAN又开始走红。1992年9月正式定案，起名Wi-Fi，包括802.11a和802.11b两个标准，后来又加入802.11g。802.11a:的速率为54Mbps占用5.0GHz自由频段，传输范围50米，30个接点，使用OFDM复用技术。802.11b的速率为11Mbps占用2.4GHz自由频段，传输范围100米，30个接点，采用比OFDM简单的DSSS扩频技术。因2.4GHz自由频段也被无绳电话、微波炉使用，干扰较大，实际的传输范围要减少一些。802.11g标准2003年7月或的正式批准。它向下兼容802.11a和802.11b。802.11g:的速率为54Mbps占用自由频段5.0GHz, 11Mbps占用自由频段2.4GHz，传输范围均为100米，支持30个接点。使用两套复用技术：5.0GHz用OFDM, 2.4GHz用CCK调制技术。两个自由频段都有足够的带宽并能支持8个不重迭的信道，成组地提供共享的432 Mbps吞吐量，供给相近的宽带多用户。802.11g实际上是个双频多模的混合WLAN。Wi-Fi名字为高保真之意，但就其54Mbps/11Mbps的速率不足以满足今日音视频保真的需要，还有改进的必要。现在的802.11g标准适合用户较少的环境或对带宽要求不高的场合，距离不能太长，免得信号漏泄致入侵者从远端闯入。3, ZigBeeZigBee是符合802.15.4标准的低复杂度、低功耗、低成本的WPAN网。采用四层协议外加安全层。802.15.4标准提供两个物理层，即2.4GHz和868 GHz /915GHz物理层，传输速率为250Kbps/20 Kbps /40Kbps，对应的传输范围是100米/0.110米, 两个物理层都用DSSS技术、但因避干扰而跳频方法也略有不同，高数据率的物理层的传输范围小，低数据率的范围大。低数据率的最大节点数是65000个，高数据率网为255。网络层支持星形/对等网，负责它们的建立、维修、绑定服务、完成寻址、路由、安全等任务，并且能自组织，部分设备可动态寻址，使用双握手协议可靠性高。ZigBee的耗电少，电流45mA，且占空率很小，仅0.1%，待机率99.9%，电池供电用两年。宜用于工业控制、远程监控、楼宇自动化和家庭网络。ZigBee和蓝牙同属802.15的下属标准，表4列出了二者的不同，请加以区别。 表4 ZigBee和蓝牙比较表ZigBee (IEEE802.15.4标准)蓝芽 (IEEE802.15.1标准)信息类型数据数据/语音数据率20250Kbps7002000Kbps节点数254PicoNet 7范围10100米10100米复杂度简单复杂传输协议开放TCP/IP功耗45A 占空率 0.1%，待机率 99.9%70mA应用传感器 控制 玩具等语音 数据 玩具等4, UWB超宽带技术UWB(Ultra Widewand)是2002年由美国开禁的原军用无线通信技术。它不采用正弦载波，而用纳秒级的窄脉冲传输数据。占用频带非常宽（数GHz带宽, 而2.4MHz的WLAN为数十MHz）。FCC（美国联邦通信委员会）规定UWB在3.110.6GHz频段中占用带宽为5001000MHz。因此它有比扩频技术更加微小的功率密度（10nW/MHz密度, 而2.4MHz的WLAN为10mW/MHz）。所以它不干扰其它，也不受其它所干扰。超宽带UWB也称脉冲无线电通信或无载波（Carrier Free）通信。UWB不使用载波，而以单周期的基带信息扩频后直接传送。在超宽带的情况下，也会因衰耗而失真；克服的办法是使用多路径分割，使多路径时延小到纳秒以下，从而抑制了多径的衰耗影响，甚至把多径信号汇聚成为有用信号。室内高质量的近距离无线通信就是它极好的应用。衰耗不必考虑，发射功率就可以降低。UWB的功率谱密度原本就低，发射功率又相对减少，有利于抑制干扰。上述因素综合起来，平均1mW功率就可传送十多公里。又因为无载波脉冲发送的发射时间极短，收发系统的功率很小，满足小型、轻薄和廉价的需求。UWB使用GHz级的大带宽，可以满足更多用户的接入需求和获得数百Mbps的高速传输。为什么大带宽能实现高速传输呢？习惯上将信道的无误码最大传输速率定义为信道容量。信道容量与信道带宽成正比、与信噪比的2基对数基本成正比。首先，信道带宽极大能有高速，其次，衰耗、噪声和多径干扰都很小，多用户的多重接入因时间冲突造成干扰引发的误码可采用跳频解决，它们的总体结果令信噪比提升也是有利于获得高速度的。传输范围永远是和传输速率成反比的，所以特别适合短距离应用。目前，INTEL和Freescle都在积极行动开发芯片。INTEL使用多频带正交频粉条址技术（MB-OFDM），Freescle使用直接序列码分多址技术（DS-CDMA）。综上所述结论是，UWB适于短距离、低功率、高数据率的传送。具体来说，使用3.110.6GHz频段UWB，当前有100Mbps的高速，微瓦级的功耗，和小于10米通信范围。它用在家庭网络，适于MP3、数码相机、摄像机下载，多用户游戏、低价VoIP通话，无线扬声器、无线显示屏等场合。UWB还有一些特殊用途，如精确测距、防撞检测、穿墙检测、地下探查、墙内探查等等，前途广阔。5, 无线USBIntel抓住UWB的机遇，提出USB的无线应用，并宣称2005拿出无线USB的产品。使用无线USB可以组成星形对等网，和网格对等网而无需ad hoc接口。表5列出了无线USB的必备功能。采用MB-OFDM调制模式，目前正在积极研制中。表5 无线USB必备功能功能内容距离/速率3米/ 480Mbps; 10米/ 110Mbps电源管理具备Sleep, listen, wake 模式有收发器管理安全设备认证数据加密通信效率最大化使用方便性设置及选定均方便能与现在有线USB的设备驱动程序兼容廉价拓扑结构HBU为中心的星型端对端通信，最多127个节点同时通信最多410个节点协议主机管理项目与USB相同开销最小化速度可提高功耗低上层协议与USB同6, HomeRF（家用射频）l HomeRF网技术HomeRF网是一种无线局域网（WLAN），专为家庭用户设计。它工作在ISM频段的2.4Ghz，传输距离较长，可达150米，可用于语音电话、视频点播、远程教育等领域，将来有可能变成继xDSL Cable之后,可选的宽带网络传输规范。成本较高，且技术未公开，有碍进一步发展。l 900MHz简单通信技术900MHz简单通信技术实现的是与红外IrDA同样的功能，但它可改善传送方向性方面的限制，同时可以传到远一些的距离。Micrel Semicinductor生产QwikRadio系列的900MHz RF接收器芯片MICRF003。900MHz也在全球可用的ISM频段之内。MICRF003只需外接2只电容和一只7.12MHz的晶体，就可无线接收，然后直接输出数据；传输率为2400bps，数据传输方式为开关键控（OOK ON-OFF keyed，）；单一工作5伏电压，电流4毫安；芯片价格$1.8元。7， NFC（邻区通信）NFC最初是RFID和网络技术的结合，现在发展成为网络连接技术。它能自行快速建立自己的无线网络。不论是蓝牙设备、Wi-Fi设备还是蜂房设备，NFC都能建立起虚拟连接，实现数据传送。NFC是一种邻区通信标准。与非接触射频识别（RFID）的邻区无线通信标准类似，不同的是识别和连接可双向进行。使用的射频频率为13.56MHz。通信范围20公分。作为从设备时无需电源。装有NFC的手机、蓝牙或Wi-Fi设备，装有NFC的PC或笔记本电脑乃至打印机、鼠标等，只要近距离邻近就可以实现互相数据传输。所谓安装，仅仅就是邻近放置，简单到真正的零安装。有三种应用：1，两个通信设备的虚拟连接；2，实时获取资料和预定，如展板之后贴有NFC模块就可以用装有NFC模块的手机自行及时取得展板信息，如果要预定，立即用手机联网用信用卡付费。3，移动商务，只要是支持Mifare非接触卡的交通和金融系统，都可以用NFC手机完成原来Mifare卡的业务。NFC还有一个安全性方面的特点。它能够在一个设备上组合所有的身份识别和认证，解决记忆众多密码的烦恼，提高数据的安全性。8， IrDA（红外数据协会标准）红外线是一种波长介于微波与可见光之间的电磁辐射，最早用在自动控制中，作为非接触开关使用，利用它简单开合的逻辑能力。红外用于传输数据信息始于1991年，由于各个厂家使用自己的协议进行收发，彼此间不能通用，影响发展。后成立了红外数据协会（IrDA，The Infra-red Data Association）,几乎各个著名的半导体厂商都是会员。他们共同制定了IrDA标准V1.0V1.2。红外通信技术属于无线通信范畴，它将数据或信息进行编码，用红外脉冲的“有”与“无”向外发送，对端收到后再进行解码恢复。红外线因器件物理条件的限制，发射具有方向性。IrDA标准规定的有效接受角度为30度（即发、收连线左右各15度内有效）。红外线只能直射不能绕行，所以收发的直线空间不可有障碍物。不过，阻断的光路一旦恢复，系统能够自动重新连接。因接收角的限制，IrDA只能进行点点的通信。IrDA传送速率有两种；低速红外（SIR,Slow Infra-red）2.4115.2kbps, 传送距离1米；高速红外（HIR,High Infra-red）14Mbps, 传送距离3米。它用于移动计算和通信产品中。Linear Technology公司生产的廉价IrDA接收芯片LT1328, 只需外接4只电容和一只红外接收管，如TEMIC的接收管BPV22NF。LT1328使用单一5伏工作电压，静态电流2毫安；脉宽1.6ms的脉冲为“0”，无脉冲为“1”；传输率可在SIR, HIR规定的高低速率之间切换，速率115.kbps时传输距离1米。表6 家庭网一览表方案 标准速率范围网络节点数所需资源电池寿命应用特点、备注Blue- tooth802Mbps2.4GHz频段10100米7/Piconet(微微网)250KB17天数据，视频可靠，易用，低成本。宜用于2.4GHz的传感器网络, 不宜电池供电。4层协议,2.4GHz频段构成数据、视频、短距离无线网(10100米)Wi-Fi802.11a/b/g11a: 54Mbps 5.0GHz 50米301000 KB0.15天Web/Email/视频高数据量，可靠，灵活但复杂，功耗大，不宜电池供电，成本低4层协议，网络层为TCP/IP。发展方向：双频多模。11b: 11Mbps2.