短距離無線通信技術(shù)對(duì)比

1 概述

當(dāng)今，無線通信在人們的生活中扮演越來越重要的角色，擺脫物理連接上的限制，自由地、隨時(shí)隨地地接入網(wǎng)絡(luò)獲取信息，成為現(xiàn)代社會(huì)的一種強(qiáng)烈需求。同時(shí)低功耗、微型化是人們對(duì)當(dāng)前無線通信產(chǎn)品尤其是便攜產(chǎn)品的基本要求，因此近距離無線通信正逐漸引起越來越廣泛的注意。

短距離無線通信技術(shù)的范圍很廣，在一般意義上，只要通信收發(fā)雙方通過無線電波傳輸信息，并且傳輸距離限制在較短的范圍內(nèi)，就可以稱為短距離無線通信。

多年來，人們不斷探索形成了當(dāng)今令人眼花繚亂的短距離無線通信協(xié)議和相關(guān)產(chǎn)品。其中應(yīng)用最為廣泛和最有前途的短距離無線數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)有5種，分別是紫蜂(Zig-Bee)、無線寬帶(Wi-Fi)、藍(lán)牙(Bluetooth)、超寬帶(UWB)和近距通信(NFC)。它們基本上覆蓋了目前市面的各種應(yīng)用需求，在各自的領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。各種通信技術(shù)對(duì)比如圖1所示。

下面就這幾種主流的短距離無線通信技術(shù)做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。

2 主流無線通信技術(shù)

2.1 紫蜂

紫蜂(ZigBee)是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)該協(xié)議規(guī)定這是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說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、低成本、自組織、低功耗、低復(fù)雜度和低數(shù)據(jù)速率。主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)。ZigBee標(biāo)識(shí)及產(chǎn)品示例如圖2所示。

ZigBee的工作頻率有下面三種標(biāo)準(zhǔn):

(1)868 MHz傳輸速率為20 kb/s適用于歐洲；

(2)915 MHz傳輸速率為40 kb/s適用于美國(guó)。

(3)2.4 GHz傳輸速率為250 kb/s全球通用。

目前，國(guó)內(nèi)都在使用2.4 GHz的工作頻率，其帶寬為5 MHz，有16個(gè)信道。采用直接擴(kuò)頻(DSSS)方式的OQPSK調(diào)制技術(shù)。而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30～50 m作用距離,在室外如果障礙物少,甚至可以達(dá)到100 m作用距離。它的優(yōu)勢(shì)和不足如下文所述。

ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì):

(1)功耗低。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月以上。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

(2)成本低。因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。

(3)網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65 535個(gè)設(shè)備，也就是說每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接。

ZigBee技術(shù)的不足:

ZigBee技術(shù)本身是一種為低速通信而設(shè)計(jì)的規(guī)范，它的最高通信速度只有250 kb/s，對(duì)一些大數(shù)據(jù)量通信的場(chǎng)合它并不合適，但是這一特點(diǎn)會(huì)逐漸改變，一些廠商生產(chǎn)的ZigBee芯片目前也突破了這個(gè)限制，如CEL公司的ZICM2410，已經(jīng)達(dá)到1 MHz的傳輸速率。

ZigBee并不是用來與Wi-Fi或者Bluetooth等其他已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)，它的目標(biāo)定位于現(xiàn)存的系統(tǒng)還不能滿足其需求的特定的低功耗低速率的市場(chǎng)，它有著廣闊的應(yīng)用前景。ZigBee聯(lián)盟預(yù)言在未來的四到五年，每個(gè)家庭將擁有50個(gè)ZigBee器件，最后將達(dá)到每個(gè)家庭150個(gè)。據(jù)估計(jì)到2012年ZigBee市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到數(shù)十億美元。

2.2 無線寬帶

無線寬帶是Wi-Fi的俗稱。所謂Wi-Fi，其實(shí)就是IEEE 802.11b的別稱，它是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號(hào)。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及IEEE 802.11b、g、n等標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE 802.11這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已被統(tǒng)稱作Wi-Fi。

Wi-Fi設(shè)備工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段。目前在應(yīng)用的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要有以下三種:

(1)IEEE 802.11b:工作頻段2.4 GHz，其帶寬為83.5 MHz，有13個(gè)信道，使用DSSS(直接序列擴(kuò)頻技術(shù))，最大理論通信速率為11 Mb/s。

(2)IEEE 802.11g:工作頻段2.4 GHz，其帶寬為83.5 MHz，有13個(gè)信道，使用OFDM(正交頻分技術(shù))，最大理論通信速率為54 Mb/s。

(3)IEEE 802.11n:工作頻段2.4 GHz/5.0 GHz，其帶寬為83.5 MHz/125 MHz，有13/5個(gè)信道，使用MIMO技術(shù)(多入多出技術(shù))，最大理論通信速率為300 Mb/s。

無線寬帶通信距離一般在200 m范圍以內(nèi)。針對(duì)一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，加大通信雙方設(shè)備的輸出功率，通信距離可以超過2 km。目前，它主要應(yīng)用在無線的寬帶互聯(lián)網(wǎng)的接入，是在家里、辦公室或在旅途中上網(wǎng)的快速、便捷的途徑。Wi-Fi技術(shù)標(biāo)識(shí)及典型產(chǎn)品如圖3所示。

Wi-Fi技術(shù)有下面幾個(gè)優(yōu)勢(shì):

(1)覆蓋廣。其無線電波的覆蓋范圍廣，穿透力強(qiáng)?？梢苑浅７奖愕貫檎麠澋拇髽翘峁o線的寬帶互聯(lián)網(wǎng)的接入。

(2)速度高。Wi-Fi技術(shù)的傳輸速度非?？?，支持IEEE 802.11n協(xié)議設(shè)備的通信速度可以高達(dá)300 Mb/s，能滿足人們接入互聯(lián)網(wǎng)，瀏覽和下載各類信息的需求。

(3)門檻低。廠商只要在機(jī)場(chǎng)、車站、咖啡店、圖書館等人員較密集的地方設(shè)置“熱點(diǎn)”，支持Wi-Fi的各種設(shè)備(例如:手機(jī)、手提電腦、PDA)都可以通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)非常方便地高速接入互聯(lián)網(wǎng)。

Wi-Fi技術(shù)的不足:

Wi-Fi技術(shù)的不足是安全性不好。由于Wi-Fi設(shè)備在通信中沒有使用跳頻等技術(shù)，雖然使用了加密協(xié)議但是還是存在被破解的隱患。

2.3 藍(lán)牙

藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)，它的出現(xiàn)要?dú)w功于Bluetooth SIG。Bluetooth SIG藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟是一家貿(mào)易協(xié)會(huì)，由電信、計(jì)算機(jī)、汽車制造、工業(yè)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的領(lǐng)先廠商組成。該小組致力于推動(dòng)藍(lán)牙無線技術(shù)的發(fā)展，為短距離連接移動(dòng)設(shè)備制定低成本的無線規(guī)范，并將其推向市場(chǎng)。藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)識(shí)及典型產(chǎn)品如圖4所示。

藍(lán)牙設(shè)備工作在全球通用的2.4 GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段，設(shè)備之間的通信是以跳頻的形式進(jìn)行的，能夠?qū)崿F(xiàn)很強(qiáng)的保密性。目前，最高的通信速率2 Mb/s，通信距離一般在10 m以內(nèi)。目前，藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用在手機(jī)、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間的無線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，實(shí)現(xiàn)高效、高保密的信息交流。

Bluetooth技術(shù)的優(yōu)勢(shì):

(1)安全性高。Bluetooth設(shè)備在通信時(shí)，工作的頻率是不停地同步變化的，也就是常說的跳頻通信。通信雙方的信息很難被捕獲，更談不上被破解和惡意插入欺騙信息了。

(2)易于使用。Bluetooth技術(shù)是一項(xiàng)即時(shí)技術(shù)，它不要求固定的基礎(chǔ)設(shè)施，且易于安裝和設(shè)置。

Bluetooth技術(shù)的不足:

(1)通信速度不高。藍(lán)牙設(shè)備的通信速度較慢，目前最高只能達(dá)到2 Mb/s，有很多的應(yīng)用需求不能得到滿足。

(2)傳輸距離短。藍(lán)牙規(guī)范最初就是為近距離通信而設(shè)計(jì)的，所以它的通信距離比較短，一般不超過10 m。

3 小結(jié)

以上介紹了目前常用的幾種短距離通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)的特點(diǎn):功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，使用簡(jiǎn)單，組網(wǎng)靈活，使得ZigBee技術(shù)最適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。在接下來的講座中，將圍繞ZigBee的技術(shù)應(yīng)用方案，展開詳細(xì)論述。

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