短距離無(wú)線通信技術(shù)對(duì)比及其應(yīng)用研究

楊靜

摘要：短距離通信技術(shù)已成為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系的主要通信技術(shù)，其發(fā)展迅速且應(yīng)用范圍正不斷擴(kuò)大。文章簡(jiǎn)單闡述了短距離無(wú)線通信技術(shù)的概念及特征，介紹了UWB，Bluetooth及ZigBee等短距離無(wú)線通信技術(shù)，對(duì)比了不同短距離無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域，最后探討了短距離無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信技術(shù)；短距離；ZigBee

近些年來(lái)，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種便攜式通訊設(shè)備及家用電器越來(lái)越多，人們也越來(lái)越希望能有一種可使各電子產(chǎn)品與其他設(shè)備進(jìn)行信息交互的產(chǎn)品。由此，短距離無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。短距離無(wú)線通信技術(shù)打破了時(shí)間及空間的限制，可實(shí)現(xiàn)任意時(shí)間、任意地點(diǎn)與任意人進(jìn)行通信，有效促進(jìn)了通訊行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，對(duì)短距離無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行對(duì)比研究有著十分重大的實(shí)際意義。

1 短距離無(wú)線通信技術(shù)

1.1 短距離無(wú)線通信技術(shù)概念

短距離無(wú)線通信，即通信范圍不超過(guò)100米的無(wú)線通信。短距離無(wú)線通信技術(shù)集半導(dǎo)體連接傳輸技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電子技術(shù)及無(wú)線通信技術(shù)于一體而形成了一種數(shù)據(jù)數(shù)碼型通信技術(shù)。短距離無(wú)線通信的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可超過(guò)100Mbit/s，被稱作高速短距離無(wú)線通信技術(shù)。另有低速短距離無(wú)線通信技術(shù)，其數(shù)據(jù)傳輸速率不超過(guò)1Mbit/s。隨著局域網(wǎng)的發(fā)展和普及，短距離無(wú)線通信技術(shù)也呈現(xiàn)出多元化及多樣化的特征，現(xiàn)使用較多且較為普及的短距離無(wú)線通信技術(shù)主要有IrDA，Bluetooth，ZigBee，UWB等，這些技術(shù)支撐著短距離無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展。

1.2 短距離無(wú)線通信技術(shù)特征

近些年來(lái)，短距離無(wú)線通信技術(shù)更是走進(jìn)了人們的日常生活，為人們的生活提供了更加方便、快捷的通信方式，并逐步成為人類社會(huì)的主要通信方式。短距離無(wú)線通信技術(shù)的特征主要體現(xiàn)在以下方面：

第一，就字面意思而言，短距離無(wú)線通信技術(shù)是利用2個(gè)電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的短距離傳輸，因此其并不需要利用線路設(shè)備來(lái)連接各電子設(shè)備，應(yīng)用起來(lái)相對(duì)方便快捷。

第二，短距離無(wú)線通信技術(shù)可利用對(duì)數(shù)據(jù)傳輸范圍、傳輸距離及帶寬的控制以控制通信技術(shù)的成本，從而滿足各階層用戶的不同需求。

第三，短距離無(wú)線通信技術(shù)擁有加密功能，可在使用的過(guò)程當(dāng)中實(shí)現(xiàn)用戶信息加密處理，從而有效保護(hù)用戶的私密信息，進(jìn)而提高信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

雖然短距離通信技術(shù)具有以上多種特征和優(yōu)勢(shì)，但以上特征是將短距離無(wú)線通信技術(shù)的主要技術(shù)進(jìn)行綜合后所總結(jié)的特征，受技術(shù)研究限制，現(xiàn)還未發(fā)現(xiàn)有哪種單獨(dú)的無(wú)線通信技術(shù)同時(shí)擁有以上所有特征。

2 幾種主要的短距離無(wú)線通信技術(shù)

2.1 UWB技術(shù)

UWB技術(shù)，全稱“Ultra Wide Band"，即超寬帶技術(shù)。根據(jù)FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）的相關(guān)規(guī)定，UWB通信系統(tǒng)所使用的頻段為3.1～10.6GHz。在不超過(guò)10m的范圍，UWB技術(shù)的信息傳輸速率可達(dá)500Mb/s以上。UWB技術(shù)的功率非常小，一般來(lái)說(shuō)，其功率通常為20mW，頻譜范圍可達(dá)7.5GHz，速率最高超過(guò)500Mbit/s。另UWB技術(shù)可直接調(diào)制沖擊脈，從而有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無(wú)線通信技術(shù)需將信號(hào)傳輸至基帶再實(shí)現(xiàn)載波調(diào)節(jié)的不足，因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，利用UWB技術(shù)所建立的無(wú)線通信技術(shù)擁有強(qiáng)大的帶寬。通常情況下，利用UWB技術(shù)所建立的系統(tǒng)其帶寬最高可達(dá)2GHz，甚至更寬。UWB技術(shù)的工作原理主要是利用對(duì)應(yīng)時(shí)間發(fā)射低功率沖擊脈而完成的，因此uWB技術(shù)受外界干擾較少，信號(hào)相對(duì)清晰。

UWB技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要是傳輸速度快、強(qiáng)保密性和兼容性、可準(zhǔn)確定位、功耗低、體積小，且其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，非常適用于短距離通信。

2.2 Bluetooth4k術(shù)

Bluetooth，即藍(lán)牙，Bluetooth技術(shù)源于1994年的愛(ài)立信公司。通常情況下，Bluetooth技術(shù)的接收范圍不超過(guò)10m，但經(jīng)過(guò)改造之后，其傳輸范圍可擴(kuò)至100m，從而形成一個(gè)臨時(shí)的對(duì)等連接。Bluetooth技術(shù)的應(yīng)用主要是利用內(nèi)部一塊8X8mm2的芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)短距離射頻連接。一般來(lái)說(shuō)，其頻段可達(dá)2.4GHz。Bluetooth技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中主要由一個(gè)主設(shè)備及多個(gè)從設(shè)備共同組成。Bluetooth技術(shù)的組網(wǎng)方式主要有兩種：一種是微微網(wǎng)，另一種是散射網(wǎng)。其中微微網(wǎng)是Bluetooth技術(shù)的最基本信息網(wǎng)絡(luò)形式。在微微網(wǎng)當(dāng)中，各個(gè)設(shè)備都可通過(guò)所連接的藍(lán)牙設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)主信道的共享，但微微網(wǎng)當(dāng)中最多可有7個(gè)設(shè)備與一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備相連接。而散射網(wǎng)則是由多個(gè)微微網(wǎng)共同組成。散射網(wǎng)當(dāng)中的藍(lán)牙設(shè)備既可以是某個(gè)微微網(wǎng)的主設(shè)備，同時(shí)也可以是另一個(gè)微微網(wǎng)的從設(shè)備，因此根據(jù)不同的跳頻序列，每個(gè)微微網(wǎng)都可獨(dú)立出來(lái)，而依照時(shí)間順序，每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都可參與不同的微微網(wǎng)。

Bluetooth技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要是成本低、功率低。雖然Bluetooth技術(shù)只能使用2.4GHz這一單一頻段，但其仍可實(shí)現(xiàn)較大功能，利用Bluetooth技術(shù)可實(shí)現(xiàn)音頻及數(shù)據(jù)的同時(shí)傳輸，且其抗干擾能力非常強(qiáng)。

2.3 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)協(xié)議，其功耗大小較低。ZigBee技術(shù)的原理源于蜜蜂的‘‘八字舞”，蜜蜂在采蜜時(shí)通過(guò)飛翔和翅膀抖動(dòng)將所得到的花粉信息傳遞給同伴，ZigBee技術(shù)就是依照這一原理而形成的，因此ZigBee技術(shù)也被稱為“紫蜂協(xié)議”。ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)的傳輸速率雖然較低，但其反應(yīng)速度非常陜，通常只需幾毫秒便可迅速將設(shè)備自休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。另其安裝、維修成本較低，且功率低、時(shí)延短，具有高網(wǎng)絡(luò)容量及安全性，此外穩(wěn)定性也比較高。因此，總體來(lái)說(shuō)，相對(duì)其他短距離無(wú)線通信技術(shù)而言，ZigBee技術(shù)是一種較為便宜的通訊技術(shù)。

ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)是傳輸速率低，通常保持在20～25kb/s，功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大而成本低。據(jù)相關(guān)研究表明，每一個(gè)ZigBee設(shè)備與其他設(shè)備相連接的個(gè)數(shù)最高可達(dá)254，從而使得每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最高可擁有255個(gè)節(jié)點(diǎn)，另其覆蓋范圍可達(dá)10～75m，普通家庭或辦公環(huán)境都可利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。此外，ZigBee技術(shù)所使用的頻段相對(duì)靈活，其不但可利用2.4GHz這一全球通用頻段，而且還可使用歐洲的868GHz頻段及美國(guó)的915MHz頻段。

3 各種短距離無(wú)線通信技術(shù)的比較

UWB技術(shù)、Bluetooth技術(shù)及ZigBee技術(shù)是目前使用較為普遍的短距離無(wú)線通信技術(shù)，三者的空間容量具體如表1所示。

由表1可以看出，UWB技術(shù)的空間容量相對(duì)較大，其可實(shí)現(xiàn)短距離超高速信息傳輸，從而取代現(xiàn)有的有線通信技術(shù)，如雙絞線及光纖。Bluetooth技術(shù)的空間容量最小。就Bluetooth技術(shù)協(xié)議而言，因相鄰微微網(wǎng)可相互聯(lián)系而形成散射網(wǎng)，因此從理論上來(lái)說(shuō)，利用Bluetooth技術(shù)所組成的微微網(wǎng)無(wú)個(gè)數(shù)限制，但受微微網(wǎng)組網(wǎng)方式和內(nèi)部寬帶寬度限制，實(shí)際上，微微網(wǎng)的個(gè)數(shù)是有一定限制的，因此，Bluetooth技術(shù)只能應(yīng)于PAN范圍內(nèi)，其傳輸速度相對(duì)較低。ZigBee技術(shù)的空間容量在三者當(dāng)中相對(duì)居中。

4 短距離無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用

短距離無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越多，在各行各業(yè)基本都可見(jiàn)到短距離無(wú)線通信技術(shù)的身影。由于不同短距離無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)有所不同，因此其重點(diǎn)應(yīng)用范圍也有所不同。

UWB技術(shù)的傳輸速率高，同時(shí)還可精確測(cè)距，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，并具有成像等無(wú)線探測(cè)技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中為信息的交互提供了更多的便利。UWB技術(shù)最初主要應(yīng)用于軍事方面，隨著短距離無(wú)線通信技術(shù)的不斷普及，UWB技術(shù)的應(yīng)用逐步拓展至民用領(lǐng)域，且為民用領(lǐng)域創(chuàng)造了良好的商業(yè)價(jià)值。UWB技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：軍事領(lǐng)域、工程探測(cè)與救援、短距離高速無(wú)線多媒體智能網(wǎng)絡(luò)、智能交通系統(tǒng)、傳感網(wǎng)絡(luò)和智能環(huán)境等。UWB技術(shù)的帶寬高、功耗低，且可共存于多種應(yīng)用程序，是一種具有廣闊發(fā)展前景的短距離無(wú)線通信技術(shù)。

Bluetooth技術(shù)的體積小、功耗低，且可與各種移動(dòng)設(shè)備及便攜式設(shè)備相互集成，實(shí)現(xiàn)各通信設(shè)備的短距離連接。但因其傳輸速率及傳輸距離的限制，所以其應(yīng)用范圍也存在一定局限性。Bluetooth技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域有：家用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)辦公、會(huì)議聯(lián)網(wǎng)、個(gè)人局域網(wǎng)、Internet接入服務(wù)及移動(dòng)電子商務(wù)等。

ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域其傳輸速率相對(duì)較低，主要有智能家居、工業(yè)及環(huán)境控制、醫(yī)療看護(hù)等，具體有家庭安全智能控制、工業(yè)控制、煙霧探測(cè)、農(nóng)業(yè)信息采集和傳輸、醫(yī)療監(jiān)測(cè)與治療等。

5 結(jié)語(yǔ)

文章主要介紹了UWB，Bluetooth及ZigBee等短距離無(wú)線通信技術(shù)，不同短距離無(wú)線通信技術(shù)有其各自的優(yōu)勢(shì)，且其應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。但不管是哪種短距離無(wú)線通信技術(shù)，其都有著廣闊的發(fā)展空間。相信隨著通信技術(shù)及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，短距離無(wú)線通信技術(shù)將為社會(huì)的發(fā)展帶來(lái)更多便利，為人們的生產(chǎn)及生活提供更多便利。