基于近距離低功耗的無線通信接入系統(tǒng)研究

◆胡蘇瑤

無線通信與移動互聯(lián)網(wǎng)安全

基于近距離低功耗的無線通信接入系統(tǒng)研究

◆胡蘇瑤

（咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 437100）

和有線通信技術(shù)相比，無線通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多應(yīng)用環(huán)境終端移動、合理分配網(wǎng)絡(luò)資源等優(yōu)勢，但同時也存在信息數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸速度較慢、功率消耗較大以及數(shù)據(jù)信息的安全性差等問題，為了促使近距離低功率無線通信技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，本文從藍(lán)牙技術(shù)、UWB、WI-FI、藍(lán)牙功率管理四個方面進(jìn)行探究，解決無線通信系統(tǒng)在最后1公里范圍內(nèi)網(wǎng)點接入與信號覆蓋問題。

近距離；低功耗；無線通信；接入系統(tǒng)

1 引言

近距離低功率通信通常是指數(shù)據(jù)傳輸距離在100米以內(nèi)，同時功耗在100W以內(nèi)的傳輸，這類通信能夠很好彌補(bǔ)無線通信系統(tǒng)在最后1公里范圍內(nèi)的網(wǎng)點接入以及信號覆蓋問題。和無線通信相對立的是有線通信，但其無法在多個應(yīng)用環(huán)境中實現(xiàn)終端的移動性，并且不能夠很好進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的分配與調(diào)度，因此，無線通信就能夠很好的彌補(bǔ)這些問題。然而無線通信系統(tǒng)也會面臨信息數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸速度較慢、功率消耗較大以及直接裸露在空中數(shù)據(jù)信息的安全性問題等[1]。通常情況下，近距離低功耗無線通信接入技術(shù)是基于物理層以及MAC層來實現(xiàn)的，為了進(jìn)一步提高無線通信接入質(zhì)量，改善無線通信過程中存在的問題，本文重點進(jìn)行近距離低功耗的無線通信接入系統(tǒng)進(jìn)行探究，促使無線通信接入系統(tǒng)能夠獲得更好的發(fā)展。

2 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)是近距離無線通信技術(shù)得以實現(xiàn)的重要組成部分，是近距離有線傳輸?shù)膮f(xié)助設(shè)施，也能夠充當(dāng)與其余網(wǎng)絡(luò)、Ad hoc分布式網(wǎng)絡(luò)連接的媒介[2]。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備連接上電源以后，設(shè)備內(nèi)部的偵聽主設(shè)備就會開始工作并執(zhí)行預(yù)設(shè)的程序，假如此時主設(shè)備全面獲取了相關(guān)設(shè)備的通訊地址，此時主設(shè)備就會依照程序命令向相關(guān)設(shè)備發(fā)送連接指令，相關(guān)設(shè)備在接收到此指令后會做出判斷和認(rèn)定，在雙方設(shè)備同意后，逐步完成跳幀序列一致工作，最終完成認(rèn)知與連接，實現(xiàn)正常通信功能[3]。當(dāng)主設(shè)備沒有與任何相關(guān)設(shè)備進(jìn)行配對與認(rèn)證，這種情況下主設(shè)備會自動轉(zhuǎn)化到帶寬以及低功率方式。

通常情況下，藍(lán)牙主要取代近距離信息傳輸中的電纜，額定傳輸功率的EIRP為28～95mW，藍(lán)牙2.4GHz實際處于2.4～2.4797GHz范圍內(nèi)，所對應(yīng)的頻段為788MHz，設(shè)置寬信道為0.8MHz，傳輸速率為1Mb/s，調(diào)頻擴(kuò)頻模式為GFSK，從而更好防范窄帶產(chǎn)生的干擾。藍(lán)牙和IEEE 802.11g均使用2.4GHz頻帶，通過自適應(yīng)頻率變更圖案方式來避免干擾[4]。

藍(lán)牙明確規(guī)范了無線接口以及能夠和相關(guān)設(shè)施進(jìn)行連接并進(jìn)行業(yè)務(wù)往來的通信棧，其具體工作流程如圖1所示。從圖中可以看出來，連接管理層主要承擔(dān)鏈接組織形式、對接、QoS、功率大小以及數(shù)據(jù)格式等任務(wù)?？刂茖觿t重點為鏈接管理層準(zhǔn)備命令接口，同時也要為硬設(shè)施準(zhǔn)備需要的接口。

圖1 藍(lán)牙通信棧工作流程示意圖

3 UWB

和標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)波無線電技術(shù)不同的是，UWB可以基于較窄脈沖序列實現(xiàn)龐大信息的編碼工作，與此同時還可以在相對較低功率譜上完成寬頻信息數(shù)據(jù)的輸送。UWB技術(shù)能夠很好使用到無線自組織網(wǎng)絡(luò)上，并與無線射頻識別技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等完美融入。本文以研究近距離低功耗無線通信為重點，將UWB應(yīng)用到其中具有重大意義。

首先，能夠?qū)崿F(xiàn)高容量。當(dāng)信號能力發(fā)散到寬頻頻譜上面時，會產(chǎn)生明顯的白噪聲功率譜，從而可以改善信道形態(tài)，有效增加信道的容量。其次，避免出現(xiàn)低衰落現(xiàn)象，同時提高抗干擾水平。當(dāng)數(shù)據(jù)信息傳輸形式為窄脈沖時，在處于多徑通道重視其分辨率通常處于1ns級別，從而能夠很好避免出現(xiàn)多徑衰落現(xiàn)象。眾所周知，通信抗干擾水平隨著信號帶寬的增加而同步增強(qiáng)，所以，增加信號寬度能夠有效提高抗干擾水平[5]。最后，時間以及頻率分集。UWB脈沖有效時間極窄，導(dǎo)致在相鄰脈沖中間存在一定的離散間隙，RAKE接收機(jī)能夠輕而易舉將各種方式到達(dá)的UWB脈沖信號統(tǒng)一起來，從而降低信號檢測的難度。

然而，UWB運行過程中需要使用非常寬的帶寬，當(dāng)和各種不同的通信系統(tǒng)共同使用同一頻道時，就會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的干擾問題，同時還不能夠和其他系統(tǒng)進(jìn)行兼容?；赨WB管理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造，是建立在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的，通過其中的P2P通信功能實現(xiàn)自組織統(tǒng)一控制體系[6]。整個體系中涵蓋了大量的微微網(wǎng)，同時相互獨立的微微網(wǎng)會隨機(jī)關(guān)聯(lián)一個主站以及若干個副站，并對其實施控制與管理。UWB統(tǒng)一管理的網(wǎng)絡(luò)有一個Hub以及數(shù)量不一的子站，如圖2所示為UWB無線總線與IEEE1934骨干網(wǎng)相連示意圖。

圖2 UWB無線總線與IEEE1934骨干網(wǎng)相連示意圖

4 WI-FI

WI-FI具有兩種不同的接入形式，分別是分布協(xié)調(diào)形式以及點協(xié)調(diào)形式。最基本的單一基礎(chǔ)業(yè)務(wù)集通常涵蓋了兩個以上的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌讓訕I(yè)務(wù)集是拓展業(yè)務(wù)集的輔佐網(wǎng)絡(luò)。在恒定不變的通信基層中，延伸業(yè)務(wù)集是基于分布系統(tǒng)形成的底層業(yè)務(wù)集。圖3為WI-FI網(wǎng)絡(luò)主要構(gòu)成元素。將各個分布系統(tǒng)的基站設(shè)定為接入口，并按照IEEE 725 22f標(biāo)準(zhǔn)制定相應(yīng)的接入?yún)f(xié)議。眾所周知，基站在正常工作過程中，需要負(fù)責(zé)兩方面的業(yè)務(wù)，分別是基站業(yè)務(wù)以及分布系統(tǒng)業(yè)務(wù)，其中分布系統(tǒng)業(yè)務(wù)可以實現(xiàn)各個業(yè)務(wù)集上的信息數(shù)據(jù)在不同的基站上傳輸，與此同時，IEEE 725 22f需要承擔(dān)網(wǎng)橋連接Wi-Wf與IEEE 725 22.x LAN的相互連接工作。

圖3 WI-FI網(wǎng)絡(luò)主要構(gòu)成元素

5 藍(lán)牙功率管理

藍(lán)牙功率管理具有多種形式，主要表現(xiàn)為只有時鐘工作但是沒有信息交互的輔助形式以及終端設(shè)施與微微網(wǎng)主機(jī)保持聯(lián)系的信息交互方式。鏈接也有多種不同類型的狀態(tài)[7]：首先是啟動狀態(tài)，和微微網(wǎng)保持連接的設(shè)施保持主動形式；其次是偵聽狀態(tài)，降低設(shè)施內(nèi)部功率損耗，以非常低的功率消耗保持偵聽形態(tài)；再次是保持狀態(tài)，在這種模式下，相關(guān)設(shè)施的ACL會在規(guī)定期限內(nèi)被攔截；最后是等待狀態(tài)，相關(guān)設(shè)施繼續(xù)與微微網(wǎng)保持穩(wěn)定的連接關(guān)系，但是不包含在微微網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成中，這種狀態(tài)僅產(chǎn)生極低的功率消耗。

6 結(jié)語

綜上所述，加強(qiáng)近距離低功耗的無線通信接入系統(tǒng)研究具有十分重要的意義，能夠有效彌補(bǔ)目前我國無線通信技術(shù)存在的問題，推動近距離低功耗無線通信接入系統(tǒng)的研發(fā)，為無線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供技術(shù)支持。

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