无线技术比较

1、编号题目： 浅析短距离无线通信技术 物联网工程学院 学院电子与信息工程专业学 号 学生姓名 指导教师 二一四年十二月摘 要本文主要分析ZigBee技术、UWB技术.详细介绍了ZigBee技术的距离短、功耗低、网络容量大、数据传输可靠性高的特点，以及ZigBee协议栈对ZigBee网络的物理层、数据链路层、网络层以及应用层的通信标准的定义，从而实现ZigBee网络的数据通信.在分析ZigBee技术的基础上，分析超宽带无线通信技术UWB的技术特点和局限性及其关键技术，包括脉冲产生、同步、信道模型、调制/多址/频带利用方式/兼容性. 短距离通信方式多，蓝牙技术、WiFi技术、ZigBee技术、UWB

2、技术等其他一些无线通信技术在距离技术、速率上进行比较.关键词：ZigBee；UWB；短距离无线通信技术；技术特点目录第一章 绪论111 短距离无线通信技术1第二章ZIGBEE技术22.1ZIGBEE技术特点22.2 ZIGBEE协议栈22.2.1物理层协议22.2.2数据链路层协议22.2.3应用层协议32.2.4汇聚层协议32.2.5网络层协议32.3 ZIGBEE的接入与加入32.4ZIGBEE组网方式4第三章 UWB技术53.1 UWB技术特点53.2 UWB关键技术53.2.1 脉冲产生53.2.2同步53.2.3信道模型63.2.4调制/多址/频带方式/兼容性63.3 UWB局限性7

3、第四章 ZIGBEE与几种无线通信技术的比较84.1 蓝牙技术84.2 WIFI技术84.3 UWB技术84.4 WIMAX技术84.5总结8参考文献105浅析短距离无线通信技术第1章 绪论 随着电子技术的发展和各种便携式个人通信设备及家用电器等消费类电子产品的增加，人们对于各种消费类电子产品之间及其与其他设备之间的信息交互有了强烈的需求，对于使用便携式设备并需要经常流动工作的人们，希望通过一个小型的、短距离的无线网络为移动的商业用户提供各种服务，实现在任何时候、任何地点、与任何人进行通信并获取信息的个人通信要求，从而促使以ZigBee、WiFi为代表的短距离无线通信技术应运而生.这些短距离无

4、线通信技术主要应用于家庭、办公室、机场、商场等室内场所，在提高人们生活和工作质量的同时，也对现有的蜂窝移动通信技术和卫星移动通信技术等相对长距离无线通信技术提供了有益的补充.因此，实现低价位、低功耗、可替代电缆的无线数据和语音链路的短距离无线通信(SDR)技术正在成为被关注的焦点.11 短距离无线通信技术作为有线通信的补充和发展，无线通信系统自20世纪，特别是21世纪初以来得到了迅猛的发展.其中蜂窝移动通信从模拟无线通信到数字无线通信，从早期的大区制蜂窝系统，支持很少的用户，很低的数据速率，但是有较远的传输距离，到目前的宏蜂窝、微蜂窝，通信半径越来越小，支持用户越来越多，数据传输速率越来越高；

5、从2 G、25 G到目前将要在国内应用的3 G、4G，毫无疑问，蜂窝移动通信技术的产生、发展及应用是通信领域最伟大的成就之一.一般来讲，短距离无线通信技术从数据速率可分为高速短距离无线通信和低速短距离无线通信两类.高速短距离无线通信的最高数据速率高于100 Mbs，通信距离小于10 m，典型技术有高速UWB；低速短距离无线通信的最低数据速率低于1 Mbs，通信距离小于100 m，典型技术有ZigBee、低速UWB、蓝牙.高速短距离无线通信技术.目前主要应用于连接下一代便携式消费电器和通信设备.它支持各种高速率的多媒体应用、高质量声像配送、多兆字节音乐和图像文档传送等.低速短距离无线通信技术，主

6、要用于家庭、工厂与仓库的自动化控制、安全监视、保健监视、环境监视、军事行动、消防队员操作指挥、货单自动更新、库存实时跟踪以及游戏和互动式玩具等方面的低速应用.91第二章ZigBee技术2.1ZigBee技术特点ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加.作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：1、低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功

7、耗低,因此ZigBee设备非常省电.据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的.2、 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右， 并且ZigBee协议是免专利费的.低成本对于ZigBee也是一个关键的因素.3、时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms.因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用.4、网络容量大： 一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内

8、可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活.5、可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突.MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息.如果传输过程中出现问题可以进行重发.6、安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性.2.2 ZigBee协议栈2.2.1物理层协议物理层采用DSSS （Direce Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频）技术，

9、定义了3 种流量等级：当频率采用2.4 GHz 时，使用16 信道，能够提供250 kbit/s 的传输速率；当采用915 MHz 时，使用10 信道，能够提供40 kbit/s的传输速率；当采用868 MHz 时，使用单信道，能够提供20 kbit/s的传输速率.2.2.2数据链路层协议链路层又可分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）.IEEE802.15.4 的LLC子层与IEEE802.2 的相同，其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输.IEEE802.15.4 MAC 子层通过SSCS（Service-Specific Convergence

10、Sublayer）协议能支持多种LLC 标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除，确认模式的帧传送与接收，信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理.2.2.3应用层协议应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层用户.2.2.4汇聚层协议应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee 网络层上，包括安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现.2.2.5网络层协议网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理.2.3 ZigBee的接入与加入ZigBee 网络中存在三种加入网络的途径，即通过关联加入网络、直接加入网络以及孤点（Orphan join）加入.

11、如果一个新的设备希望加入网络，它首先执行信道扫描以检测是否存在协调器，当其发现在某个信道上存在协调器时就执行关联操作加入网络，如图 2-1.加入请求由子设备发起. 直接加入网络即子设备通过预先分配的父设备（ZigBee 协调器或路由器）直接同网络连接.在这种情况下，父设备将为子设备预先分配一个 64 位地址.此种情况下，加入请求由父设备发起. ZigBee 提供孤点加入的方式，那些已直接加入网络的设备或者之前就已经加入网络但与其父节点失去联系的设备就使用这种方式加入网络. 图 2-1 通过联合方式与网络连接流程图 2.4 ZigBee组网方式ZigBee网络常见的有两种网络拓扑结构，即星形拓扑

12、结构和对等拓扑结构.如图2-2所示. 图 2-2 ZigBee网络拓扑结构第三章 UWB技术3.1 UWB技术特点UWB与传统通信系统工作原理不同，其技术特点如下:1、系统结构的实现比较简单.UWB不使用载波，它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号.UWB发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统的功用放大器与混频器;接收机不需要中频处理.系统的简化使得UWB技术可全数字化实现，设备成本很低.2、带宽极宽、数据传输高.UWB使用的带宽在IGHz以上，高达几个GHz，可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰.这在频率资源日益紧张的今天，开辟了一种新的时域无线电资源.民用商品中要求UWB信号的传输范围

13、为10m以内，传输速率可达500Mbit/S.3、功耗低UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20ns一1.5ns之间，占空比很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百瓦至几十毫瓦.民用的UWB设备功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右.4、安全性高.作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能.由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对一般通信系统，UWB信号相当于白噪声信号，并且大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事.采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，

14、脉冲的检测将更加困难.5、抗多径衰落.多径衰落是指反射波和直射波叠加后造成的接收点信号幅度随机变化，而UWB系统每次的脉冲发射时间很短，在反射波到达之前，直射波的发射和接收已经完成.因此，UWB系统特点适合于高速移动环境下使用.6、定位精确.超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，其定位精度可达厘米级;而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内.3.2 UWB关键技术3.2.1 脉冲产生由于传统的超宽带通信系统中传输信息的载体是非正弦、持续时间极短(ns级)的单个周期或几个周期的冲激脉冲串信号一一超宽带信号，而不是传统通信系统中所采用的连续正弦波信号，因此，极窄

15、脉冲是超宽带无线通信中最基本也是最本质的特征，对不同形状脉冲的选择将会对整个超宽带无线通信系统的性能产生影响.目前常用的脉冲形式主要有4种:Gaussian脉冲、Gaussian偶脉冲、Gaussian单周脉冲和seholrz单周脉冲.冲激脉冲通常采用高斯单周期脉冲宽度在ns级，具有很宽的频谱.3.2.2同步采用UWB信号形式作分组网络物理层，同步的精确度是一个关键问题.对UWB系统而言，同步耗时长的主要原因为:使用传统的线性连续搜索方法对PN码进行同步捕获时，需要花费很长时间.目前有很多缩短平均捕获时间的算法，如最佳检测法、串并行混合法等，都是对传统方法匹配滤波器法和滑动相关法的改进，但是这

16、些方法硬件实现复杂，不符合UWB设备小型，甚至微型化的要求.因此需要针对UWB系统信号和信道的特征，研究出更有效的同步方案.最近很多研究都提出可以利用多径进行PN码的捕获，减少捕获时间.如步进单元跳跃搜索方法和比特反转搜索算法.这些方法利用多径来改善同步性能，非常适合工作在密集多径环境下的UWB系统，研究表明这种方法所用的平均搜索时间比线性连续搜索方法短得多.3.2.3信道模型无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约，信道模型的正确建立及其相关分析是无线通信研究的首要问题，它是后续相关技术研究的基础.由于超宽带信号的特殊性，例如:持续时间纳秒量级，几个GHz的频谱带宽等，其信道特性与传统的

17、窄带连续波通信系统相比较，具有其不同的性质.因此，为了对各种超宽带无线通信系统实现方案在实际环境中的性能评估、链路预算，传播范围的规划以及超宽带系统与其它无线电系统之间的电磁兼容性研究，建立正确的超宽带专用信道模型是必须的.根据IEEE802.15.3a信道小组公布的UWB信道评估报告，UWB信道特征分为:UWB路径损耗模型(PathLosSModel)和UWB多径信道模型(MultipathModel).3.2.4调制/多址/频带方式/兼容性1、调制方式如下:UWB信号不采用载波传输，而是用每个脉冲的相位、幅度变换等来表示不同的数据信息，因此也可称为基带调制.目前比较常用的调制方法是：二进制

18、振幅键控调制，脉冲幅度调制，二进制移相键控和脉冲脉位调制.2、多址方式如下:(1)跳时系统，根据时间上的跳变顺序来区分用户;(2)跳频系统，根据频率上的跳变顺序来区分用户;(3)DS一SS系统，相当于DS一CDMA系统，利用正交PN码来区分用户;传统的超宽带脉冲通信的多用户实现方式有:TH一PPM和DS一BPMUWB系统.采用跳时脉冲位置调制(TH一PPM)对长脉冲序列进行调制时，每个用户的信息在时间上随机分布，可在频域内得到更为平坦的RF信号功率分布，这使得UWB信号在频域中类似于背景噪声.3、频带利用方式如下:根据FCC的规定，UWB系统可用的频谱有7500MHz.频带利用方式分为单频带和

19、多频带.单带系统将3.IGhz一10.6Ghz频带分为低带和高带，这样可以避免占用5.155.825Ghz频带，这个频带目前由无线局域网占用.低带和高带可以单独使用，也可以一起使用;多带系统将3.IGhz10.6Ghz频带分为16个子带.多频带技术也称为MB一()FDM，采用的是多频带正交频分复用方案，是将频谱以500MHz带宽大小进行分割，在每个子频带上采用OFDM技术.4、兼容性:UWB的安全性与干扰问题是UWB关键技术之一，目前的研究集中在UWB通信系统与全球定位系统GPS(1.SGH:频带)和WLAN(5.15一5.825Ghz频带)的兼容性方面.FCC将1.SGH:频带的输出功率限制

20、到了比一41.3dBm还要再低34dBm的数值上;同时在频带利用方式中避免占用5.155.825Ghz频带.3.3 UWB局限性尽管UWB系统发射的平均功率很低，但是由于它的脉冲持续时间很短.它的瞬时功率峰值可能会很大，这甚至会影响到民航等许多系统的正常工作.UWB系统对现存通信设备、天文台等的于扰问题还有待进一步的研究.UWB系统占用的带宽很大，UWB系统可能会干扰现其他无线通信系统.第4章 ZigBee与几种无线通信技术的比较目前, 市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网WiFi 、蓝牙和一些专用标准(如Ad hoc 网等)的产品.一些大公司为开拓市场和应用领域, 也在积极研究和制定一

21、些新的无线组网通信技术标准, 如无线USB 、超宽带通信UWB 和WiMax 等.下面对这些技术作一些简要介绍和比较.4.1 蓝牙技术蓝牙技术发展从1999 年起已经历了多个年头, 一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰.目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域,且互通性方面也存在问题.4.2 WiFi技术WiFi 在Intel 的大力支持下, 借迅驰处理器迅速占领市场;采用IEEE 802. 11b 标准, 使用2. 4 GHz 直接序列扩频, 最大数据传输速率为11 Mbps , 并可根据信号强弱把传输率调整为5. 5 Mbps 、2 Mbps

22、和1 Mbps 带宽;采用最新的802. 11g 时, 速率可达54 Mbps , 是目前应用最广的无线网络传输协议.借助USB 在PC 上的广泛应用, 无线USB 也受Int el 、HP 、微软等几家PC 领域大公司的力推, 已于近期制定了无线USB 规范.使用WiMedia 联盟的MB OFDM 超宽带MAC 和PH Y 层, 通信距离在3 10 m , 最高速率在480 Mbps , 有望短期内在PC 周边设备的无线连接上得到大量应用.4.3 UWB技术UWB 是一种未来短距离宽带无线传输技术.由于未采用通常无线收发中的载波调制技术, 因此它不需要混频、过滤和射频/中频转换模块, 实现了低成本、低功耗和高带宽性能.目前有两大技术阵营竞争技术标准, 预期的通信距离5 10 m , 速率甚至可高达1 Gbps , 非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据传输.4.4 WiMax技术作为WiFi 下一代技术的WiMax , 被设想成一项无线城域网接入技术, 在传输距离和速度方面均胜过WiFi , 最高接入速率为70 Mbps ,信号传输半径可达到50 km .4.5总结主要的无线技术都集中在1 Mbps 以上的