近距离无线通信技术及应用前景

张莉

摘要　首先概述近距离无线通信技术的划分以及标准结构，然后着重介绍ZigBee技术、高速/低速UWB和Bluetooth这3种目前比较受关注的近距离无线通信技术，最后简单介绍近距离无线通信的应用前景。

关键词　近距离无线通信　ZigBee　UWB　Bluetooth

1、概述

　　当今，无线通信在人们的生活中扮演越来越重要的角色，低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的强烈追求，因此近距离无线通信正逐渐引起越来越广泛的注意。

　　一般来讲，近距离无线通信技术分为高速近距离无线通信和低速近距离无线通信两类。高速近距离无线通信最高数据速率＞100Mbit/s，通信距离＜10m，典型技术有高速UWB、WirelessUSB；低速近距离无线通信的最低数据速率＜1Mbit/s，通信距离＜100m，典型技术有Zigbee、低速UWB、Bluetooth。

　　近距离无线通信标准结构包括两部分，如图1所示。其中物理层和MAC层由IEEE 802.15标准系列定义，网络层及安全层等上层协议由各自联盟开发。

图1　近距离无线通信标准结构

　　目前比较受关注的近距离无线通信技术是：ZigBee技术、高速/低速UWB和Bluetooth。

2、ZigBee技术

　　ZigBee是一种低速短距离无线通信技术。它的出发点是希望发展一种拓展性强、易布建的低成本无线网络，强调低耗电、双向传输和感应功能等特色。

　　ZigBee PHY和MAC层由IEEE802.15.4标准定义。802.15.4协议已于2003年发布，上层协议正在制定之中。802.15.4定义了两个物理层标准，分别对应于2.4GHz频段和868/915MHz频段。两者均基于直接序列扩频，物理层数据包格式相同，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率，具体见表1。

表1　2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层的区别

　　2.4GHz频段为全球免许可ISM频段，可以降低ZigBee设备的生产成本。该物理层采用高阶调制技术，提供250kbit/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。ZigBee技术在该频段采用O-QPSK调制，其调制过程如图2所示。

图2　ZigBee技术在2.4GHz频段的调制过程

　　868MHz为欧洲ISM频段，915MHz为美国的ISM频段。它们的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。传输速率分别为20kbit/s和40kbit/s，这两个频段上无线信号传播损耗较小，可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。该频段的ZigBee系统采用差分编码和BPSK技术，调制过程如图3所示。

图3　869/915MHz频段的ZigBee系统的调制过程

　　ZigBee的网络层、安全层和API(应用编程接口)层协议由ZigBee联盟开发。2004年12月14日，ZigBee联盟发布了第一个ZigBee技术规范。

3、UWB技术

　　近年来，学术界和企业界对超宽带UWB(Ultra Wideband)技术表现出极大的兴趣，但是UWB技术并不是一种崭新的技术，早在20世纪60年代就已用在美国军方的雷达、定位和通信系统中。最初的UWB技术不使用载波，而是利用ns-ps级的非正弦波窄脉冲传输数据。由于UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射端可将微弱的脉冲信号分散到宽阔的频带上，输出功率甚至低于普通设备的噪声，所以UWB技术具有较强的抗干扰性。UWB可支持很高的数据速率，从几十Mbit/s到几百Mbit/s，发射功率小、耗电少。

　　目前UWB PHY和MAC层的标准化工作主要在IEEE802.15.3a和IEEE802.15.4a中进行，其中IEEE802.15.3a工作组负责高速UWB，而IEEE802.15.4a负责低速UWB。