基于近距離低功耗的無線通信接入系統研究

◆胡蘇瑤

無線通信與移動互聯網安全

基于近距離低功耗的無線通信接入系統研究

◆胡蘇瑤

（咸寧職業技術學院 湖北 437100）

和有線通信技術相比，無線通信技術能夠實現多應用環境終端移動、合理分配網絡資源等優勢，但同時也存在信息數據傳輸不穩定、數據傳輸速度較慢、功率消耗較大以及數據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系統的進一步發展，本文從藍牙技術、UWB、WI-FI、藍牙功率管理四個方面進行探究，解決無線通信系統在最后1公里范圍內網點接入與信號覆蓋問題。

近距離；低功耗；無線通信；接入系統

1 引言

近距離低功率通信通常是指數據傳輸距離在100米以內，同時功耗在100W以內的傳輸，這類通信能夠很好彌補無線通信系統在最后1公里范圍內的網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，但其無法在多個應用環境中實現終端的移動性，并且不能夠很好進行網絡資源的分配與調度，因此，無線通信就能夠很好的彌補這些問題。然而無線通信系統也會面臨信息數據傳輸不穩定、數據傳輸速度較慢、功率消耗較大以及直接裸露在空中數據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是基于物理層以及MAC層來實現的，為了進一步提高無線通信接入質量，改善無線通信過程中存在的問題，本文重點進行近距離低功耗的無線通信接入系統進行探究，促使無線通信接入系統能夠獲得更好的發展。

2 藍牙技術

藍牙技術是近距離無線通信技術得以實現的重要組成部分，是近距離有線傳輸的協助設施，也能夠充當與其余網絡、Ad hoc分布式網絡連接的媒介[2]。當藍牙設備連接上電源以后，設備內部的偵聽主設備就會開始工作并執行預設的程序，假如此時主設備全面獲取了相關設備的通訊地址，此時主設備就會依照程序命令向相關設備發送連接指令，相關設備在接收到此指令后會做出判斷和認定，在雙方設備同意后，逐步完成跳幀序列一致工作，最終完成認知與連接，實現正常通信功能[3]。當主設備沒有與任何相關設備進行配對與認證，這種情況下主設備會自動轉化到帶寬以及低功率方式。

通常情況下，藍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，藍牙2.4GHz實際處于2.4～2.4797GHz范圍內，所對應的頻段為788MHz，設置寬信道為0.8MHz，傳輸速率為1Mb/s，調頻擴頻模式為GFSK，從而更好防范窄帶產生的干擾。藍牙和IEEE 802.11g均使用2.4GHz頻帶，通過自適應頻率變更圖案方式來避免干擾[4]。

藍牙明確規范了無線接口以及能夠和相關設施進行連接并進行業務往來的通信棧，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鏈接組織形式、對接、QoS、功率大小以及數據格式等任務。控制層則重點為鏈接管理層準備命令接口，同時也要為硬設施準備需要的接口。

圖1 藍牙通信棧工作流程示意圖

3 UWB

和標準的連續波無線電技術不同的是，UWB可以基于較窄脈沖序列實現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據的輸送。UWB技術能夠很好使用到無線自組織網絡上，并與無線射頻識別技術、藍牙技術等完美融入。本文以研究近距離低功耗無線通信為重點，將UWB應用到其中具有重大意義。

首先，能夠實現高容量。當信號能力發散到寬頻頻譜上面時，會產生明顯的白噪聲功率譜，從而可以改善信道形態，有效增加信道的容量。其次，避免出現低衰落現象，同時提高抗干擾水平。當數據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多徑衰落現象。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，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，導致在相鄰脈沖中間存在一定的離散間隙，RAKE接收機能夠輕而易舉將各種方式到達的UWB脈沖信號統一起來，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，當和各種不同的通信系統共同使用同一頻道時，就會出現非常嚴重的干擾問題，同時還不能夠和其他系統進行兼容。基于UWB管理的網絡拓撲構造，是建立在Ad hoc網絡基礎上的，通過其中的P2P通信功能實現自組織統一控制體系[6]。整個體系中涵蓋了大量的微微網，同時相互獨立的微微網會隨機關聯一個主站以及若干個副站，并對其實施控制與管理。UWB統一管理的網絡有一個Hub以及數量不一的子站，如圖2所示為UWB無線總線與IEEE1934骨干網相連示意圖。

圖2 UWB無線總線與IEEE1934骨干網相連示意圖

4 WI-FI

WI-FI具有兩種不同的接入形式，分別是分布協調形式以及點協調形式。最基本的單一基礎業務集通常涵蓋了兩個以上的Ad hoc網絡拓撲，底層業務集是拓展業務集的輔佐網絡。在恒定不變的通信基層中，延伸業務集是基于分布系統形成的底層業務集。圖3為WI-FI網絡主要構成元素。將各個分布系統的基站設定為接入口，并按照IEEE 725 22f標準制定相應的接入協議。眾所周知，基站在正常工作過程中，需要負責兩方面的業務，分別是基站業務以及分布系統業務，其中分布系統業務可以實現各個業務集上的信息數據在不同的基站上傳輸，與此同時，IEEE 725 22f需要承擔網橋連接Wi-Wf與IEEE 725 22.x LAN的相互連接工作。

圖3 WI-FI網絡主要構成元素

5 藍牙功率管理

藍牙功率管理具有多種形式，主要表現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施與微微網主機保持聯系的信息交互方式。鏈接也有多種不同類型的狀態[7]：首先是啟動狀態，和微微網保持連接的設施保持主動形式；其次是偵聽狀態，降低設施內部功率損耗，以非常低的功率消耗保持偵聽形態；再次是保持狀態，在這種模式下，相關設施的ACL會在規定期限內被攔截；最后是等待狀態，相關設施繼續與微微網保持穩定的連接關系，但是不包含在微微網結構組成中，這種狀態僅產生極低的功率消耗。

6 結語

綜上所述，加強近距離低功耗的無線通信接入系統研究具有十分重要的意義，能夠有效彌補目前我國無線通信技術存在的問題，推動近距離低功耗無線通信接入系統的研發，為無線通信技術的進一步發展提供技術支持。

[1]周明，賈向東，鄧鵬飛.認知中繼協同無線通信系統功率分配和混合頻譜接入方案[J].信號處理，2015，31（05）：559-569.

[2]張萬喆，聶何婷.基于高能效無線接入網的綠色無線通信關鍵技術分析[J].通訊世界，2017（11）：54-55.

[3]范特，徐家輝，黃永明，楊綠溪.IEEE 802.11aj短距離無線接入毫米波通信技術研究及實現[J].信號處理，2018，34（02）：210-220.

[4]刁彩萍.現代無線通信技術的發展現狀及未來發展趨勢探析[J].電子制作，2015（01）：161.

[5]劉文霞，劉曉茹，張建華，劉柏良.基于偏好DEA方法的配電通信網多種接入方式評估[J].電力系統自動化，2009，33（04）：72-76.

[6]肖瀟，陶曉明，陸建華.基于高能效無線接入網的綠色無線通信關鍵技術研究[J].電信科學，2011，27（11）：75-83.

[7]黃永明，林敏，王俊波，王家恒，何世文.毫米波無線通信：從短距離接入到廣域覆蓋[J].數據采集與處理，2017，32（03）：431-439.