下一代无线通信网络与技术

《下一代无线通信网络与技术》课程报告
——短距离无线通信技术的应用
姓名：田雷
学号：2009302911
学院：理学院
日期：2010.6.15
短距离无线通信技术的应用
随着网络及通信技术的飞速发展，人们对无线通信的需求越来越大，也出现了许多的无线通信协议。

随着Internet的飞速发展，从WAN到MAN，再到LAN，PAN，这些技术已逐渐成熟。

目前，各类网络中最具增长潜力的是无线网络，许多机构会选择采用无线局域网（WLAN）来拓展他们的现有网络，获得在机构区域内部移动接入网络的能力。

怎样不通过电缆，摆脱物理连接上的限制，使设备互联起来呢？为了找到这个问题的答案，十多年来，人们不断探索，形成了当今令人眼花缭乱的无线通信协议和产品。

其中，最流行的关于短距离无线数据通信的3个标准是蓝牙(Bluetooth),802.11(Wi-Fi)和IrDA。

另外，还有UWB，NFC和ZigBee等技术。

1蓝牙
1．1 蓝牙简介
爱立信在1994年开始研究一种能使手机与其附件（如耳机）之间互相通信的无线模块，4年后，爱立信、诺基亚、IBM等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。

蓝牙工作频率为2．4 GHz，有效范围大约在10 m 半径内。

在此范围内，采用蓝牙技术的多台设备，如手机、微机、激光打印机等能够无线互联，以约1 Mb ／s的速率相互传递数据，并能方便地接入互联网。

随着蓝牙芯片价格和耗电量的不断降低，蓝牙已成为许多高端PDA和手机的必备功能。

1．2 蓝牙技术的应用
作为一种电缆替代技术，蓝牙具有低成本高速率的特点，他可把内嵌有蓝牙芯片的计算机、手机和多种便携通信终端互联起来，为其提供语音和数字接入服务，实现信息的自动交换和处理，并且蓝牙的使用和维护成本据称要低于其他任何一种无线技术。

目前蓝牙技术开发重点是多点连接，即一台设备同时与多台（最多7台）其他设备互联。

今后，市场上不同厂商的蓝牙产品将能够相互联通。

蓝牙技术的应用主要有以下3类：
（1）语音／数据接入是指将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上，完成与广域网的联接。

（2）外围设备互连是指将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上。

（3）个人局域网（PAN）如图1所示，主要用于个人网络与信息的共享与交换。

蓝牙产品涉及PC、笔记本电脑、移动电话等信息设备和A／V设备、汽车电子、家用电器和工业设备领域。

蓝牙的支持者们预言说，一旦支持蓝牙的芯片变得非常便宜，蓝牙将置身于几乎所有产品之中，从微波炉一直到衣服上的纽扣。

蓝牙在个人局域网中获得了很大的成功，应用包括无绳电话，PDA与计算机的互联，笔记本电脑与手机的互联，以及无线RS232，RS485接口等。

采用蓝牙技术的设备使用方便，可自由移动。

与无线局域网相比，蓝牙无线系统更小、更轻薄，成本及功耗更低，信号的抗干扰能力强。

从应用对象来说，蓝牙技术主要有工业和生活方面的应用：
1.3 工业上：
1．3.1 替代串行线缆
当今的许多工业设备都是使用传统线缆接口(RS232,RS422或RS485)来连接配置工具或编程工具的, 这些工具使用一种具有从属应用或特定通信协议的设备与其它设备进行通信。

这对使用蓝牙无线连接创造了极好的条件。

有两种方法可替代串行线缆。

一种是使用一个连接到工业设备外部串行端口的外部蓝牙适配器;另一种是使用一个连接到当前设备的内在适配器。

蓝牙适配器仿效一个串行端口,并使用RFCOMM协议通过无线介质传输数据。

实施蓝牙技术的PC把蓝牙串行端口剖面看成一个仿效的COMM 端口,它允许使用已存在的PC 配置和编程工具。

可选的线缆替代方法适用于更多的先进工业设备,这些设备内置TCPöIP服务和一个Web服务。

在这种情况下蓝牙适配器支持RFCOMM层以上的局域网接入模型,软件协议栈(PPP,IP和Web服务)包含在工业设备中。

这就允许支持局域网接入模型的外部HMI(集线器管理接口)设备(例如膝上电脑或PDA)访问内置Web设备的用户接口,不需要在HMI设备上安装其它特殊应用软件。

1.3.2 与网络技术中的融合
假设一个具有内置控制系统的工业设备, 通过一个标准的Modbus协议表现其动态状态和控制变量。

一个蓝牙适配器依附于该设备, 蓝牙适配器应用Modbus协议与工业设备进行通信。

Modbus协议来显示和更改读写的动态数据。

运用蓝牙局域网接入模型很容易访问Web/WAP页。

这样就能对该工业设备进行远程配置, 管理和监督。

1.3.3 连接有线网络
无线通信在工业环境中的应用是一个渐进的过程, 需要建立蓝牙设备所形成的无线网络, 并连接到现有有线网络。

该有线网络既可以是基于IP 标准的网络(如以太网) , 也可以是工业现场总线网络
1.3.4在工业应用中的可行性和局限性
由于蓝牙技术的低价格和内在的安全性, 它运用于工业环境的无线通信的可行性很大。

无线通信有一些固有的优点和缺点,ABB 在工业环境运用这些无线技术时作了仔细的分析和考虑。

蓝牙技术具有与其它无线技术不同的优缺点。

①蓝牙技术的主要优点: 低消费,低功耗;安全性高。

②蓝牙技术的主要缺点:与其他很多系统共享带宽;覆盖范围小;易阻塞。

蓝牙链路可用于任何环境,并且允许工业设备与手提电脑,掌上电脑，移动电话进行互操作。

未来的许多ABB产品包含的蓝牙模块可与办公自动化设备进行无缝连接，由于蓝牙的低消费,在其它工业应用中(如传感,数据采集,监控等)引用蓝牙技术的可行性很大。

1.4 生活中：
生活中有许多蓝牙设备, 比如最被大家熟知的“蓝牙耳机”和“蓝牙手机”. 甚至在将来还会出现蓝牙系统的典型家庭, 有各种形式的娱乐设备(电视,VCD,HI-FI),不同来源的主题信息(报纸杂志)和特别是在厨房中的功能性设备(烤炉、微波炉、冰箱,中央暖气系统).将其与蓝牙设备组成宽松的连接,不管这些设备在哪里,它的控制与接入将成为用户的核心. 设想一个简单的数据便签簿,与智能电话类似,但是使用蓝牙收发器和轻触摸屏幕,轻巧便捷,带有高级像素驱动菜单,家庭的主人将用它来控制所有的娱乐设备!
2802.11(Wi-Fi)
Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线高保真）也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b,与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术.Wi-Fi速率最高可达11Mb／s。

虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100 m左右，不用说家庭、办公室，就是小一点的整栋大楼也可使用。

Wi-Fi技术的最具诱惑力的方面在于将Wi-Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来之后，可以大幅度减少企业的IT成本。

例如，许多企业选择在每一层楼或每一个部门配备802．11b的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。

这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。

2.1 基于Wi-Fi 网络的主要应用模式
2.1.1 企业或者家庭内部无线接入模式
在企业内部或者家庭架设A P,所有在覆盖范围内的Wi-Fi终端（包括笔记本、PDA、手机、打印机等）通过这个AP实现内部通信，或者通过AP作为宽带接入出口连接到互联网，这是目前最普及的应用方式,此时的Wi-Fi 提供的是家庭网
络或者企业内部网络的接入功能，用户主要是通过Wi-Fi上网获得服务.有相当一部分的公众服务行业为了提升服务环境,为客户提供了Wi-Fi接入服务。

2.1.2 电信运营商提供的无线宽带接入服务
1999-2003 年，在用户驻地网跑马圈地大量建设的同时，几家基础电信运营商（主要是中国电信、中国网通和中国移动）在很多宾馆、机场等公众服务场所纷纷架设AP，为公众用户提供Wi-Fi接入服务。

2.1.3“无线城市”的综合服务模式
所谓“无线城市”，是指在城市内架设基本全覆盖的Wi- Fi网络，为公众提供随时随地的移动宽带接入服务。

全世界已经有超过600 个城市开始或计划建设“无线城市”，越来越多的城市将“无线城市”作为城市的基础建设，并试图通过无线宽带网络来寻求新的经济活力。

2.2 Wi- Fi 网络的市场和业务
城域无线网络对于运营商而言, 主要存在如下的市场机会:
( 1) 更大的移动增值业务空间。

电信运营商不再受有限带宽的局限, 可向更多用户同时开放更多的移动增值服务。

由于带宽提高和流程简化, 不仅提供移动增值业务的成本大幅下降, 而且提供更为丰富、带宽要求更高的内容也成为可能。

甚至, 电信运营商可实现一个城域级别的移动无线娱乐平台, 并在其上进行互动电子娱乐、互动影视等运营。

( 2) 新的利润增长点: 移动VoIP 网络。

运营商可以更低的成本拥有属于自己的移动VoIP。

对于基础运营商而言,
低成本的移动VoIP 可使其更好地开展固话+移动的组合营销, 巩固其用户关系, 形成新的利润增长点; 对于移动运营商而言, 可以借助GSM/CDMA+Wi- Fi 的双模方式, 实现低成本的综合接入, 尤其是可以优化室内的移动覆盖。

( 3) 更为高效的移动数据业务。

无须昂贵的投资和漫长的建设, 运营商可拥有高达上百兆的无线接入带宽, 开着更高效的移动数据业务。

通过多层次的QoS 和电信级的漫游机制, 配合先进的路由技术, 可让运营商的数据业务成本更低, 质量更稳定, 服务更连续。

( 4) 服务于市政的电信网络。

运营商可利用城域无线网络迅速实现对一个城市的完全无线覆盖, 并在此网络之上, 可为政府提供市政服务便利, 包括: 提供移动政务、市政或公益宣传、安全监控、便民服务等等, 甚至帮助政府在应对公共疫情、灾难等情形时拥有稳定可靠的通讯和监控网络。

( 5) 动态电子地图、定位服务。

电子地图和定位服务展现出了越来越明显的应用增长趋势。

基于动态电子地图或者定位服务的许多应用正受到市场的不断肯定。

借助城域无线网络, 可通过低成本、高效率、高质量的无线覆盖, 运营商可以实施成本低廉的动态电子地图或定位服务。

对用户而言, 相比GPS 定位方案, 用户无须额外购买昂贵的定位设备, 无须额外支付软件系统费用, 无须支持高昂的年费, 也无须担心多变的气候对使用服务造成的影响。

这都使得运营商用无线网状网实现的动态电子地图或定位服务具有更高的竞争力。

3IrDA
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，他也许是第一个实现无线个人局域网（PersonalAreaNetwork，PAN）的技术。

目前他的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。

事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。

IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。

他还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。

由于数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。

此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。

IrDA的不足在于他是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2台（非多台）设备之间的连接。

而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。

IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

表1列出了以上3种短距离无线通信协议特性的比较。

4UWB
超宽带技术UWB（Ultra Wideband）是另一个新发展起来的无线通信技术。

UWB通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。

窄脉冲（小于1 ns）产生极大带宽的信号。

脉冲采用脉位调制（Pulse PositionModulation，PPM）或二进制移相键控（BPSK）调制。

UWB被允许在3．1～10．6 GHz的波段内工作。

他主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。

除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高（大于100 Mb／s）的LANs或PANs。

军事部门已对UWB进行了多年研究，开发出了分辨率极高的雷达。

直到2002年2月14日，美国FCC（联邦通信委员会）才准许该技术进入民用领域。

所以对于商业和消费领域，UWB还是新鲜事物。

但据报道，一些公司已开发出UWB 收发器，用于制造能够看穿墙壁、地面的雷达和图像装置，这种装置可以用来检查道路、桥梁及其他混凝土和沥青结构建筑中的缺陷，可用于地下管线、电缆和建筑结构的定位。

另外，在消防、救援、治安防范及医疗、医学图像处理中都大有用武之地。

UWB的一个非常有前途的应用是汽车防撞系统。

戴姆勒克莱斯勒公司已经试制出用于自动刹车系统的雷达。

在不久的将来，这种防撞雷达将成为高级汽车的一个选件。

UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网（PANs）。

考察现有的无线通信方式，802．11b和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据；
54 Mb／s速率的802．11a标准可以处理视频数据，但费用昂贵。

而UWB有可能在10 m范围内，支持高达110 Mb／s的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。

5ZigBee
ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。

ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。

ZigBee 比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。

人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用。

根据ZigBee联盟目前的设想，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。

6 NFC技术
NFC(Near Field Communication，近距离无线传输)是由Philips、NOKIA 和Sony主推的一种类似于RFID(非接触式射频识别)的短距离无线通信技术标准。

NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务，帮助解决记忆多个密码的麻烦，同时也保证了数据的安全保护。

有了NFC，多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连，彼此交换数据或服务都将有可能实现。

此外NFC还可以将其它类型无线通讯(如Wi-Fi和蓝牙)“加速”，实现更快和更远距离的数据传输。

每个电子设备都有自己的专用应用菜单，而NFC可以创建快速安全的连接，而无需在众多接口的菜单中进行选择。

与知名的蓝牙等短距离无线通讯标准不同的是，NFC的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要
有对应的加密设备。

NFC有三种应用类型：
设备连接。

除了无线局域网，NFC也可以简化蓝牙连接。

比如，手提电脑用户如果想在机场上网，他只需要走近一个Wi-Fi热点即可实现。

实时预定。

比如，海报或展览信息背后贴有特定芯片，利用含NFC协议的手机或PDA，便能取得详细信息，或是立即联机使用信用卡进行票卷购买。

而且，这些芯片无需独立的能源。

移动商务。

飞利浦Mifare技术支持了世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供Visa卡等各种服务。

索尼的FeliCa非接触智能卡技术产品在中国香港及深圳、新加坡、日本的市场占有率非常高，主要应用在交通及金融机构。

总而言之，这项新技术正在改写无线网络连接的游戏规则，但NFC的目标并非是完全取代蓝牙、Wi-Fi等其他无线技术，而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。

所以如今后来居上的NFC发展态势相当迅速!
7综合
对于一些企业来说，绕过主要的无线通信运营商可以节约可观的成本。

目前基站和无线Modem已经相对较为便宜，许多企业纷纷建立自己的无线局域网，并和任何希望使用的人分享带宽。

在需要个人特制网络、点到点交换的场合，采用IrDA技术是最合适的。

如果需要低功率音频或全向连接，Bluetooth占优势；而UWB最适于视频消费娱乐个人无线局域网。

从长远来看，企业应密切关注各种无线通信技术的发展，选择最适合自己需要的一种标准
参考文献
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