无线通信技术学习笔记——概述

第0章 无线通信技术概述

简介

无线通信(WirelessCommunication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信，人们把二者合称为无线移动通信。
无线技术给人们带来的影响是无可争议的。如今每一天大约有15万人成为新的无线用户，全球范围内的无线用户数量现今已经超过2亿。这些人包括大学教授、仓库管理员、护士、商店负责人、办公室经理和卡车司机。他们使用无线技术的方式和他们自身的工作一样都在不断地更新。这一应用已深入到人们生活和工作的各个方面，包括日常使用的手机、无线电话等，其中3G、WLAN、UWB、蓝牙、宽带卫星系统、数字电视都是21世纪最热门的无线通信技术的应用。、

主流的无线通信技术

1） 蓝牙
蓝牙（英语：Bluetooth），一种无线数据和语音通信开放的通讯技术标准。是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接，在电信、计算机、网络与消费性电子产品等领域被广泛应用。
蓝牙工作在全球开放的2.4GHz ISM频段，无需申请许可即可免费使用，被归入IEEE 802.15.1，规定了包括PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。
蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。每个频道的频宽为1 MHz。蓝牙4.0使用2 MHz 间距，可容纳40个频道。第一个频道始于2402 MHz，每1 MHz一个频道，至2480 MHz。有了适配跳频（Adaptive Frequency-Hopping，简称AFH）功能，通常每秒跳1600次。
蓝牙是基于数据包、有着主从架构的协议。一个主设备至多可和同一微微网中的七个从设备通讯，因此制约了其在大型传感网络中的应用。
目前，新的蓝牙标准和技术也在加强速率和距离方面的研究，其中z.0版拟支持10Mbps以上的速率，使用蓝牙技术的无线电收发器的距离可达10米，使用高增益天线可以将有效通信范围扩展到100米。鉴于蓝牙在睡眠状态下消耗的电流及激活延迟，一般电池的使用寿命为2~4个月
2） WiFi
Wi-Fi（Wireless Fidelity）又称“热点”，是创建于IEEE 802.11x标准的无线局域网的技术，
最大的特点是便携性，解决了用户“最后100米”的通信需求。
IEEE802.11流行的几个版本包括802.11a，在5.8 GHz频段最高速率为54 Mbps 。
由于其优异的带宽是以较高的功耗为代价的，因此大多数便携WiFi装置都需要较高的电能储备，这限制了它在工业场合的推广和应用。

3） 红外
红外是红外线的简称，它是一种电磁波。它可以实现数据的无线传输。自1800年被发现以来，得到很普遍的应用，如红外线鼠标，红外线打印机，红外线键盘等等。红外的特征：红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息传输的进度；IrDA已经是一套标准，IR收/发的组件也是标准化产品。
红外线通信技术适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接,尤其是嵌入式系统.
红外线技术的主要应用:设备互联、信息网关.设备互联后可完成不同设备内文件与信息的交换。
优点
•其使手机和电脑间可以无线传输数据;
•可以在同样具备红外接口的设备间进行信息交流;
•同时红外接口可以省去下载或其他信息交流所发生的费用;
•由于需要对接才能传输信息，安全性较强;
缺点
•通讯距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断；
•红外通讯技术的主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差.
接口的特点
•用来取代点对点的线缆连接
•新的通讯标准兼容早期的通讯标准
•小角度（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强
•传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布

4） ZigBee
ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低功耗、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。
ZigBee是一项新型的无线通信技术，适用于传输范围短数据传输速率低的一系列电子元器件设备之间。 ZigBee无线通信技术可于数以千计的微小传感器相互间，依托专门的无线电标准达成相互协调通信，因而该项技术常被称为Home RF Lite无线技术、FireFly无线技术。ZigBee无线通信技术还可应用于小范围的基于无线通信的控制及自动化等领域，可省去计算机设备、一系列数字设备相互间的有线电缆，更能够实现多种不同数字设备相互间的无线组网，使它们实现相互通信，或者接入因特网。

① 低功耗。
在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的ZigBee提供电源。
②低成本。
通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。
③低速率。
ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
④近距离。
传输范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
⑤短时延。
ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。
⑥高容量。
ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。
⑦高安全。
ZigBee提供了三级安全模式，包括安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
⑧免执照频段。
使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz(美国), 868MHz(欧洲), 2.4GHz(全球) 。

ZigBee此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用 于分析或者被另外一种无线技术如wiMax收集。 ZigBee的目标市场主要有PC外设(鼠标、键盘、游戏操控杆)、消费类电子设备(TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置)、家庭内智能控制(照明、煤气计量控制及报警等)、玩具(电子宠物)、医护(监视器和传感器)、工控(监视器、传感器和自动控制设备)等非常广阔的领域。
ZigBee技术的先天性优势，使得它在物联网行业逐渐成为一个主流技术，在工业、农业、智能 家居等领域得到大规模的应用。例如，它可用于厂房内进行设备控制、采集粉尘和有毒气体等数据；在农业，可以实现温湿度、PH值等数据的采集并根据数据分析的结果进行灌溉、通风等联动动作；在矿井，可实现环境检测、语音通讯和人员位置定位等功能。