高校短程無線通信技術(shù)分析與應(yīng)用場(chǎng)景研究

王倫生，宋傳玲

(山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103)

0 引言

自從1983年尼古拉·特斯拉發(fā)明了第一個(gè)無線電設(shè)備后，人們?cè)跓o線通信領(lǐng)域的研究從未停止。相比于有線通信，無線通信具有了更高的靈活性，使得布線復(fù)雜、維護(hù)困難等問題有了解決方案，但無線通信也有自身難以解決的問題，受電磁干擾、環(huán)境遮擋等問題制約。

無線通信技術(shù)按照不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類方法，一種分類是根據(jù)通信距離區(qū)分。長(zhǎng)距離技術(shù)注重用盡可能小的功率實(shí)現(xiàn)盡可能大的覆蓋范圍，目前在蜂窩網(wǎng)、衛(wèi)星通信等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。短距離通信技術(shù)則降低功率以實(shí)現(xiàn)頻率的復(fù)用，并配合各種擴(kuò)頻技術(shù)，盡可能大的提升通信容量。

本文將介紹三種目前較為實(shí)用的短距離通信技術(shù)，分析其技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)三種技術(shù)的實(shí)用場(chǎng)景進(jìn)行介紹。

1 短距離通信技術(shù)分析

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)底層基于IEEE 802.15.4協(xié)議，其主要的技術(shù)特征為短距離、低速率、低功耗、低成本，因此，ZigBee技術(shù)十分適合大規(guī)模部署。[1]當(dāng)前，該技術(shù)在遠(yuǎn)程工業(yè)控制、智能家居等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。ZigBee一詞源于蜜蜂傳遞信息的ZigZag型“舞蹈”，設(shè)計(jì)之初，該技術(shù)就以大規(guī)模無線自組織通信網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)，與蜂群的行動(dòng)模式接近，在中文中，該技術(shù)也被成為紫峰協(xié)議。

ZigBee技術(shù)定義了兩種設(shè)備：一種為支持所有設(shè)計(jì)功能的全功能設(shè)備(FFD)，另一種為僅保留少量功能的精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。這樣定義的優(yōu)勢(shì)在于通過區(qū)分不同的設(shè)備，可以明顯的降低大規(guī)模組網(wǎng)的成本。一般網(wǎng)絡(luò)內(nèi)分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端三種節(jié)點(diǎn)，其中，對(duì)于功能需求較低的終端節(jié)點(diǎn)可使用更為廉價(jià)的RFD設(shè)備實(shí)現(xiàn)，僅少量的路由器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)使用FFD設(shè)備。

ZigBee技術(shù)支持靈活的組網(wǎng)方式，比如網(wǎng)狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)、星形網(wǎng)，以及根據(jù)特殊需要靈活結(jié)合上述的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以極大地拓展自ZigBee通信系統(tǒng)的通信距離，通過路由協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的非終端節(jié)點(diǎn)可起到路由器的作用，轉(zhuǎn)發(fā)來自終端的數(shù)據(jù)包，以多跳通信的方式完成長(zhǎng)距離的通信，以彌補(bǔ)ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)上的不足。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(星形、網(wǎng)狀、網(wǎng)狀-樹形結(jié)構(gòu))

在全球，ZigBee技術(shù)使用了兩種不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)——868/915MHz頻段與2.4GHz頻段。在國(guó)內(nèi)，使用的是2.4GHz的免許可頻段。2.4GHz作為全球認(rèn)可的免許可頻段，有大量的設(shè)備工作于該頻段，因此十分擁擠，為解決同頻干擾問題，ZigBee技術(shù)采用了直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)。同時(shí)，另外兩個(gè)頻段也使用了相同的擴(kuò)頻技術(shù)，區(qū)別在于碼片速率。

以目前高校常用的2.4GHz設(shè)備為例，該頻段下共有16個(gè)速率為250Kbps的信道可以使用。首先將每四個(gè)物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)比特映射為一個(gè)符號(hào)，并通過32位的偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻，最后采用偏移四相移頻鍵控調(diào)制，得到調(diào)制信號(hào)送往射頻。圖為實(shí)現(xiàn)過程，其比特速率為250Kbps，符號(hào)速率為62.5Kbaud，碼片速率為2Mchip/s。

圖2 2.4GHz物理層調(diào)制流程圖

為保證無線通信的可靠性，ZigBee采用了帶有沖突避免的載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入(CSMA/CA)方式競(jìng)爭(zhēng)通信，有兩種組織方式。第一種為無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，任何設(shè)備在需要占用信道時(shí)按照CSMA/CA算法競(jìng)爭(zhēng)發(fā)送。第二種為有信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，可根據(jù)需求設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的超幀結(jié)構(gòu)，分配競(jìng)爭(zhēng)存取周期(CAP)和無競(jìng)爭(zhēng)周期(CFP)，各設(shè)備以協(xié)調(diào)器發(fā)出的信標(biāo)幀(Beacon Frame)為準(zhǔn)通信。還使用ACK機(jī)制保證正確傳輸。

1.2 Bluetooth技術(shù)

Bluetooth技術(shù)誕生之初基于IEEE 802.15.1協(xié)議，現(xiàn)如今已經(jīng)歸藍(lán)牙特別興趣小組(Bluetooth Special Interest Group)負(fù)責(zé)開發(fā)與協(xié)議制定。藍(lán)牙技術(shù)起初解決了固定設(shè)備與移動(dòng)設(shè)備的連接問題，后來更廣泛的應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備的通信，以統(tǒng)一數(shù)個(gè)丹麥部落的國(guó)王Harald Bluetooth的名字命名該技術(shù)。

藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信與微微網(wǎng)(Piconet)，可支持的設(shè)備數(shù)較少，在應(yīng)用于微微網(wǎng)時(shí)，最多可支持256個(gè)設(shè)備連接，其中最多1個(gè)主設(shè)備和7個(gè)從設(shè)備處于激活狀態(tài)。一般藍(lán)牙設(shè)備支持自動(dòng)的主從配置，且工作過程中可以自由的轉(zhuǎn)換身份。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形結(jié)構(gòu)，其中主設(shè)備可隨時(shí)與相連接的任意一個(gè)從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)(藍(lán)牙技術(shù)支持廣播，但應(yīng)用極少)，從設(shè)備只能與主設(shè)備連接，必要時(shí)通過主設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)或重新建立連接的方式與其他從節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。

圖3 藍(lán)牙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

藍(lán)牙技術(shù)使用的是2.4GHz的免許可頻段，共有最多79個(gè)1MHz的信道(藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)中為40個(gè)1MHz信道)，采用跳頻擴(kuò)頻(FHSS)技術(shù)作為抗干擾的手段，正常工作時(shí)，其跳頻頻率為1600Hz。[2]為解決與WiFi等設(shè)備同頻干擾的問題，自適應(yīng)跳頻(AFH)被提出，通過一個(gè)鏈路質(zhì)量分析器(LQA)監(jiān)聽全部信道并建立一個(gè)擁有最小干擾的信道子集以提高通信質(zhì)量。[3]

藍(lán)牙技術(shù)的通信距離一般較短，有1m、10m和100m三種標(biāo)準(zhǔn)，其發(fā)射功率一般低于4dBm，可以滿足10m內(nèi)的通信。由于藍(lán)牙技術(shù)一般為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，組網(wǎng)時(shí)也僅需要主設(shè)備發(fā)起通信，因此使用時(shí)分雙工(TDD)的方式，而無需競(jìng)爭(zhēng)接入。早期的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)采用高斯移頻鍵控(GFSK)，后期標(biāo)準(zhǔn)也支持π/4—DQPSK和8DPSK等更高階調(diào)制，以支持更高的數(shù)據(jù)速率。藍(lán)牙的高數(shù)據(jù)速率也使得該技術(shù)能承載更多的數(shù)據(jù)類型，目前藍(lán)牙已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于多媒體數(shù)據(jù)的傳輸中。[4]在此基礎(chǔ)上，對(duì)藍(lán)牙通信安全的研究也相當(dāng)廣泛。

1.3 WLAN技術(shù)

WLAN技術(shù)全稱為無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Networks)，其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)。WLAN技術(shù)使用兩種免許可頻段，現(xiàn)在市場(chǎng)上有相當(dāng)多產(chǎn)品已經(jīng)同時(shí)支持兩個(gè)頻段，使得WLAN在部署時(shí)具有很大的靈活性。

從802.11標(biāo)準(zhǔn)誕生后，各種版本的修訂方案也隨之誕生。802.11a標(biāo)準(zhǔn)定義了一種工作于5GHz頻段的物理層，其采用正交頻分多址技術(shù)(OFDM)，最大支持54Mbps的速率，同年發(fā)布的802.11b標(biāo)準(zhǔn)定義了一種工作于2.4GHz頻段的物理層，采用了直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，最大速率為11Mbps。802.11b協(xié)議與以太網(wǎng)的802.3協(xié)議兼容性很好，且原理接近，逐步成為WLAN技術(shù)的主流標(biāo)準(zhǔn)。

WLAN技術(shù)可以看做以太網(wǎng)在無線通信領(lǐng)域的擴(kuò)展，其多用星形網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過無線接入點(diǎn)(AP)與以太網(wǎng)相連。WLAN技術(shù)采用帶有沖突避免的載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入(CSMA/CA)，以保證多設(shè)備同時(shí)工作時(shí)的通信質(zhì)量。

常用的中心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其覆蓋范圍一般較大，由中心節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率決定，最大可達(dá)300m。對(duì)于需要大范圍覆蓋的場(chǎng)景，如校園無線網(wǎng)等，也可根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)選用有線或無線網(wǎng)橋設(shè)備實(shí)現(xiàn)拓展。

2 三種技術(shù)的性能比對(duì)與應(yīng)用場(chǎng)景

作為短程無線通信技術(shù)，其續(xù)航能力、覆蓋范圍、傳輸速率一般是人們關(guān)注的重點(diǎn)，以上介紹的三種通信技術(shù)各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

表1 三種技術(shù)的性能比對(duì)

根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景的需求，考慮不同技術(shù)的性能特點(diǎn)，選擇合適的技術(shù)，以下為幾種技術(shù)常用的場(chǎng)景。

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)最大的亮點(diǎn)為低功耗與低成本，因此十分適合需要大規(guī)模部署的場(chǎng)合。據(jù)測(cè)算，同樣使用兩節(jié)AA干電池供電，ZigBee設(shè)備工作時(shí)間為6～24個(gè)月，而藍(lán)牙、WiFi設(shè)備分別只能工作數(shù)周和幾個(gè)小時(shí)。[5]目前，一塊ZigBee芯片的成本僅幾元，遠(yuǎn)低于藍(lán)牙與WiFi設(shè)備。

一個(gè)成熟的應(yīng)用為傳感器網(wǎng)絡(luò)，用以采集溫濕度、光亮度等信息。在工業(yè)控制領(lǐng)域，信息的采集與傳輸一直是一個(gè)十分重要的問題，隨著現(xiàn)代加工工藝的發(fā)展，對(duì)加工環(huán)境的要求也日益嚴(yán)格，需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行全面且實(shí)時(shí)的監(jiān)控?？紤]到需要的傳感器較多，有線布網(wǎng)的難度極大，且不易維護(hù)，ZigBee技術(shù)完美的解決了這個(gè)問題。而ZigBee技術(shù)低速率的固有缺陷對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說也并不嚴(yán)重，所需發(fā)送的數(shù)據(jù)量一般較小。

2.2 多媒體數(shù)據(jù)傳輸

Bluetooth技術(shù)目前廣泛地應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中，其較低的功耗與可觀的數(shù)據(jù)速率使得Bluetooth技術(shù)仍具有廣泛應(yīng)用前景。相較于ZigBee與WLAN，Bluetooth具有長(zhǎng)時(shí)間提供短距離的多媒體數(shù)據(jù)通信能力，但受制于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和微微網(wǎng)的通信方式，Bluetooth設(shè)備無法大量的部署，只能用于解決通信中“最后一站”的問題。

Bluetooth技術(shù)目前主要應(yīng)用于多媒體數(shù)據(jù)的傳輸，由于其通信方式，以及較小的覆蓋范圍，無法承載大量的數(shù)據(jù)，更多地用于將一個(gè)設(shè)備通過藍(lán)牙與同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備相連。目前，由于大量的智能終端都攜帶藍(lán)牙芯片，因此藍(lán)牙技術(shù)在小規(guī)模組網(wǎng)中仍然是最簡(jiǎn)單的解決方案。

2.3 無線校園應(yīng)用

WLAN有較大的覆蓋能力與很強(qiáng)的數(shù)據(jù)承載能力，十分適合作為大規(guī)模部署的技術(shù)。WLAN技術(shù)基于的802.11協(xié)議與以太網(wǎng)802.3協(xié)議兼容，因此多數(shù)設(shè)備可以十分容易的兼容WLAN。

考慮到WLAN組網(wǎng)的方式，需要有一個(gè)具有足夠性能的設(shè)備作為中心節(jié)點(diǎn)，且中心節(jié)點(diǎn)的供電需求高，一般不使用電池，這意味著WLAN網(wǎng)絡(luò)不適合應(yīng)用于經(jīng)常變化的環(huán)境。但由于其組網(wǎng)方式靈活，且常見電子商品大多支持WLAN，因此可以方便的利用WLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的維護(hù)與管理也相對(duì)簡(jiǎn)單。目前，同時(shí)支持WLAN與其他通信技術(shù)的設(shè)備常作為網(wǎng)關(guān)，連接異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，這大大簡(jiǎn)化了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的連接。

3 結(jié)論

本文介紹了三種常用的短程無線通信技術(shù)，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)與適用場(chǎng)合。作為不同的技術(shù)，三者并無優(yōu)劣之分，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，靈活的選用一種或幾種技術(shù)。從目前研究發(fā)展方向看，三者也分別向著不同的方向發(fā)展，其重疊性也在進(jìn)一步下降，選擇合適的技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的首要問題。高校在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及應(yīng)用過程中，既要充分發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)，又要節(jié)約開銷，揚(yáng)長(zhǎng)避短，建設(shè)適合高校自身應(yīng)用需求的通信網(wǎng)絡(luò)。