常用無線通訊技術與應用

盛會 郭輝 陳恒峰 楊相飛

摘要：介紹藍牙、GPRS、UWB、Wi-Fi這4種常用無線網絡技術的主要特點、應用領域及存在的不足，闡述其相互關系和融合問題，描述不同無線傳輸協議的輻射問題，為無線個域網（WPAN）和數據采集與監控系統（SCADA）領域的迅速發展提供參考。

關鍵詞：藍牙；GPRS；UWB；Wi-Fi；無線網絡

中圖分類號：TN014 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）07-0060-04

接入技術主要分為有線接入和無線接入兩種，其中無線接入技以電磁波為媒介，省去了繁瑣的布線問題。隨著無線個域網（WPAN）的升溫，計算機、通信與家電的融合逐步走進人們日常生活，促使短距離數據業務迅速膨脹。數據采集與監控系統（SCADA）可對設備進行實時監視和控制，實現數據采集、設備管控、參數設定及信息報警等功能。但通信技術在很大程度上限制了其發展。無線接入技術的不斷發展更新，為WPAN組成無線、高速、互聯的個人化信息網絡和SCADA發展提供了新機遇。

1 藍牙技術

為除去設備間的“最后”連接，滿足移動設備在WAPN內的通訊。1994年，瑞典愛立信公司在“多通信鏈路（Multi-Communicator Link，MC Link）課題中，通過無線電射頻技術實現移動設備與周圍器件互連，并將這種無線互連技術規范命名為藍牙（Bluetooth）。SIG為推廣藍牙技術，將其標準全部公開，只要產品最終通過SIG藍牙產品兼容性測試，就可推向市場。這使得藍牙成為一種開放性的、短距離無線數據和語音通信全球規范。

1.1 特點

藍牙設備間可快速方便地建立無線連接，具有較強的移植性、安全性，且設備地址唯一，支持皮可網與分散網等組網方式。

1） 低功耗，體積小，便于集成。藍牙設備有4種通信模式，其中除激活模式為正常工作狀態外，呼吸、保持和休眠模式為低功耗模式。藍牙設備的體積較小，可以很方便的嵌入和集成。

2） 采用跳頻擴頻技術。將2.402～2.480 GHz頻段分成79個頻點，通過頻點間跳轉來發送數據，頻點排列順序采用偽隨機方式，每秒頻率改變1 600次。跳頻技術使藍牙的無線鏈路具備更高的安全性和抗干擾能力，但目前藍牙設備的傳輸距離僅10 m。

3） 采用時分復用多路訪問技術。藍牙設備通過數據包的形式按時隙傳送數據，在很大程度上避免了無線通信中的“碰撞”和“隱藏終端”等問題。

4） 可同傳語音和數據。藍牙使用電路交換和分組交換技術，支持異步數據信道、三路語音信道，以及異步數據與同步語音同時傳輸。

5） 對人體安全影響不大。經世界衛生組織和IEEE等專家檢測，藍牙輻射不會對人體產生危害。其輸出功率僅為移動電話功率的一小部分（1 mW），只有微弱部分被人體吸收。

1.2 應用領域及產品

目前，藍牙標準提供多種應用模型，包括藍牙芯片、藍牙適配器、藍牙耳機、藍牙數碼相機和藍牙標簽等。將上述設備組成一個微微網（Piconet），多個微微網間可以相互傳輸信息，設備間可隨時隨地進行通信。藍牙技術廣泛地應用于無線醫療監護、電力抄表、智能交通和智能家居控制等多種領域。

1.3 存在的問題

1） 干擾問題。藍牙和ZigBee，RFID，HomeRF，WLAN等共同工作在2.4 GHz免費ISM頻段，所以彼此間的干擾不可避免。同時，藍牙皮可網之間數據的同頻和鄰頻干擾也同樣存在。

2） 藍牙技術數據傳輸安全問題。單元密鑰的使用容易受外界針對性攻擊；藍牙單元提供的個人識別碼存在安全問題。譚永亮等在分析藍牙加密算法的基礎上，提出另一種以IDEA為基礎的藍牙加密算法；徐向東等通過充分分析藍牙數據安全加密算法中的不足，提出用DES加密算法替代原有EO加密算法。

2 GPRS技術

GPRS是General Packet Radio Service（通用無線分組業務）的縮寫，為疊加在GSM網絡上的二級網絡，因此系統升級較為方便，只需做軟件升級，硬件變動較少。設備通過接入GPRS網絡與在Internet互聯網上的服務器完成數據交換。

2.1 技術優勢

1） 永遠在線，快速登錄。用戶開通GPRS業務功能后，開機就會建立聯系并附著在網絡上保持連接，發出請求即可實現數據通信。之后使用只需激活就可快速登陸到互聯網。

2） 高速傳輸。實際速率受編碼和軟硬件限制，在同時啟用8個信道進行GPRS數據傳輸時，速率可達115 kb/s。實際應用中為保證GSM話音優先傳送，最多只用4個信道進行GPRS數據傳輸，因此實際速率約為30～56 kb/s。

3） 按量收費。只有用戶在實際收發數據時才占用GPRS網絡資源，平時掛在網上并不會產生任何數據流量和收費。GPRS數據傳輸與話音傳輸可同時進行，也可以切換進行。

4） 資源利用率高。為解決傳統電路交換中的信道占用問題，GPRS采用“分組”技術，僅在數據通信時占用信道資源，使信道利用率得到提高。增加分層網絡功能，與計算機網絡有很好的兼容性，支持TCP/IP協議，可快速將數據從遠端傳送到服務器上。

2.2 應用

采用GPRS技術的SCADA，在實現對無線分布式系統監控管理的同時，使系統部署的靈活性大大增強。同時嵌入式GPRS模塊的研制，使其應用更加便捷。

GPRS個人業務有移動商務、移動辦公、娛樂休閑、定位服務等。

GPRS行業應用有：1） 分散數據采集。GPRS發送和接收數據可以在端到端分組轉移模式下進行，從而節省電路交換模式的網絡資源。特別適用于采集點分散，間斷的、突發性的、頻繁的、少量的數據傳輸或偶爾的大數據量傳輸。2） 智能公交管理。公交管理主要按照調度中心時刻表進行，而采用GPS和GPRS相結合的移動終端后，車輛可實時向調度中心匯報自身位置，并通過電子站牌發布，方便市民出行。3） 銀行交易。移動無線POS機的出現，擺脫了傳統線路束縛，使銀行業務得到拓展。4） 家居智能化。通過手機實時操縱家庭中的各種設備，如音視頻設備、照明系統、空調和安防系統，使家居生活更加安全舒適。

2.3 技術缺陷

1） 終端不支持無線終止功能。目前GPRS終端尚不具備無線終止接收來電服務，可能限制其在非語音服務市場的推廣。同時GPRS裝載的WAP手機瀏覽器，未經授權內容也會發送給用戶并收費。

2） 干擾問題。所有無線通信技術都面臨網內和網外干擾問題。干擾會造成空中接口信息扭曲或破壞，而且接受方難以還原，造成GSM話音質量下降和GPRS錯誤數據包重傳。如果干擾時間過長，可能造成服務中斷。

3） 分組數據信道（PDCH）分配失敗。PDCH作為GPRS傳送數據包信道，具有固定和動態分配兩種方式。在固定分配情況下，專用的PDCH僅給使用GPRS的用戶提供業務；在動態分配時，利用多余話音信道為用戶提供業務。GPRS用戶的PDCH分配量取決于所在區域空閑的話音信道。此外，PCU資源短缺也會引起PDCH分配失敗。

3 UWB技術

超寬帶（UWB）技術是一種能夠實現無線局域網（WLAN）和WAPN無線互聯的技術。2002年美國聯邦通信委員會（FCC）修訂了第15標準，將UWB定義為：相對帶寬大于0.2或在傳輸的任何時刻絕對帶寬不小于500 MHz的信號；將信號帶寬定義為：低于最高發射功率10 dB的截止頻率間的帶寬。UWB的頻段在3.1G～10.6 GHz之間，發射功率需控制在1 mW以下。

UWB是一種無載波通信技術，通過沖擊脈沖的陡峭上升和下降時間的對數據進行直接調制，而非傳統的把信號從基帶調制到載波上。因此UWB技術又被稱作無載波傳輸技術、基帶傳輸技術或沖激無線電技術。其基本原理是信息論中的“香農公式”，即：。從式中可以看出，帶寬B的增加使信道容量C的升高遠遠大于信號功率S上升所帶來的效應。

3.1 技術優勢

1） 傳輸速率高。UWB高速數據傳輸具有兩層含義。一是普通意義上的高速數據傳輸：即在室內同時激活5～10臺UWB設備，以12.5～62.5 Mb/s的速率傳輸1～10 m；其二為極高速數據傳輸，在幾米范圍內可實現幾G/s的傳輸速率。

2） 多徑分辨能力強。從時域角度講，UWB系統的脈沖寬度僅為納秒級，具有較高的時間分辨力；從頻域角度分析，多徑衰落只存在某些頻點處，而UWB極寬的帶寬使能量衰落只占很小一部分。通過多徑環境試驗對比，在常規無線電信號衰落達到10～30 dB時，UWB的衰落不到5 dB。

3） 電磁兼容性好。FCC規定，UWB的發送功率譜密度需低于41.3 dBm/MHz，僅相當于普通非UWB接收機的寬帶白噪聲。

4） 發射功率低、功耗小，綠色環保。UWB信號無需載波，略去了發射連續載波時消耗的大量能量，打破了過去任何一項傳輸技術的功耗和帶寬成正比的定律。UWB高速通信時的功耗僅為幾毫瓦至幾十毫瓦。民用設備的功率約為傳統移動電話的1/10、藍牙設備的1/20，不會對人體產生影響。

5） 系統安全性好。UWB信號隱蔽在環境噪聲和其它信號中，解調時必須采用與發端一致的擴頻碼脈沖序列，具有低截獲能力。

3.2 應用

UWB具有很高的定位精度和極強的穿透能力，可以將定位與通信合一。與GPS衛星可視范圍內的絕對地理位置定位不同，UWB可在室內和地下進行精確定位并給出相對位置，因此在穿墻成像、信息通信、車載雷達、醫療電子、近距離高精度定位等領域廣泛應用。

3.3 局限性

首先，UWB技術的脈沖持續時間較短，對檢測接收脈沖具有一定影響。其次，傳統收發信機只需控制外噪聲，而UWB板載微控制器噪聲是一個亟待解決的問題。再次，UWB系統需在靈活支持多速率、復雜度、發送峰值功率、帶寬效率和用BER表示性能間達成折衷。

4 Wi-Fi技術

Wi-Fi即“無線保真”（Wireless Fidelity），指802.11標準的IEEE802.11b子集。多用的IEEE802.11b與IEEE802.11g設備使用2.400 0～2.483 5 GHz的免許可頻段。現IEEE802.11標準被統稱作Wi-Fi。作為一種在百米內支持互聯網接入的重要技術，與藍牙同屬短距離無線技術。

Wi-Fi網架結構是在Wi-Fi網絡在有線寬帶網絡基礎上，配備無線網卡和一臺AP（Access Point），即“無線訪問接入點”或“橋接器”。通過配置多個接入點AP形成一個連續覆蓋區域，實現移動漫游。

4.1 技術優勢

1） 業務可集成。Wi-Fi技術在OSI參考模型的數據鏈路層上與以太網完全一致，因此可以利用已有的有線資源進行Wi-Fi網絡部署，快速形成無縫網絡覆蓋。

2） 無需布線。通過在人員密集的公共場所設置無線網絡“熱點”進行互聯網連接，只要用戶處于“熱點”范圍內，即可快速便捷接入。

3） 覆蓋范圍廣，傳輸速度快。網絡覆蓋半徑可達100 m。在傳輸速率方面，IEEE802.11n可以將WLAN的傳輸速率由目前的54 Mbp提高到300 Mbp，甚至達600 Mbp。

4） 兼容性好且綠色環保。802.11n是一個完全可編程硬件平臺，不同系統可通過不同軟件在802.11n上兼容，使802.11n兼容所有802.11系列協議。Wi-Fi應用中，IEEE802.11實際發射功率約60～70 mW，且不會與人體直接接觸。較發射功率為0.2～1.0 W的蜂窩電話更健康、安全。

4.2 應用

1） Wi-Fi技術的市場發展。WiFi組網方式多種多樣，不但個人家庭中可以用到，醫療保健、企業辦公、休閑會所、圖書館等人員密集場所均可用到。最值得一提的是，在具有Wi-Fi模塊的智能手機上安裝相應VOIP軟件后，可實現語音通話。

2） Wi-Fi定位技術的發展。實時定位系統（RTLS）可在一定區域內對車輛和人員進行實時定位跟蹤。Wi-Fi快速定位特別是首次快速定位的實時性較好。

3） Wi-Fi可作為有線接入技術和蜂窩移動通信技術的補充。鑒于家庭網絡及小型辦公網絡對Wi-Fi技術的大量需求，電信運營商一般都在安裝網絡時架設了Wi-Fi網絡。4G代表的蜂窩網絡和Wi-Fi憑借各自無可取代的特點共存互補，是發展的必然趨勢。

4.3 技術瓶頸

1） Wi-Fi單點覆蓋半徑僅100 m，且信號隨距節點距離增加而減弱，移動性能也不佳。在室內較為復雜的環境，容易導致信號多徑效應。

2） Wi-Fi網絡的安全性差強人意。802.11提供一種名為WEP的加密算法，但由于Wi-Fi缺少有線網絡的物理結構，因此對方在信號覆蓋范圍內通過無線網卡就可以訪問網絡，占用帶寬，造成信息泄露。Wi-Fi使用無線網絡頻率無需顯式申請，容易網絡飽和及受到攻擊。

5 WiMAX技術

隨著IPTV、流媒體等業務的快速發展，用戶對“最后一公里”寬帶化的需求越發強烈。WiMAX（Worldwide Interoperability forMicrowave Access）全球微波接入互操作性，作為“最后一公里”的無線接入手段，可以使網絡部署的靈活性和可搬移性得到提高，常被作為802.16的代名詞。其既可以提供數據接入業務，也可實現基于寬帶的NGN話音業務。

WiMAX工作頻率在2～66 GHz之間，信道帶寬可在1.5～20 MHz范圍內調整，使其在所分配的信道帶寬內更好的利用頻譜資源。采用宏小區方式的WiMAX技術，覆蓋半徑最大可達50 km。使用20 MHz信道帶寬時，共享數據的傳輸速率可達70 Mbit/s（覆蓋半徑為3～5 km）。同時，可采用多扇區技術提高系統容量。

5.1 特點

WiMAX相比傳統有線寬帶具有以下特點：

1） 靈活性強。WiMAX可快速在任何臨時站點建立，省去繁瑣的線路布置。而且系統資源可依據用戶需求和信道狀況進行動態調整，使資費更加合理，同時也避免了資源的浪費。

2） 應用范圍廣。由于WiMAX具有足夠的覆蓋范圍，因此在有線寬帶不便部署的區域，WiMAX表現出更大的技術優勢，打破ADSL接入必須在5 km以內的距離限制。

3） 成本低。在距離市區較遠的城郊和農村地區，布線問題使傳統寬帶接入成本迅速提升。而WiMAX通過單個基站就可為成千上萬用戶提供不同服務，有效解決成本問題。

5.2 應用

WiMAX的應用主要定位在兩個方面：一是依據WiMAX無線專線速度快、建設周期短、接入方式簡單、資費便宜的優點，將其作為有線寬帶接入方式的有力補充，擴展寬帶接入范圍并增加其靈活性；另一個是與WiFi技術分別致力于城域網與局域網2個互補領域，WiMAX解決“最后一公里”，WLAN解決“最后一百米”。WiMAX的出現，為寬帶無線接入提供了理論基礎和技術支持，為寬帶無線接入技術的發展指明了方向。

5.3 存在的問題

1） 嚴格來講，WiMAX不是真正意義上的移動通信系統標準，只是無線城域網的一項技術。只有達到802.16 m才能成為具有無縫切換功能的移動通信系統，但相關進展尚有不確定性。

2） 頻率分配是WiMAX發展的前提，而世界各國對WiMAX的頻段尚沒有明確一致的意見。為增加信號的移動性能，802.16e將頻率限制在6 GHz以下需許可證頻段，全球范圍內的6 GHz以下頻率資源非常緊張，頻率分配同樣存在不確定性因素。

6 ZigBee技術

ZigBee作為新一代無線通訊技術，之前也被稱為HomeRF Lite，RF- EasyLink，fireFly無線電技術。基于IEEE802.15.4標準和ZigBee網絡協議而設計的ZigBee無線傳感器網絡，主要適用于短距離、低功耗且傳輸速率不高及具有典型周期性、間歇性數據和低反應時間的電子設備間無線數據傳輸。

6.1 特點

1） 低功耗。ZigBee技術采用休眠喚醒工作模式，有較低的傳輸速率和較近的傳輸距離，發射功率僅為1 mW。

2） 網絡容量大。ZigBee網絡具有三種網絡拓撲結構，每種結構都包括一個協調器和若干不同數量的路由器或終端設備，協調器可以帶有255個激活節點（藍牙只有8個），理論上可以組建65 535個節點的無線傳感器網絡。

3） 支持自組網，自恢復能力強。由ZDO定義的Coordinator發起網絡，其它設備會自動搜尋網絡并加入其中。當預先確定的網絡路徑發生變化或中斷時，動態路由結合網狀拓撲結構模塊會重新尋找通信對象并構建新的網絡通道，保證數據傳輸可靠性。

6.2 技術瓶頸

ZigBee的網絡封包格式與IP網絡不同，導致其不能與IP網絡互連互通，這在很大程度上阻礙著ZigBee的應用和發展。

目前，國內ZigBee技術主要采用ISM頻段中的2.5 GHz頻率，存在衍射能力弱的問題，導致室內信號質量較差。有些廠家使用射頻功放增加信號強度，但會造成額外的輻射污染，與ZigBee節能的初衷背道而馳。

6.3 應用

ZigBee作為近距離、低成本、低功耗、低數據速率的雙向無線通信技術，已廣泛應用于物聯網產業鏈中的M2M行業，如智能電網、智能家居、井下人員定位、供應鏈自動化、工業自動化、數字化醫療、農業自動化監控系統等領域。

7 結語

雖然無線網絡存在傳輸效率、可靠性及安全性問題，但其優勢顯而易見。伴隨著移動通信和互聯網技術的高速發展，二者之間的融合越來越明顯，移動通信逐步走向寬帶化，寬帶接入逐步走向無線化，通信技術和計算機技術融合成為必然趨勢。

參考文獻

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