短距離無線通信關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展前景

陳 展，陶 崢

1.海軍駐北京航天三院軍事代表室，北京 100074

2.91550 部隊(duì)89 分隊(duì)，遼寧大連 116023

1 短距離無線通信技術(shù)簡介

近年來，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，短距離無線與移動(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。短距離無線通信通常指的是lOOm 以內(nèi)的通信，分為高速短距離無線通信和低速短距離無線通信兩類。高速短距離無線通信最高數(shù)據(jù)速率＞loMbits，通信距離＜lOm，典型技術(shù)有高速UWB、WirelessUSB；低速短距離無線通信的最低數(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 短距離無線通信技術(shù)的特征

低成本、低功耗和對(duì)等通信，是短距離無線通信技術(shù)的三個(gè)重要特征和優(yōu)勢(shì)。終端間的直通能力即實(shí)現(xiàn)對(duì)等通信是短距離無線通信的重要特征，有別于長距離無線通信技術(shù)，對(duì)等通信無需網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行中轉(zhuǎn)，接口設(shè)計(jì)和高層協(xié)議相對(duì)比較簡單。

3 幾種主流無線通信技術(shù)簡介

3.1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m 半徑內(nèi)。在此范圍內(nèi)，采用藍(lán)牙技術(shù)的多臺(tái)設(shè)備，如手機(jī)、微機(jī)、激光打印機(jī)等能夠無線互聯(lián)，以約1Mb/s 的速率相互傳遞數(shù)據(jù)，并能方便地接入互聯(lián)網(wǎng)。隨著藍(lán)牙芯片價(jià)格和耗電量的不斷降低，藍(lán)牙已成為許多高端PDA 和手機(jī)的必備功能。圖1 為藍(lán)牙協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)。

3.2 802.11Wi-Fi 技術(shù)

802.11Wi-Fi 即無線保真技術(shù)是另一種目前流行的技術(shù)。它使用的是2.4GHz 四周的頻段。Wi-Fi 基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g 和IEEE802.11n。不僅傳輸?shù)挠行Ь嚯x很長，而且速率還高達(dá)上百兆，與各種802.11DSSS 設(shè)備兼容。目前最新的交換機(jī)能把Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)從接近100 米的通信距離擴(kuò)大到約6.5km。

3.3 IrDA

紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)IrDA 成立于1993 年，是致力于建立紅外線無線連接的非營利組織。IrDA 是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，他也許是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無線個(gè)人局域網(wǎng)的技術(shù)。目前他的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備，如PDA、手機(jī)上廣泛使用。事實(shí)上，當(dāng)今每一個(gè)出廠的PDA 及許多手機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)等產(chǎn)品都支持IrDA。表1 列出了以上3種短距離無線通信協(xié)議特性的比較。

3.4 zigbee 無線通信技術(shù)

Zigbee 是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)名稱。這一名稱來源與蜜蜂的八字舞。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。Zigbee 傳輸范圍一般介于10m ～100m 之間，在增加RF 發(fā)射功率后，亦可增加到1km ～3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。Zigbee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254 個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療( ISM) 頻段，2.4 GHz (全球) 、915 MHz(美國) 和868 MHz(歐洲) 。

表1 3 種短距離無線協(xié)議特性比較

3.5 超寬帶技術(shù)（UWB）

超寬帶(UWB)有著悠久的發(fā)展歷史，但在1989 年之前，超寬帶這一術(shù)語并不常用，在信號(hào)的帶寬和頻譜結(jié)構(gòu)方面也沒有明確的規(guī)定。1989 年，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署(DARPA)首先采用超寬帶這一術(shù)語，并規(guī)定：若信號(hào)在-20dB 處的絕對(duì)帶寬大于1.5GHz 或相對(duì)帶（信號(hào)帶寬與中心頻率之比）大于25%，則該信號(hào)為超寬帶信號(hào)。信號(hào)帶寬與中心頻率之比在1%～25%之間為寬帶，小于1%為窄帶。

為探索UWB 應(yīng)用于民用領(lǐng)域的可行性，自1998 年起，美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)開始在產(chǎn)業(yè)界廣泛征求意見。美國NTIA 等通信團(tuán)體對(duì)此大約提交了800 多份意見書。2002 年2 月，F(xiàn)CC 批準(zhǔn)UWB 技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域，并對(duì)UWB 進(jìn)行了重新定義，規(guī)定UWB 信號(hào)為相對(duì)帶寬大于20%或-10dB 帶寬大于500MHz的無線電信號(hào)。

可以預(yù)見，在未來的幾年中，UWB 將成為無線個(gè)域網(wǎng)、無線家庭網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等短距離無線網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)主導(dǎo)地位的物理層技術(shù)之一。

UWB 的技術(shù)特點(diǎn)(1)傳輸速率高，空間容量大根據(jù)仙農(nóng)(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中，系統(tǒng)無差錯(cuò)傳輸速率的上限為：

C=log2（1+SNR）

其中，B(單位：Hz)為信道帶寬，SNR 為信噪比。在UWB系統(tǒng)中，信號(hào)帶寬B 高達(dá)500MHz ～7.5GHz。因此，即使信噪比SNR 很低，UWB 系統(tǒng)也可以在短距離上實(shí)現(xiàn)幾百兆至1Gb/s的傳輸速率。例如，如果使用7GHz帶寬，即使信噪比低至-10dB，其理論信道容量也可達(dá)到1Gb/s。因此，將UWB 技術(shù)應(yīng)用于短距離高速傳輸場(chǎng)合是非常合適的。

4 我國無線通信技術(shù)的發(fā)展

當(dāng)前，中國是世界各國通信技術(shù)運(yùn)營商和設(shè)備制造商關(guān)注的焦點(diǎn)，大家都希望在中國的市場(chǎng)上占有自己的發(fā)展空間和市場(chǎng)份額。移動(dòng)通信在中國發(fā)展十分迅速，中國移動(dòng)通信的走向一直為世人所矚目。1987 年11 月，我國廣東正式開通了第一個(gè)TACS制式模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)電話用戶“零”的突破。1994 年底，廣東又首先開通了GSM 數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，至1995 年，全國已15 個(gè)省、市也相繼開通了GSM 移動(dòng)通信網(wǎng)。迄今為止，全國各省、自治區(qū)、直轄市面上都建設(shè)了GSM 網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)和國際的全自動(dòng)漫游。目前我國正在積極準(zhǔn)備在21 世紀(jì)初期開展第三代移動(dòng)通信的商用試驗(yàn)。

5 無線通信技術(shù)的趨勢(shì)

電信網(wǎng)絡(luò)的未來走向已經(jīng)被信息時(shí)代的到和IP 技術(shù)的到來而慢慢改變著。未來無線通信技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)是寬帶化、分組化、綜合經(jīng)、個(gè)人化。下面就是特點(diǎn)體現(xiàn)的幾個(gè)方面：

1）通信信息技術(shù)發(fā)展中的寬帶化是重要的發(fā)展方向之一。有線網(wǎng)絡(luò)的寬帶化隨著高通透量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)展以及光纖傳輸技術(shù)的發(fā)展走向了世界范圍的發(fā)展的方向。無線通訊技術(shù)也在慢慢的和寬帶相連接，更方便人們的使用方向發(fā)展；

2）核心網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)具有多樣化和綜合化等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)模式是核心網(wǎng)或接入網(wǎng)是未來信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，在同一核心網(wǎng)絡(luò)上可以傳送多種業(yè)務(wù)信息的成功，主要取決于網(wǎng)絡(luò)的分組花和寬帶化，傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)與新興的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在網(wǎng)絡(luò)的綜合化以及管制的逐步開放和市場(chǎng)競(jìng)爭的促使下融合；

3）下世界初的信息業(yè)主要的發(fā)展方向之一是信息個(gè)人化。實(shí)現(xiàn)未來信息化的重要技術(shù)是移動(dòng)IP。移動(dòng)IP 的各種技術(shù)和應(yīng)用都主要反映在了手機(jī)上，當(dāng)然，手機(jī)也是人們非常關(guān)注的信息之一。全球個(gè)人通訊的趨勢(shì)就是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和IP 技術(shù)的組合；

4）移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)慢慢的改變了，因?yàn)閿?shù)據(jù)業(yè)務(wù)量在網(wǎng)絡(luò)中的地位成為了主導(dǎo)地位，因此，IP 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸代替現(xiàn)有電路交換網(wǎng)絡(luò)，未來網(wǎng)絡(luò)的核心關(guān)鍵技術(shù)就是IP 技術(shù)，

移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正在經(jīng)歷一場(chǎng)深刻的變革，隨著網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量主導(dǎo)地位的形成，電信網(wǎng)的主導(dǎo)通信協(xié)議也是IP協(xié)議。移動(dòng)骨干網(wǎng)IP 應(yīng)用的實(shí)踐就是以IP 為基礎(chǔ)組網(wǎng)慢慢實(shí)踐的。

無線通信技術(shù)與業(yè)務(wù)有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：（1）網(wǎng)絡(luò)覆蓋的無縫化，即用戶在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的接入，也有人把這稱作網(wǎng)絡(luò)的泛在化。（2）寬帶化是未來通信發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，窄帶的、低速的網(wǎng)絡(luò)會(huì)逐漸被寬帶網(wǎng)絡(luò)所取代。（3）融合趨勢(shì)明顯加快，包括：技術(shù)融合、網(wǎng)絡(luò)融合、業(yè)務(wù)融合、接入融合。從IP 網(wǎng)絡(luò)兼容性來看，3G 系統(tǒng)不是基于IP 的，而4G 則支持下一代的Internet（IPv6）和所有的信息設(shè)備，將能在IP IPv6 網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)話音和多媒體業(yè)務(wù)。（4）數(shù)據(jù)速率越來越高，無論是上行還是下行速度都在不斷提高，頻譜帶寬越來越寬，頻段也越來越高，數(shù)據(jù)傳輸能力已從早期的kb/s 逐步發(fā)展到如今的Gb/s。（5）業(yè)務(wù)內(nèi)容更加多樣化，這是離不開速率和帶寬的提高的，無線通信經(jīng)歷了，從僅支持單一語音業(yè)務(wù)逐漸發(fā)展到支持語音、數(shù)據(jù)、圖像等多種媒體流業(yè)務(wù)的歷程。

6 結(jié)論

無線通信技術(shù)已經(jīng)日臻完善。在未來的社會(huì)，移動(dòng)通信與無線接入在相互角逐的同時(shí)，走向互補(bǔ)融合，各展所長，向接入綜合化、全球化、電子化、一體化的寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，進(jìn)而逐步實(shí)現(xiàn)和寬帶固定網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)融合。