无线通信技术.doc

1、无线通信技术一、概述无限远k mk mmmmm传感器服务器物联网（The Internet of things）的定义是：通 过射频识别（RFID ）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与 互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、 监控和管理的一种网 络。物联网的概念是在 1999 年提出的。物联网就是“物物相连的互 联网” 。这有两层意思：第一，物联 网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通讯。由于物的分散性和动态性，物与网的连接必然不可

2、避免的大量使用无线通信技术，所以无线通信技术是物联网落的一个核心技术。无线通信技术根据传输距离大致可分为近距无线通信、短距无线通信以及中长距无线通信。目前的无线通信技术多样，使用的通信协议不统一，可以说是物联网发展的一个瓶颈，研发一种无线模块即可以兼容目前各种成熟无线通信协议，又可以灵活组网，实现物联功能将是今后的一个主流技术方向。m传感器服务器中距近距短距远距二、目前的无线通信技术介绍1、近距离无线通信技术NFC 是 Near Field Communication 缩写，即近距离无线通讯技术。由飞利浦公司和索尼公司共同开发的 NFC 是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子

3、产品、PC 和智能控件工具间进行近距离无线通信。NFC 提供了一种简单、触控式的解决方案，可以让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务。 NFC 将非接触读卡器、非接触卡和点对点（ Peer-to-Peer）功能整合进一块单芯片，为消费者的生活方式开创了不计其数的全新机遇。这是一个开放接口平台，可以对无线网络进行快速、主动设置，也是虚拟连接器，服务于现有蜂窝状网络、蓝牙和无线 802.11 设备。与 RFID 一 样，NFC 信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，但两者之间还是存在很大的区别。首先，NFC 是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术，其传输范围比 RFID

4、小，RFID 的传输范围 可以达到几米、甚至几十米，但由于 NFC 采取了独特的信号衰减技术，相对于 RFID 来说 NFC 具有距离近、带宽高、能耗低等特点。 其次，NFC 与现有非接触智能卡技术兼容，目前已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。再次，NFC 还是一种近距离连接协议，提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。与无线世界中的其他连接方式相比，NFC 是一种近距离的私密通信方式。最后，RFID 更多的被 应用在生产、物流、跟踪、资产管理上，而NFC 则 在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。 同时，NFC 还优于红外和蓝牙传输方式。作为一种面向消费者的交易机制，N

5、FC 比红外更快、更可靠而且简单得多。与蓝牙相比，NFC 面向近距离交易，适用于交 换财务信息或敏感的个人信息等重要数据；蓝牙能够弥补 NFC 通信距离不足的缺点，适用于较长距离数据通信。因此，NFC 和蓝牙互为补充，共同存在。事实上，快捷轻型的 NFC 协议可以用于引 导两台设备之间的 蓝牙配对过程，促进了蓝牙的使用。 NFC 手机内置 NFC 芯片，组成 RFID 模块的一部分，可以当作RFID 无源标签 使用 用来支付费用；也可以当作 RFID 读写器用作数据交换与采集。NFC 技术支持多种应用，包括移动支付与交易、对 等式通信及移动中信息访问等。通过 NFC 手机，人们可以在任何地点、

6、任何时间，通过任何设备，与他们希望得到的娱乐服务与交易联系在一起，从而完成付款，获取海报信息等。NFC 设备可以用作非接触式智能卡、智能卡的读写器终端以及设备对设备的数据传输链路，其 应用主要可分为以下四个基本类型：用于付款和购票、用于电子票证、用于智能媒体以及用于交换、传输数据。2、短距离无线通信技术：一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息且传输距离限制在较短范围(几十米)以内，就可称为短距离无线通信。关于短距离无线数据通信，目前最为成熟的三个标准是 IrDA、蓝牙(Bluetooth)和 802.11(Wi-Fi)，已经成为历史。RFID 和 UWB 是比较新的技术。IrDA 这

7、是利用 红外线进 行点到点视距传输的技术，它是在1993 年由红外线数据标准协会制订的。目前 IrDA 的传送速率最高为 16Mbps，接收角度 120 度。 红外传输设备 体积小，功耗低，技 术成熟，进入市 场早，价格便宜， 应用广泛。但 IrDA 的最大缺点是只能进行视距传输，即通信设备中间不能存在阻挡物，从而把 IrDA 应用限制在特定领域之内。IrDA 的不足在于它是一种视距传输，2 个相互通信的 设备之间必须对准，中 间不能被其他物体阻隔，因而只适用于 2 台( 非多台)设备之间的连接。 蓝牙（Bluetooth）技术。1998 年 5 月， 东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚

8、共同提出该技术标准。它能够在 10 米的半径范围内实现单点对多点的无线数据和声音传输，数据传输带宽可达1Mbps。Bluetooth 工作在全球开放的 2.4GHzISM 频段，使用跳频频谱扩展技术，通信介质为 2.402GHz 到 2.480GHz 的电磁波。一台Bluetooth 设备可同时 与七台 Bluetooth 设备 建立连接，在有效范 围内可越过障碍物进行连接，没有特别的通信视角和方向要求。此外，Bluetooth 还具备功耗低、通信安全性好、支持语音传输、组网简单等特点。 蓝牙技术可以支持数据和语音传输，最高速率为 1Mbps，其作用范围视微波发射功率而定：0dbm 的功率的作

9、用距离为 10 米，20dbm 的功率作用距离为 100 米。与 802.11 系列局域网的组网方式不同，蓝牙技术支持一种灵活的组网方式。即通过无线方式将若干蓝牙设备组织成微微网（pico net），多个微微网之间又可以互连成为分散网（Scatternet）。Bluetooth 产品涉及 PC、笔记本、移动电话等信息设备和 A/V 设备、汽车电子、家用 电器和工业设备领域。尤其是个人局域网应用，包括无绳电话、PDA 与计算机的互联、笔记本电脑与手机的互联以及无线 RS232，RS485 接口等。 但 Bluetooth 同时存在植入成本高、通信对象少、通信速率较低和技术不够成熟的问题，它的发展

10、与普及尚需经过市场的磨炼，其自身的技术也有待于不断完善和提高。 802.11Wi-Fi(Wireless Fidelity)即无线保真技术是另一种目前流行的技术。它使用的是 2.4GHz 附近的频段。Wi-Fi 基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g 和 IEEE802.11n。不仅传输的有效距离很长，而且速率还高达上百兆，与各种 802.11DSSS 设备兼容。目前最新的交换机能把 Wi-Fi 无线网络从接近 100 米的通信距离扩大到约 6.5 公里。另外，使用 Wi-Fi 的门槛较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆 等人员较密集的地方设置“ 热点

11、”，并通过高速线路即可接入因特网。目前最为常见的是 802.11b 无线局域网，它使用开放的 2.4GHZ微波频段，最高速率为 11Mbps；在恶劣环境下，可动态切换到较低的速率上以保证通信。在办公环境下作用范围约 100 米，在室外可以达到 300 米。另一种 802.11a 无线局域网工作在 5G 的频段上，速率可达到 54Mbps，但 设备 昂贵， 应用较少。Wi-Fi 未来最具潜力的 应用将主要在 SOHO、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。凭借这些优点，Wi-Fi 已成为目前最为流行的笔记本电脑技术而大受青睐。 目前， IEEE802.11 标准的发展呈多元化 趋势，但几种

12、标准仍然存在一些亟须解决的问题。包括厂商间的互操作性和备受关注的安全性问题。相信不远的将来，一个经济、高效、安全的无线标准会出现在我们的眼前。 HomeRF 技术 这是由 HomeRF 工作组开发的，目标是在家庭范围内，实现计算机与其他设备间的无线通信，HomeRF 是IEEE802.11 与 DECT 的结合，作用距离为 100 米， 传输速率为12Mbps，支持流媒体传输，在抗干 扰能力上略有不足。然而HomeRF 技 术没有公开，目前仅有为数很少的企业支持，因此应用前景并不广泛。RFID(Radio Frequency Identification)，即射频识别，俗称电子标签。它是一种非

13、接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID 由标签( Tag)、解 读器(Reader) 和天线(Antenna)三个基本要素组成。其基本工作原理并不复杂，标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag ，无源 标签或被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag，有源 标签 或主动标签) 。解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。RFID 可被广泛 应用于安全防伪、工商业自动化、财产保护、物流业、 车辆跟踪、停车场 和高速公路的不停车收费系统等。从行业上讲，RF

14、ID 将渗透到包括汽车、医药、食品、交通运输、能源、 军工、动物管理以及人事管理等各个领域。然而，由于成本、标准等问题的局限，RFID 技术和 应用环境 还很不成熟。主要表现在：制造技术较为复杂，智能标签的生产成本相对过高；标准尚未统一，最大的市场尚无法启动；应用环境和解决方案还不够成熟，安全性将接受很大考验。RFID 系统大体分 为中低频段和高频段两类，典型的工作频率为135HZ 以下、13.56MHZ、433MHZ、860MHZ960MHZ 、2.45GHZ和 5.8GHZ 等。不同频率 RFID 系统的工作距离不同，应用的领域也有差异。低频段的 RFID 技术主要应用于动物识别、工厂数据

15、自动采集系统等领域；13.56MHZ 的 RFID 技术已相 对成熟，并且大部分以IC 卡的形式广泛应用于智能交通、门禁、防伪等多个领域，工作距离小于 1。较 高频段的 433MHZRFID 技术则 被美国国防部用于物流托盘追踪管理；而在 RFID 技术中，当前研究和推广的重点是高频段的 860MHZ960MHZ 的远距离电子标签，有效工作距离达到36，适用于 对物流、供应链的环节进行管理；2.45GHZ 和5.8GHZRFID 技术以有源 电子标签的形式应用在集装箱管理、公路收费等领域。UWB(Ultra Wideband)即超宽带技术。UWB 起源于 20 世纪 50年代末，此前主要作为军

16、事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并备受关注。 UWB 可提供高速率的无线通信，保密性很强，发射功率谱密度非常低，被检测到的概率也很低，在军事通信上有很大的应用前景。此外 UWB 通信采用调时序列，能够抗多径衰落，因此特 别适合高速移动环境下使用。更重要的是，UWB 通信又被称 为是无载波的基带通信，几乎是全数字通信系统，所需要的射频和微波器件很少，因此可以减小系统的复杂性，降低成本。 与当前流行的短距离无线通信技术相比，UWB 具有巨大的数据传输速率优势，在无线通信方面的创新性和利益性已引起了全球业界的关注。可以

17、说，低成本、低功耗、高速率、简单有效的 UWB 通信正是人类所期望的梦幻般的无线通信方式。 当然，UWB 技术也存在自身的弱点。主要是占用的 带宽过大，可能会干扰其他无线通信系统，因此其频率许可问题一直在争论之中。另外，有学者认为，尽管 UWB 系统发射的平均功率很低，但由于其脉冲持续时间很短，瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作。但是学术界的种种争论并不影响 UWB 的开发和使用， 2002 年 2 月美国通信协会(FCC) 批准了 UWB 用于短距离无线通信的申请。 IEEE802.15.4/ZIGBEE，ZIGBEE 是一种低速短距离无 线通信技术。它的出 发点

18、是希望发展一种拓展性强、易建的低成本无线网络，强调低耗电、双向传输和感应功能等特色。ZIGBEE和 MAC 层由 IEEE802.15.4 标准定义。IEEE802.15.4是作为 802.15.4 的一个补充，其物理层的标准可能采用低速 UWB 技 术。通讯距离从标准的 75m 到几百米、几公里，并且支持无限 扩展。Zigbee 是 IEEE 802.15.4 协议的代名词。根据 这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈” 来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。 简而言之，ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。