短距離無線通信數據傳輸方法研究畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，很快發展到 4Mb／ s 的速率，后來，速率又達到 16Mb／ s。 IrDA 是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，他也許是第一個實現無線個人局域網（ PersonalAreaNetwork， PAN）的技術。目前他的軟硬件技術都很成熟，在小型移動設備，如 PDA、手機上廣泛使用。事實上，當今每一個出廠的 PDA 及許多手機、筆記本電腦、打印機等 產品都支持 IrDA。 小結 IrDA 的主要優點是無需申請頻率的使用權，因而紅外通信成本低廉。他還具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用的特點。由于數據傳輸率較高，適于傳輸大容量的文件和多媒體數據。此 12 外，紅外線發射角度較小，傳輸上安全性高。 IrDA 的不足在于他是一種視距傳輸， 2 個相互通信的設備之間必須對準，中間不能被其他物體阻隔，因而該技術只能用于 2 臺（非多臺）設備之間的連接。而藍牙就沒有此限制，且不受墻壁的阻隔。 IrDA 目前的研究方向是如何解決視距傳輸問題及提高數據傳輸率。 HomeRF 技術 HomeRF 簡介 HomeRF 工作組是由美國家用射頻委員會領導、于 1997 年成立的，其主要工作任務是為家庭用戶建立具有互操作性的話音和數據通信網。 家庭射頻（ HomeRF）標準是由 HomeRF 工作組開發的，旨在家庭范圍內，使計算機與其他電子設備之間實現無線通信的開放性工業標準。HomeRF 是 與 DECT 的結合，使用這種技術能降低語音數據成本。 HomeRF 采用了擴頻技術，工作在 頻帶，能同步支持 4 條高質量語音信道，但是 HomeRF 的傳輸速率只有 1M～ 2Mbps。由于 HomeRF技術沒有完全公開，目前只有幾十家小企業支持，在抗干擾等方面相對應其他技術而言尚有欠缺，因此它的應用前景還不是十分明朗。 小結 HomeRF 是對現有無線通信標準的綜合和改進：當進行數據通信時，采用 規范中的 TCP/IP 傳輸協議；當進行語音通信時，則采用數字增強型無繩通信標準。但是，該標準與 不兼容，并占據了與 和 Bluetooth 相同的 頻率段，所以在應用范圍上會有很大的局限性，更多的是在家庭網絡中使用。 ZigBee 技術 ZigBee 技術簡介 ZigBee 是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、傳感、監控和遠程控制等領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。 13 工作組定義了一種廉價的供固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。 ZigBee 聯盟在制定 ZigBee 標準時，采用了 作為其物理層和媒體接入層規范。在其基礎之上，ZigBee 聯盟制定了數據鏈路層（ DLL）、網絡層 (NWK)和應用編程接口(API)規范，并負責高層應用、測試和市場推廣等方面的工作。 ZinBee 技術特點 (1)系統的復雜性 ZigBee 協議棧簡單，實現相對容易，需要的系統資源也較少，據估計運行 ZigBee需要系統資源約 28Kb； ZigBee定義了兩種類型的設備：全 功 能 設 備 FFD(Full Functional Device ） 和 簡 化 功 能 設 備RFD(Reduced Function Device)。網絡為主從結構，一個網絡有一個網絡協調者 (Coordinator)和最多可達 65 535 個從屬設備。 網絡協調者必須是 FFD，它負責管理和維護網絡，包括路由、安全性、節點的附著與離開等。一個網絡只需要一個網絡協調者，其他終端設備可以是 RFD，也可以是 FFD。 RFD 的價格要比 FFD 便宜得多，其占用系統資源僅約為4Kb，因此網絡的整體成本比較低。從這一點來說， ZigBee 非常適合有大量終端設備的網絡，如傳感網絡、樓宇自動化等。 （ 2）可靠性 信號在無線環境中傳輸，必然存在大尺度衰落、陰影衰落、多徑和干擾等問題。 ZigBee、藍牙和 WLAN()都是工作于 頻段，相互間的干擾 是不可避免的，因此保證可靠性尤為重要。 ZigBee 有三個工作頻段： ～ 、 868～ 、 902～928MHz，共 27 個信道。信道接入方式采用 CSMACA，能有效地減少幀的沖突。為抗干擾和多徑， ZigBee 在物理層采用直接序列擴頻 DSSS 和頻率捷變 FA 技術。在網絡層， ZigBee 支持網狀網，存在冗余路由，保證了網絡的健壯性。 （ 3）功耗 低功耗是 ZigBee 的一個重要特征。在一個典型的 ZigBee 傳感網絡中，一塊普通堿性電池可以供 ZigBee 設備工作六個月到兩年！下面討論 ZigBee 獲得低功耗的方法。 14 ZigBee 的 MAC 信道接入機制有兩種：無信標（ Beacon）模式和有信標模式。 無信標模式就是標準的 ALOHACSMACA 的信道接入機制，終端節點只在有數據要收發的時候才和網絡會話，其余時間都處于休眠模式，這樣平均功耗就非常低。 有信標模式下，終端設備可以只在信標被廣播時醒來，并偵聽地址，如果沒有偵聽到自己的地址，則又轉入休眠狀態。信標對簇形網絡(Cluster tree work)和網狀網 (Mesh work)的節點同步尤為重要，節點不用長時間偵聽信道 而消耗能量。 網絡拓撲結構對功率節省也有很重要的關系。星形和簇形網絡結構比網狀網結構更有利于功率節省。因為前者的終端節點不充當路由器的功能，只收發自己的數據，這樣可以節省更多功率。 小結 由于 ZigBee 具有功耗極低、系統簡單、成本低、低等待時間(Latency Time)和低數據速率的性質，它非常適合有大量終端設備的網絡。可以應用到以下領域：樓宇自動化、工業監視及控制、計算機外設、互動玩具、醫療設備、消費性電子產品、家庭自動化以及其他一些傳感網絡。 超寬帶技術 (UWB) UWB 簡介 超寬帶 (UWB)有著悠久的發展歷史，但在 1989 年之前，超寬帶這一術語并不常用，在信號的帶寬和頻譜結構方面也沒有明確的規定。 1989年，美國國防部高級研究計劃署 (DARPA)首先采用超寬帶這一術語，并規定：若信號在 20dB 處的絕對帶寬大于 或相對帶寬（ 信號帶寬與中心頻率之比 ）大于 25%，則該信號為超寬帶信號。 信號帶寬與中心頻率之比在 1%～ 25%之間為寬帶，小于 1%為窄帶 。見表 所示。 絕對帶寬和相對帶寬定義如下： 15 絕對帶寬 LHAbsolute ffBW ?? ,相對 帶寬LHLHFr ac tional ff ffBW ??? 2 。 其中 Hf 為信號在 20dB 輻射點對應的上限頻率、 Lf 為信號在 20dB輻射點對應的下限頻率。可見 ,UWB 是指具有很高帶寬比 (射頻帶寬與其中心頻率之比 )的無線電技術。 窄帶，寬帶和超寬帶的比較 分類 信號帶寬 /中心頻率 窄帶 小于 1% 寬帶 大于 1%，并且小于 25% UWB 大于 25% 為探索 UWB 應用于民用領域的可行性，自 1998 年起，美國聯邦通信委員會 (FCC)開始在產業界廣泛征求意見。美國 NTIA 等通信團體對此大約提交了 800 多份意見書。 20xx 年 2 月， FCC 批準 UWB 技術進入民用領域，并對 UWB 進行了重新定義，規定 UWB 信號為相對帶寬大于 20%或10dB 帶寬大于 500MHz 的無線電信號。 根據 UWB 系統的具體應用，分為成像系統、車載雷達系統、通信與測量系統三大類。根據 FCC Part15 規定， UWB 通信系統可使用頻段為～ 。 為保護現有系統 (如 GPRS、移動蜂窩系統、 WLAN 等 )不被 UWB 系統干擾，針對室內、室外不同應用，對 UWB 系統的輻射譜密度進行了嚴格限制，規定 UWB 系統的最高輻射譜密度為 。圖 示出了FCC 對室內 UWB 系統的輻射功率譜密度限制。當前，人們所說的 UWB 是指 FCC 給出的新定義。 16 1 1 0 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 50 . 9 61 . 6 11 . 9 93 . 1 1 0 . 6G P S頻 率 （ G H z ）F C C 戶 內P a r t 1 5UWB EIRP輻射值(dBm) 圖 FCC 對室內 UWB 系統的輻射限制 自 20xx 年至今，新技術和系統方案不斷涌現，出現了基于載波的多帶脈沖無線電超寬帶 (IRUWB)系統、基于直擴 碼分多址 (DSCDMA)的UWB 系統、基于多帶正交頻分復用 (OFDM)的 UWB 系統等。 可以預見，在未來的幾年中， UWB 將成為無線個域網、無線家庭網絡、無線傳感器網絡等短距離無線網絡中占據主導地位的物理層技術之一。 UWB 的技術特點 (1)傳輸速率高，空間容量大 根據仙農 (Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪聲 (AWGN)信道中，系統無差錯傳輸速率的上限為： )1(lo g 2 SN RBc ??? () 其中 ,B(單位 :Hz)為信道帶寬 ,SNR 為信噪比。在 UWB 系統中，信號帶寬 B 高達 500MHz~。因此，即使信噪比 SNR 很低， UWB 系統也可以在短距離上實現幾百兆至 1Gb/s 的傳輸速率。例如，如果使用 7GHz帶寬，即使信噪比低至 10dB，其理論信道容量也可達到 1Gb/s。因此，將 UWB 技術應用于短距離高速傳輸場合 (如高速 WPAN)是非常合適的，可以極大地提高空間容量。理論研究表明，基于 UWB 的 WPAN 可達的空 17 間容量比目前 WLAN 標準 高出 1～ 2 個數量級。 (2)適合短距 離通信 按照 FCC 規定， UWB 系統的可輻射功率非常有限， ~頻段總輻射功率僅 ，遠低于傳統窄帶系統。隨著傳輸距離的增加，信號功率將不斷衰減。因此，接收信噪比可以表示成傳輸距離的函數 rSNR (d)。根據仙農公式，信道容量可以表示成距離的函數： )](1[lo g)( 2 dS N RBdc r??? () 另外 ,超寬帶信號具有極其豐富的頻率成分。眾所周知，無線信道在不同頻段 表現出不同的衰落特性。由于隨著傳輸距離的增加高頻信號衰落極快，這導致 UWB 信號產生失真，從而嚴重影響系統性能。 (3)具有良好的共存性和保密性 由于 UWB 系統輻射譜密度極低 (小于 )，對傳統的窄帶系統來講， UWB 信號譜密度甚至低至背景噪聲電平以下， UWB 信號對窄帶系統的干擾可以視作寬帶白噪聲。因此， UWB 系統與傳統的窄帶系統有著良好的共存性，這對提高日益緊張的無線頻譜資源的利用率是非常有利的。同時，極低的輻射譜密度使 UWB 信號具有很強的隱蔽性，很難被截獲，這對提高通信保密性非常有利。 (4)多徑分辨能力強，定位精度高 由于 UWB 信號采用持續時間極短的窄脈沖，其時間、空間分辨能力都很強。因此， UWB 信號的多徑分辨率極高。極高的多徑分辨能力賦予UWB 信號高精度的測距、定位能力。無線信道的時間選擇性和頻率選擇性是制約無線通信系統性能的關鍵因素。 在窄帶系統中，不可分辨的多徑將導致衰落，而 UWB 信號可以將它們分開并利用分集接收技術進行合并。因此， UWB 系統具有很強的抗衰落能力。但 UWB 信號極高的多徑分辨力也導致信號能量產生嚴重的時間彌散 (頻率選擇性衰落 )，接收機必須通過犧牲復雜度