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摘要:短距離無線通信一直是行業研究的熱點，與有線通信系統不同，無線通信系統在功耗、抗干擾能力等技術指標上的要求更高。對于一個實用的無線通信技術，其主要要求是功耗、數據速率、通信距離、系統可靠性等，隨應用場景不同，發展出了幾種不同的無線通信技術。
關鍵詞:短距離;無線;ZigBeeBluetooth;WLAN通信
0引言
自從1983年尼古拉•特斯拉發明了第一個無線電設備后，人們在無線通信領域的研究從未停止。相比于有線通信，無線通信具有了更高的靈活性，使得布線復雜、維護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、環境遮擋等問題制約。無線通信技術按照不同的標準有不同的分類方法，一種分類是根據通信距離區分。長距離技術注重用盡可能小的功率實現盡可能大的覆蓋范圍，目前在蜂窩網、衛星通信等領域應用廣泛。短距離通信技術則降低功率以實現頻率的復用，并配合各種擴頻技術，盡可能大的提升通信容量。本文將介紹三種目前較為實用的短距離通信技術，分析其技術優缺點，并對三種技術的實用場景進行介紹。
1短距離通信技術分析
1．1ZigBee技術
ZigBee技術底層基于IEEE802．15．4協議，其主要的技術特征為短距離、低速率、低功耗、低成本，因此，ZigBee技術十分適合大規模部署。［1］當前，該技術在遠程工業控制、智能家居等領域有著廣泛的應用。ZigBee一詞源于蜜蜂傳遞信息的ZigZag型“舞蹈”，設計之初，該技術就以大規模無線自組織通信網絡為目標，與蜂群的行動模式接近，在中文中，該技術也被成為紫峰協議。ZigBee技術定義了兩種設備:一種為支持所有設計功能的全功能設備(FFD)，另一種為僅保留少量功能的精簡功能設備(RFD)。這樣定義的優勢在于通過區分不同的設備，可以明顯的降低大規模組網的成本。一般網絡內分為協調器、路由器和終端三種節點，其中，對于功能需求較低的終端節點可使用更為廉價的RFD設備實現，僅少量的路由器節點與協調器節點使用FFD設備。ZigBee技術支持靈活的組網方式，比如網狀網、樹狀網、星形網，以及根據特殊需要靈活結合上述的網絡結構。復雜的網絡拓撲結構可以極大地拓展自ZigBee通信系統的通信距離，通過路由協議，網絡內的非終端節點可起到路由器的作用，轉發來自終端的數據包，以多跳通信的方式完成長距離的通信，以彌補ZigBee技術設計上的不足。在全球，ZigBee技術使用了兩種不同的物理層標準———868/915MHz頻段與2．4GHz頻段。在國內，使用的是2．4GHz的免許可頻段。2．4GHz作為全球認可的免許可頻段，有大量的設備工作于該頻段，因此十分擁擠，為解決同頻干擾問題，ZigBee技術采用了直接序列擴頻(DSSS)技術。同時，另外兩個頻段也使用了相同的擴頻技術，區別在于碼片速率。以目前高校常用的2．4GHz設備為例，該頻段下共有16個速率為250Kbps的信道可以使用。首先將每四個物理層協議數據單元(PPDU)比特映射為一個符號，并通過32位的偽隨機序列擴頻，最后采用偏移四相移頻鍵控調制，得到調制信號送往射頻。圖為實現過程，其比特速率為250Kbps，符號速率為62．5Kbaud，碼片速率為2Mchip/s。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聽多點接入(CSMA/CA)方式競爭通信，有兩種組織方式。第一種為無信標網絡，任何設備在需要占用信道時按照CSMA/CA算法競爭發送。第二種為有信標網絡，可根據需求設計對應的超幀結構，分配競爭存取周期(CAP)和無競爭周期(CFP)，各設備以協調器發出的信標幀(BeaconFrame)為準通信。還使用ACK機制保證正確傳輸。
1．2Bluetooth技術
Bluetooth技術誕生之初基于IEEE802．15．1協議，現如今已經歸藍牙特別興趣小組(BluetoothSpe-cialInterestGroup)負責開發與協議制定。藍牙技術起初解決了固定設備與移動設備的連接問題，后來更廣泛的應用于移動設備的通信，以統一數個丹麥部落的國王HaraldBluetooth的名字命名該技術。藍牙技術主要應用于點對點通信與微微網(Pi-conet)，可支持的設備數較少，在應用于微微網時，最多可支持256個設備連接，其中最多1個主設備和7個從設備處于激活狀態。一般藍牙設備支持自動的主從配置，且工作過程中可以自由的轉換身份。其網絡拓撲結構為星形結構，其中主設備可隨時與相連接的任意一個從設備傳輸數據(藍牙技術支持廣播，但應用極少)，從設備只能與主設備連接，必要時通過主設備轉發或重新建立連接的方式與其他從節點傳輸數據。藍牙技術使用的是2．4GHz的免許可頻段，共有最多79個1MHz的信道(藍牙4．0標準中為40個1MHz信道)，采用跳頻擴頻(FHSS)技術作為抗干擾的手段，正常工作時，其跳頻頻率為1600Hz。［2］為解決與WiFi等設備同頻干擾的問題，自適應跳頻(AFH)被提出，通過一個鏈路質量分析器(LQA)監聽全部信道并建立一個擁有最小干擾的信道子集以提高通信質量。藍牙技術的通信距離一般較短，有1m、10m和100m三種標準，其發射功率一般低于4dBm，可以滿足10m內的通信。由于藍牙技術一般為點對點通信，組網時也僅需要主設備發起通信，因此使用時分雙工(TDD)的方式，而無需競爭接入。早期的藍牙標準采用高斯移頻鍵控(GFSK)，后期標準也支持π/4—DQPSK和8DPSK等更高階調制，以支持更高的數據速率。藍牙的高數據速率也使得該技術能承載更多的數據類型，目前藍牙已經廣泛的應用于多媒體數據的傳輸中。［4］在此基礎上，對藍牙通信安全的研究也相當廣泛。
1．3WLAN技術
WLAN技術全稱為無線局域網(WirelessLocalAreaNetworks)，其主要技術標準基于IEEE802．11標準。WLAN技術使用兩種免許可頻段，現在市場上有相當多產品已經同時支持兩個頻段，使得WLAN在部署時具有很大的靈活性。從802．11標準誕生后，各種版本的修訂方案也隨之誕生。802．11a標準定義了一種工作于5GHz頻段的物理層，其采用正交頻分多址技術(OFDM)，最大支持54Mbps的速率，同年的802．11b標準定義了一種工作于2．4GHz頻段的物理層，采用了直接序列擴頻(DSSS)技術，最大速率為11Mbps。802．11b協議與以太網的802．3協議兼容性很好，且原理接近，逐步成為WLAN技術的主流標準。WLAN技術可以看做以太網在無線通信領域的擴展，其多用星形網的拓撲結構，并通過無線接入點(AP)與以太網相連。WLAN技術采用帶有沖突避免的載波監聽多點接入(CSMA/CA)，以保證多設備同時工作時的通信質量。常用的中心拓撲結構，其覆蓋范圍一般較大，由中心節點的發射功率決定，最大可達300m。對于需要大范圍覆蓋的場景，如校園無線網等，也可根據實際情況，適當選用有線或無線網橋設備實現拓展。
2三種技術的性能比對與應用場景
作為短程無線通信技術，其續航能力、覆蓋范圍、傳輸速率一般是人們關注的重點，以上介紹的三種通信技術各有其優缺點，適用于不同的應用場景。根據實際場景的需求，考慮不同技術的性能特點，選擇合適的技術，以下為幾種技術常用的場景。
2．1傳感器網絡
ZigBee技術最大的亮點為低功耗與低成本，因此十分適合需要大規模部署的場合。據測算，同樣使用兩節AA干電池供電，ZigBee設備工作時間為6～24個月，而藍牙、WiFi設備分別只能工作數周和幾個小時。［5］目前，一塊ZigBee芯片的成本僅幾元，遠低于藍牙與WiFi設備。一個成熟的應用為傳感器網絡，用以采集溫濕度、光亮度等信息。在工業控制領域，信息的采集與傳輸一直是一個十分重要的問題，隨著現代加工工藝的發展，對加工環境的要求也日益嚴格，需要對環境進行全面且實時的監控。考慮到需要的傳感器較多，有線布網的難度極大，且不易維護，ZigBee技術完美的解決了這個問題。而ZigBee技術低速率的固有缺陷對于無線傳感器網絡來說也并不嚴重，所需發送的數據量一般較小。
2．2多媒體數據傳輸
Bluetooth技術目前廣泛地應用于各種電子產品中，其較低的功耗與可觀的數據速率使得Bluetooth技術仍具有廣泛應用前景。相較于ZigBee與WLAN，Bluetooth具有長時間提供短距離的多媒體數據通信能力，但受制于點對點和微微網的通信方式，Bluetooth設備無法大量的部署，只能用于解決通信中“最后一站”的問題。Bluetooth技術目前主要應用于多媒體數據的傳輸，由于其通信方式，以及較小的覆蓋范圍，無法承載大量的數據，更多地用于將一個設備通過藍牙與同時支持多種網絡的網關設備相連。目前，由于大量的智能終端都攜帶藍牙芯片，因此藍牙技術在小規模組網中仍然是最簡單的解決方案。
2．3無線校園應用
WLAN有較大的覆蓋能力與很強的數據承載能力，十分適合作為大規模部署的技術。WLAN技術基于的802．11協議與以太網802．3協議兼容，因此多數設備可以十分容易的兼容WLAN?？紤]到WLAN組網的方式，需要有一個具有足夠性能的設備作為中心節點，且中心節點的供電需求高，一般不使用電池，這意味著WLAN網絡不適合應用于經常變化的環境。但由于其組網方式靈活，且常見電子商品大多支持WLAN，因此可以方便的利用WLAN技術實現通信系統的開發與設計，系統的維護與管理也相對簡單。目前，同時支持WLAN與其他通信技術的設備常作為網關，連接異構網絡，這大大簡化了異構網絡之間的連接。
3結論
本文介紹了三種常用的短程無線通信技術，分析了其優缺點與適用場合。作為不同的技術，三者并無優劣之分，應根據實際需要，靈活的選用一種或幾種技術。從目前研究發展方向看，三者也分別向著不同的方向發展，其重疊性也在進一步下降，選擇合適的技術是網絡建設的首要問題。高校在進行網絡建設及應用過程中，既要充分發揮技術優勢，又要節約開銷，揚長避短，建設適合高校自身應用需求的通信網絡。
參考文獻:
［1］白國亮．ZigBee無線通信技術及其應用前景［J］．林區教學，2009(6)．
［2］趙峰，曾文海．藍牙無線通信技術［J］．信息技術與標準化，2002(7)．
［3］宋國森，姜霞，修國浩．自適應跳頻技術在藍牙系統中的應用及其性能分析［J］．北京電子科技學院學報，2003(2).
［4］蒲泓全，賈軍營，張小嬌，孫建偉．ZigBee網絡技術研究綜述［J］．計算機系統應用，2013(9)．
作者:王倫生 宋傳玲 單位:山東商業職業技術學院
