短距離無線通信關鍵技術及應用發展前景

陳 展，陶 崢

1.海軍駐北京航天三院軍事代表室，北京 100074

2.91550 部隊89 分隊，遼寧大連 116023

1 短距離無線通信技術簡介

近年來，由于數據通信需求的推動，加上半導體、計算機等相關電子技術領域的快速發展，短距離無線與移動通信技術也經歷了一個快速發展的階段，WLAN 技術、藍牙技術、UWB 技術，以及紫蜂(ZigBee)技術、射頻識別(RFID)技術等取得了令人矚目的成就。短距離無線通信通常指的是lOOm 以內的通信，分為高速短距離無線通信和低速短距離無線通信兩類。高速短距離無線通信最高數據速率＞loMbits，通信距離＜lOm，典型技術有高速UWB、WirelessUSB；低速短距離無線通信的最低數據速率＜lMbits，通信距離＜lom。典型技術有藍牙、紫蜂和低速UWBt”。

2 短距離無線通信技術的特征

低成本、低功耗和對等通信，是短距離無線通信技術的三個重要特征和優勢。終端間的直通能力即實現對等通信是短距離無線通信的重要特征，有別于長距離無線通信技術，對等通信無需網絡基礎設施進行中轉，接口設計和高層協議相對比較簡單。

3 幾種主流無線通信技術簡介

3.1 藍牙技術

藍牙工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m 半徑內。在此范圍內，采用藍牙技術的多臺設備，如手機、微機、激光打印機等能夠無線互聯，以約1Mb/s 的速率相互傳遞數據，并能方便地接入互聯網。隨著藍牙芯片價格和耗電量的不斷降低，藍牙已成為許多高端PDA 和手機的必備功能。圖1 為藍牙協議棧的體系結構。

3.2 802.11Wi-Fi 技術

802.11Wi-Fi 即無線保真技術是另一種目前流行的技術。它使用的是2.4GHz 四周的頻段。Wi-Fi 基于IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g 和IEEE802.11n。不僅傳輸的有效距離很長，而且速率還高達上百兆，與各種802.11DSSS 設備兼容。目前最新的交換機能把Wi-Fi 無線網絡從接近100 米的通信距離擴大到約6.5km。

3.3 IrDA

紅外線數據協會IrDA 成立于1993 年，是致力于建立紅外線無線連接的非營利組織。IrDA 是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，他也許是第一個實現無線個人局域網的技術。目前他的軟硬件技術都很成熟，在小型移動設備，如PDA、手機上廣泛使用。事實上，當今每一個出廠的PDA 及許多手機、筆記本電腦、打印機等產品都支持IrDA。表1 列出了以上3種短距離無線通信協議特性的比較。

3.4 zigbee 無線通信技術

Zigbee 是一種短距離、低功耗的無線通信技術名稱。這一名稱來源與蜜蜂的八字舞。其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。Zigbee 傳輸范圍一般介于10m ～100m 之間，在增加RF 發射功率后，亦可增加到1km ～3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。Zigbee 可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254 個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000 個節點的大網。采用直接序列擴頻在工業科學醫療( ISM) 頻段，2.4 GHz (全球) 、915 MHz(美國) 和868 MHz(歐洲) 。

表1 3 種短距離無線協議特性比較

3.5 超寬帶技術（UWB）

超寬帶(UWB)有著悠久的發展歷史，但在1989 年之前，超寬帶這一術語并不常用，在信號的帶寬和頻譜結構方面也沒有明確的規定。1989 年，美國國防部高級研究計劃署(DARPA)首先采用超寬帶這一術語，并規定：若信號在-20dB 處的絕對帶寬大于1.5GHz 或相對帶（信號帶寬與中心頻率之比）大于25%，則該信號為超寬帶信號。信號帶寬與中心頻率之比在1%～25%之間為寬帶，小于1%為窄帶。

為探索UWB 應用于民用領域的可行性，自1998 年起，美國聯邦通信委員會(FCC)開始在產業界廣泛征求意見。美國NTIA 等通信團體對此大約提交了800 多份意見書。2002 年2 月，FCC 批準UWB 技術進入民用領域，并對UWB 進行了重新定義，規定UWB 信號為相對帶寬大于20%或-10dB 帶寬大于500MHz的無線電信號。

可以預見，在未來的幾年中，UWB 將成為無線個域網、無線家庭網絡、無線傳感器網絡等短距離無線網絡中占據主導地位的物理層技術之一。

UWB 的技術特點(1)傳輸速率高，空間容量大根據仙農(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪聲(AWGN)信道中，系統無差錯傳輸速率的上限為：

C=log2（1+SNR）

其中，B(單位：Hz)為信道帶寬，SNR 為信噪比。在UWB系統中，信號帶寬B 高達500MHz ～7.5GHz。因此，即使信噪比SNR 很低，UWB 系統也可以在短距離上實現幾百兆至1Gb/s的傳輸速率。例如，如果使用7GHz帶寬，即使信噪比低至-10dB，其理論信道容量也可達到1Gb/s。因此，將UWB 技術應用于短距離高速傳輸場合是非常合適的。

4 我國無線通信技術的發展

當前，中國是世界各國通信技術運營商和設備制造商關注的焦點，大家都希望在中國的市場上占有自己的發展空間和市場份額。移動通信在中國發展十分迅速，中國移動通信的走向一直為世人所矚目。1987 年11 月，我國廣東正式開通了第一個TACS制式模擬蜂窩移動通信系統，實現了移動電話用戶“零”的突破。1994 年底，廣東又首先開通了GSM 數字蜂窩移動通信系統，至1995 年，全國已15 個省、市也相繼開通了GSM 移動通信網。迄今為止，全國各省、自治區、直轄市面上都建設了GSM 網，實現了國內和國際的全自動漫游。目前我國正在積極準備在21 世紀初期開展第三代移動通信的商用試驗。

5 無線通信技術的趨勢

電信網絡的未來走向已經被信息時代的到和IP 技術的到來而慢慢改變著。未來無線通信技術發展的主要趨勢是寬帶化、分組化、綜合經、個人化。下面就是特點體現的幾個方面：

1）通信信息技術發展中的寬帶化是重要的發展方向之一。有線網絡的寬帶化隨著高通透量網絡節點的發展以及光纖傳輸技術的發展走向了世界范圍的發展的方向。無線通訊技術也在慢慢的和寬帶相連接，更方便人們的使用方向發展；

2）核心網絡和接入網絡具有多樣化和綜合化等特點。結構模式是核心網或接入網是未來信息網絡的發展方向，在同一核心網絡上可以傳送多種業務信息的成功，主要取決于網絡的分組花和寬帶化，傳統的電信網絡與新興的計算機網絡將會在網絡的綜合化以及管制的逐步開放和市場競爭的促使下融合；

3）下世界初的信息業主要的發展方向之一是信息個人化。實現未來信息化的重要技術是移動IP。移動IP 的各種技術和應用都主要反映在了手機上，當然，手機也是人們非常關注的信息之一。全球個人通訊的趨勢就是移動網絡和IP 技術的組合；

4）移動通訊網絡已經慢慢的改變了，因為數據業務量在網絡中的地位成為了主導地位，因此，IP 網絡已經逐漸代替現有電路交換網絡，未來網絡的核心關鍵技術就是IP 技術，

移動通信網絡結構正在經歷一場深刻的變革，隨著網絡中數據業務量主導地位的形成，電信網的主導通信協議也是IP協議。移動骨干網IP 應用的實踐就是以IP 為基礎組網慢慢實踐的。

無線通信技術與業務有以下幾個發展趨勢：（1）網絡覆蓋的無縫化，即用戶在任何時間、任何地點都能實現網絡的接入，也有人把這稱作網絡的泛在化。（2）寬帶化是未來通信發展的一個必然趨勢，窄帶的、低速的網絡會逐漸被寬帶網絡所取代。（3）融合趨勢明顯加快，包括：技術融合、網絡融合、業務融合、接入融合。從IP 網絡兼容性來看，3G 系統不是基于IP 的，而4G 則支持下一代的Internet（IPv6）和所有的信息設備，將能在IP IPv6 網絡上實現話音和多媒體業務。（4）數據速率越來越高，無論是上行還是下行速度都在不斷提高，頻譜帶寬越來越寬，頻段也越來越高，數據傳輸能力已從早期的kb/s 逐步發展到如今的Gb/s。（5）業務內容更加多樣化，這是離不開速率和帶寬的提高的，無線通信經歷了，從僅支持單一語音業務逐漸發展到支持語音、數據、圖像等多種媒體流業務的歷程。

6 結論

無線通信技術已經日臻完善。在未來的社會，移動通信與無線接入在相互角逐的同時，走向互補融合，各展所長，向接入綜合化、全球化、電子化、一體化的寬帶無線網絡的方向發展，進而逐步實現和寬帶固定網絡的有機融合。