2.4 GHz頻段無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

齊曰霞, 韓正之

摘 要：為了滿足人們對(duì)無(wú)線通信技術(shù)的需求，現(xiàn)對(duì)工作于2.4 GHz(ISM)頻段常用的短距離無(wú)線通信中ZigBee、藍(lán)牙(Bluetooth)、WiFi三者的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、缺點(diǎn)及總的市場(chǎng)趨勢(shì)做了詳細(xì)分析，證明它們的關(guān)系是既互為補(bǔ)充又相互競(jìng)爭(zhēng)的。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙； WiFi； ZigBee； 短距離無(wú)線通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)09-0035-03

Wireless Technical Standard in the 2.4 GHz Band

QI Yue-xia，HAN Zheng-zhi

(School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Abstract： To meet the requirement on wireless communications technology, the main technical features and market prospect of ZigBee, Bluetooth and WiFi which are working in the 2.4 GHz band are analyzed. It is proved that the relationship among them is competitive and complementary.

Keywords： Bluetooth; WiFi; ZigBee; short-range wireless communication

目前，各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)中最具增長(zhǎng)潛力的就是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。生活中最常見(jiàn)的無(wú)線通信技術(shù)就是家庭中用到的電視機(jī)、空調(diào)遙控開(kāi)關(guān)，它采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的紅外技術(shù)，最大的不足在于它是一種視距離傳輸，2個(gè)互相通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)，中間不能讓其他物體阻隔，因而該技術(shù)只能用于2臺(tái)設(shè)備之間的連接，不能滿足多臺(tái)設(shè)備互聯(lián)、組網(wǎng)的要求?，F(xiàn)在許多機(jī)構(gòu)會(huì)選擇采用無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)來(lái)拓展他們現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，獲得在機(jī)構(gòu)區(qū)域內(nèi)部移動(dòng)接入網(wǎng)絡(luò)的能力。要不通過(guò)電纜，擺脫物理連接上的限制，使設(shè)備互聯(lián)起來(lái)就需要采用無(wú)線通信方式。目前常用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)最流行的3個(gè)是ZigBee、藍(lán)牙(Bluetooth)和WiFi。

1 ZigBee

1.1 ZigBee簡(jiǎn)介

Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞，這一名稱(chēng)來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、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。

1.2 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)及不足

ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要包括以下幾個(gè)方面［1］：

低功耗 2節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)間，然而B(niǎo)luetooth僅能工作數(shù)周，WiFi只可工作數(shù)小時(shí)。

低成本 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本，且免收專(zhuān)利費(fèi)。

可靠 采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

網(wǎng)絡(luò)容量大 ZigBee具有大規(guī)模的組網(wǎng)能力，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)達(dá)60 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

安全保密 ZigBee提供了一套基于128位AES算法的安全類(lèi)和軟件，并集成了IEEE 802.15.4的安全元素。

工作頻段靈活 使用頻段為2.4 GHz,868 MHz及915 MHz，均為免執(zhí)照頻段。

同時(shí)ZigBee也存在著一些不足：

傳輸范圍小 在不使用功率放大器的前提下，ZigBee節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍一般為10~75 m，僅能覆蓋普通的家庭和辦公場(chǎng)所。

數(shù)據(jù)傳輸速率低 在2.4 GHz的頻段也只有250 Kb/s，而且這只是鏈路上的速率，除掉幀頭開(kāi)銷(xiāo)、信道競(jìng)爭(zhēng)、應(yīng)答和重傳，真正能被應(yīng)用所利用的速率可能不足100 Kb/s，并且這余下的速率也可能要被鄰近多個(gè)節(jié)點(diǎn)和同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)應(yīng)用所瓜分。

時(shí)延不易確定 由于ZigBee采用隨機(jī)接入MAC層，且不支持時(shí)分復(fù)用的信道接入方式，因此不能很好地支持一些實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù), 而且由于發(fā)送沖突和多跳，使得時(shí)延變成一個(gè)不易確定的因素。

1.3 ZigBee應(yīng)用項(xiàng)目

近日獲悉，赫立訊科技(北京)有限公司8年自主研發(fā)技術(shù)的ZigBee無(wú)線定位系統(tǒng)，已成功應(yīng)用在最具“人情味”的北京地鐵4號(hào)線大興線隧道工程項(xiàng)目中。本項(xiàng)目中“地鐵隧道工程安全預(yù)警系統(tǒng)”共安裝有：ZigBee工地安全基站21個(gè)和50張ZigBee人員識(shí)別卡。 開(kāi)創(chuàng)了以ZigBee物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)為核心的“地鐵隧道工程安全預(yù)警系統(tǒng)”，這是為工程和人員安全保駕護(hù)航的最新應(yīng)用。

2 藍(lán)牙(Bluetooth)

2.1 藍(lán)牙簡(jiǎn)介［2］

藍(lán)牙技術(shù)最初由愛(ài)立信創(chuàng)制。1999年5月20日，索尼愛(ài)立信、IBM、英特爾、諾基亞及東芝等業(yè)界龍頭創(chuàng)立藍(lán)牙特別興趣組，制訂藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。1998年，愛(ài)立信公司希望無(wú)線通信技術(shù)能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)而取名“藍(lán)牙”。藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)致力于在10~100 m的空間內(nèi)使所有支持該技術(shù)的移動(dòng)或非移動(dòng)設(shè)備可以方便地建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系、進(jìn)行話音和數(shù)據(jù)通信。

2.2 藍(lán)牙發(fā)展趨勢(shì)［3］

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth Special Interest Group,SIG)日前宣布正式采納藍(lán)牙規(guī)格4.0版本，并啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的認(rèn)證計(jì)劃。在3.0+HS版本標(biāo)準(zhǔn)加入高速傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，4.0版本又加入了之前諾基亞力推的Wibree低功耗傳輸技術(shù)。至此，藍(lán)牙已經(jīng)不是當(dāng)初大家熟悉的只適用于WPAN的“藍(lán)牙”了。而是集IEEE 802.15.1傳統(tǒng)藍(lán)牙，IEEE 802.11物理層和MAC層以及Wibree標(biāo)準(zhǔn)的“三合一”的藍(lán)牙。

低功耗傳輸部分作為藍(lán)牙4.0版本的重點(diǎn)，沿用了曾經(jīng)的Wibree標(biāo)準(zhǔn)。采用簡(jiǎn)單的GFSK調(diào)制，擁有極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗，使用一粒紐扣電池甚至可連續(xù)工作數(shù)年之久。毫無(wú)疑問(wèn)，新的低功耗藍(lán)牙將挑戰(zhàn)諸如ZigBee、NFC等技術(shù)，低功耗藍(lán)牙的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎啾萙igBee的星型拓?fù)浜?jiǎn)單得多，而傳輸距離又比NFC有很大優(yōu)勢(shì)，盡管是個(gè)后來(lái)者，但憑借其在手機(jī)和音頻領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，未來(lái)發(fā)展還是值得期待。

2.3 藍(lán)牙4.0(Bluetooth)版本技術(shù)細(xì)節(jié)［4］

數(shù)據(jù)傳輸：藍(lán)牙低功耗技術(shù)支持很短的資料封包，其傳輸速度高達(dá)1 Mb/s。所有連接均采用先進(jìn)的嗅探性次額定功能模式，以實(shí)現(xiàn)超低的負(fù)載循環(huán)。

延遲：藍(lán)牙低功耗技術(shù)的聯(lián)機(jī)建立僅需3 ms即可完成，同時(shí)能以應(yīng)用程序迅速啟動(dòng)鏈接器，并以數(shù)毫秒的傳輸速度完成經(jīng)認(rèn)可的數(shù)據(jù)傳遞后并立即關(guān)閉連接。

穩(wěn)定度：藍(lán)牙低功耗技術(shù)使用24位的循環(huán)重復(fù)檢環(huán)(CRC)，能確保所有封包在受干擾時(shí)的最大穩(wěn)定度。

高度安全：使用CCM的AES-128完全加密，為數(shù)據(jù)封包提供高度加密性及認(rèn)證度。

不可否認(rèn)，藍(lán)牙技術(shù)的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)一樣明顯：

數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問(wèn)題。高速跳頻使得藍(lán)牙傳輸安全性極高，同時(shí)也限制了藍(lán)牙傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)包不可能太大，哪怕是在宣傳的高保真藍(lán)牙耳機(jī)中，它的高低頻部分也是被嚴(yán)重壓縮的。

2.4 藍(lán)牙應(yīng)用

通過(guò)使用Bluetooth技術(shù)產(chǎn)品，人們可以免除居家辦公電纜纏繞的苦惱。鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、耳機(jī)和揚(yáng)聲器等均可以在PC環(huán)境中無(wú)線使用，為室內(nèi)裝飾提供了更多創(chuàng)意和自由(設(shè)想，將打印機(jī)放在壁櫥里)。此外，通過(guò)在移動(dòng)設(shè)備和家用PC之間同步聯(lián)系人和日歷信息，用戶可以隨時(shí)隨地存取最新的信息；通過(guò)無(wú)線立體聲耳機(jī)收聽(tīng)從家庭音響或其他類(lèi)似音頻設(shè)備傳送的流行音樂(lè)。

3 WiFi

3.1 WiFi技術(shù)簡(jiǎn)介

WiFi(Wireless Fidelity，無(wú)線保真技術(shù))即IEEE 802.11協(xié)議，是一種短程無(wú)線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無(wú)線電信號(hào)。WiFi的第一個(gè)版本發(fā)表于1997年，其中定義了介質(zhì)訪問(wèn)接入控制層(MAC層)和物理層。規(guī)定了無(wú)線局域網(wǎng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基本傳輸介質(zhì)，規(guī)范了物理層(PHY)和介質(zhì)訪問(wèn)層(MAC)的特性。物理層采用紅外、DSSS(直接序列擴(kuò)頻)或FSSS(調(diào)頻擴(kuò)頻)技術(shù)。1999年又增加了IEEE 802.11a和IEEE 802.11g標(biāo)準(zhǔn)。其傳輸速率最高可達(dá)54 Mb/s。能夠廣泛支持?jǐn)?shù)據(jù)、圖像、語(yǔ)音和多媒體等業(yè)務(wù)［5］。

3.2 WiFi技術(shù)優(yōu)勢(shì)

無(wú)線電波的覆蓋范圍廣 藍(lán)牙的電波覆蓋范圍很小，半徑大約只有15 m，而WiFi的半徑可達(dá)100 m,甚至可以覆蓋整棟大樓。

WiFi的傳輸速度很快，最高可達(dá)54 Mb/s，符合個(gè)人和社會(huì)信息化的需求 在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，允許用戶在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)隨地享受諸如網(wǎng)上證券、視頻點(diǎn)播(VOD)、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻會(huì)議、網(wǎng)絡(luò)游戲等一系列寬帶信息增值服務(wù)。并實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公。

健康安全 IEEE 802．11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過(guò)100 mW，實(shí)際發(fā)射功率約60~70 mW，而手機(jī)的發(fā)射功率約200 mW~1 W，手持式對(duì)講機(jī)高達(dá)5 W。與后者相比，WiFi產(chǎn)品的輻射更?。?］。

WiFi應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍 支持WiFi的電子產(chǎn)品越來(lái)越多，像手機(jī)、MP4、電腦等，基本上已經(jīng)成為了主流標(biāo)準(zhǔn)配置。

3.3 WiFi發(fā)展趨勢(shì)

不久前WiFi聯(lián)盟提出了WiFi Direct標(biāo)準(zhǔn)，正式開(kāi)始挑戰(zhàn)藍(lán)牙在WPAN領(lǐng)域的地位。WiFi在上網(wǎng)本、智能手機(jī)、電視機(jī)、機(jī)頂盒和其他設(shè)備中的采用率也不斷上升，市場(chǎng)調(diào)查公司In-Stat預(yù)計(jì)，到2013年全球?qū)⒔桓?.16億個(gè)采用WiFi互連的設(shè)備。繼藍(lán)牙成為標(biāo)配后，越來(lái)越多的手機(jī)開(kāi)始具有WiFi功能。市場(chǎng)調(diào)查公司ABI Research的數(shù)據(jù)顯示，目前的筆記本電腦中幾乎都含有WiFi。到2010年年底，用于移動(dòng)設(shè)備的“組合”芯片組的全球出貨量預(yù)計(jì)將達(dá)到2.8億套。預(yù)測(cè)到2015年，這種芯片組的出貨量將達(dá)到9.79億套。ABI Research研究分析師表示，手機(jī)是這種組合芯片組的主要市場(chǎng)，手機(jī)中應(yīng)用的組合芯片組最常見(jiàn)的組合是WiFi+GPS ［2］。

近日，博通無(wú)線連接集團(tuán)GPS業(yè)務(wù)組市場(chǎng)總監(jiān)David Murray 表示，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，博通的解決方案有更多的優(yōu)勢(shì)——除了利用衛(wèi)星信號(hào)，還通過(guò)WiFi和基站來(lái)進(jìn)行輔助定位。值得一提的是，WiFi的加入讓難以接收衛(wèi)星信號(hào)的室內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)精確定位［6］。

4 結(jié) 語(yǔ)

提到WiFi與藍(lán)牙的關(guān)系，人們往往首先想到的是競(jìng)爭(zhēng)，尤其是在WiFi推出WiFi Direct技術(shù)，兩者之間的火藥味便更濃。然而，最近博通卻帶來(lái)一則消息，其推出的最新組合模塊InConcert將WiFi與藍(lán)牙集于一體，讓兩者的關(guān)系從對(duì)立走向了互補(bǔ)。InConcert組合模塊由BCM4313(單流IEEE 802.11n)和BCM2070(Bluetooth 3.0＋HS)組成，將兩種無(wú)線連接手段集于一體。據(jù)悉，已經(jīng)有包括華碩和三星在內(nèi)的5家OEM公司決定在其新型筆記本和上網(wǎng)本中采用該模塊組合。兩種連接方式的集成將給用戶帶來(lái)更好的體驗(yàn)，用戶在使用無(wú)線連接時(shí)，不必手動(dòng)搜索以及選取連接方式，InConcert 組合模塊會(huì)自動(dòng)完成該任務(wù)，在短距離情況下，可以通過(guò)藍(lán)牙或者WiFi直連實(shí)現(xiàn)，無(wú)需網(wǎng)絡(luò)覆蓋；而如果距離稍長(zhǎng)，可以通過(guò)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行［7］。

在ZigBee和藍(lán)牙的關(guān)系上，ZigBee聯(lián)盟認(rèn)為ZigBee和藍(lán)牙是互為補(bǔ)充，而不是互相競(jìng)爭(zhēng)［7］。文獻(xiàn)［7］分析比較了藍(lán)牙和ZigBee的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，說(shuō)明將兩者相結(jié)合具有較好的發(fā)展前景。文獻(xiàn)［8］研究了兩者共存以及相互干擾的特性，證明兩者互聯(lián)工作的方案切實(shí)可行。

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文