短距离无线通信数据传输方法研究毕业设计(编辑修改稿)

短距离无线通信数据传输方法研究毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

，很快发展到 4Mb／ s 的速率，后来，速率又达到 16Mb／ s。 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。 小结 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 12 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。 HomeRF 技术 HomeRF 简介 HomeRF 工作组是由美国家用射频委员会领导、于 1997 年成立的，其主要工作任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网。 家庭射频（ HomeRF）标准是由 HomeRF 工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。 HomeRF 是 与 DECT 的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。 HomeRF 采用了扩频技术，工作在 频带，能同步支持 4 条高质量语音信道，但是 HomeRF 的传输速率只有 1M～ 2Mbps。 由于 HomeRF技术没有完全公开，目前只有几十家小企业支持，在抗干扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺，因此它的应用前景还不是十分明朗。 小结 HomeRF 是对现有无线通信标准的综合和改进：当进行数据通信时，采用 规范中的 TCP/IP 传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。 但是，该标准与 不兼容，并占据了与 和 Bluetooth 相同的 频率段，所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。 ZigBee 技术 ZigBee 技术简介 ZigBee 是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。 13 工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。 ZigBee 联盟在制定 ZigBee 标准时，采用了 作为其物理层和媒体接入层规范。 在其基础之上，ZigBee 联盟制定了数据链路层（ DLL）、网络层 (NWK)和应用编程接口(API)规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。 ZinBee 技术特点 (1)系统的复杂性 ZigBee 协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行 ZigBee需要系统资源约 28Kb； ZigBee定义了两种类型的设备：全 功 能 设 备 FFD(Full Functional Device ） 和 简 化 功 能 设 备RFD(Reduced Function Device)。 网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者 (Coordinator)和最多可达 65 535 个从属设备。 网络协调者必须是 FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。 一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是 RFD，也可以是 FFD。 RFD 的价格要比 FFD 便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。 从这一点来说， ZigBee 非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。 （ 2）可靠性 信号在无线环境中传输，必然存在大尺度衰落、阴影衰落、多径和干扰等问题。 ZigBee、蓝牙和 WLAN()都是工作于 频段，相互间的干扰 是不可避免的，因此保证可靠性尤为重要。 ZigBee 有三个工作频段： ～ 、 868～ 、 902～928MHz，共 27 个信道。 信道接入方式采用 CSMACA，能有效地减少帧的冲突。 为抗干扰和多径， ZigBee 在物理层采用直接序列扩频 DSSS 和频率捷变 FA 技术。 在网络层， ZigBee 支持网状网，存在冗余路由，保证了网络的健壮性。 （ 3）功耗 低功耗是 ZigBee 的一个重要特征。 在一个典型的 ZigBee 传感网络中，一块普通碱性电池可以供 ZigBee 设备工作六个月到两年。 下面讨论 ZigBee 获得低功耗的方法。 14 ZigBee 的 MAC 信道接入机制有两种：无信标（ Beacon）模式和有信标模式。 无信标模式就是标准的 ALOHACSMACA 的信道接入机制，终端节点只在有数据要收发的时候才和网络会话，其余时间都处于休眠模式，这样平均功耗就非常低。 有信标模式下，终端设备可以只在信标被广播时醒来，并侦听地址，如果没有侦听到自己的地址，则又转入休眠状态。 信标对簇形网络(Cluster tree work)和网状网 (Mesh work)的节点同步尤为重要，节点不用长时间侦听信道 而消耗能量。 网络拓扑结构对功率节省也有很重要的关系。 星形和簇形网络结构比网状网结构更有利于功率节省。 因为前者的终端节点不充当路由器的功能，只收发自己的数据，这样可以节省更多功率。 小结 由于 ZigBee 具有功耗极低、系统简单、成本低、低等待时间(Latency Time)和低数据速率的性质，它非常适合有大量终端设备的网络。 可以应用到以下领域：楼宇自动化、工业监视及控制、计算机外设、互动玩具、医疗设备、消费性电子产品、家庭自动化以及其他一些传感网络。 超宽带技术 (UWB) UWB 简介 超宽带 (UWB)有着悠久的发展历史，但在 1989 年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。 1989年，美国国防部高级研究计划署 (DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在 20dB 处的绝对带宽大于 或相对带宽（ 信号带宽与中心频率之比 ）大于 25%，则该信号为超宽带信号。 信号带宽与中心频率之比在 1%～ 25%之间为宽带，小于 1%为窄带。 见表 所示。 绝对带宽和相对带宽定义如下： 15 绝对带宽 LHAbsolute ffBW  ,相对 带宽LHLHFr ac tional ff ffBW  2。 其中 Hf 为信号在 20dB 辐射点对应的上限频率、 Lf 为信号在 20dB辐射点对应的下限频率。 可见 ,UWB 是指具有很高带宽比 (射频带宽与其中心频率之比 )的无线电技术。 窄带，宽带和超宽带的比较 分类 信号带宽 /中心频率 窄带 小于 1% 宽带 大于 1%，并且小于 25% UWB 大于 25% 为探索 UWB 应用于民用领域的可行性，自 1998 年起，美国联邦通信委员会 (FCC)开始在产业界广泛征求意见。 美国 NTIA 等通信团体对此大约提交了 800 多份意见书。 20xx 年 2 月， FCC 批准 UWB 技术进入民用领域，并对 UWB 进行了重新定义，规定 UWB 信号为相对带宽大于 20%或10dB 带宽大于 500MHz 的无线电信号。 根据 UWB 系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。 根据 FCC Part15 规定， UWB 通信系统可使用频段为～。 为保护现有系统 (如 GPRS、移动蜂窝系统、 WLAN 等 )不被 UWB 系统干扰，针对室内、室外不同应用，对 UWB 系统的辐射谱密度进行了严格限制，规定 UWB 系统的最高辐射谱密度为。 图 示出了FCC 对室内 UWB 系统的辐射功率谱密度限制。 当前，人们所说的 UWB 是指 FCC 给出的新定义。 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频 率 （ G H z ）F C C 户 内P a r t 1 5UWB EIRP辐射值(dBm) 图 FCC 对室内 UWB 系统的辐射限制 自 20xx 年至今，新技术和系统方案不断涌现，出现了基于载波的多带脉冲无线电超宽带 (IRUWB)系统、基于直扩 码分多址 (DSCDMA)的UWB 系统、基于多带正交频分复用 (OFDM)的 UWB 系统等。 可以预见，在未来的几年中， UWB 将成为无线个域网、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占据主导地位的物理层技术之一。 UWB 的技术特点 (1)传输速率高，空间容量大 根据仙农 (Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪声 (AWGN)信道中，系统无差错传输速率的上限为： )1(lo g 2 SN RBc  () 其中 ,B(单位 :Hz)为信道带宽 ,SNR 为信噪比。 在 UWB 系统中，信号带宽 B 高达 500MHz~。 因此，即使信噪比 SNR 很低， UWB 系统也可以在短距离上实现几百兆至 1Gb/s 的传输速率。 例如，如果使用 7GHz带宽，即使信噪比低至 10dB，其理论信道容量也可达到 1Gb/s。 因此，将 UWB 技术应用于短距离高速传输场合 (如高速 WPAN)是非常合适的，可以极大地提高空间容量。 理论研究表明，基于 UWB 的 WPAN 可达的空 17 间容量比目前 WLAN 标准 高出 1～ 2 个数量级。 (2)适合短距 离通信 按照 FCC 规定， UWB 系统的可辐射功率非常有限， ~频段总辐射功率仅 ，远低于传统窄带系统。 随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减。 因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数 rSNR (d)。 根据仙农公式，信道容量可以表示成距离的函数： )](1[lo g)( 2 dS N RBdc r () 另外 ,超宽带信号具有极其丰富的频率成分。 众所周知，无线信道在不同频段 表现出不同的衰落特性。 由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致 UWB 信号产生失真，从而严重影响系统性能。 (3)具有良好的共存性和保密性 由于 UWB 系统辐射谱密度极低 (小于 )，对传统的窄带系统来讲， UWB 信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下， UWB 信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。 因此， UWB 系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。 同时，极低的辐射谱密度使 UWB 信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利。 (4)多径分辨能力强，定位精度高 由于 UWB 信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。 因此， UWB 信号的多径分辨率极高。 极高的多径分辨能力赋予UWB 信号高精度的测距、定位能力。 无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。 在窄带系统中，不可分辨的多径将导致衰落，而 UWB 信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。 因此， UWB 系统具有很强的抗衰落能力。 但 UWB 信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散 (频率选择性衰落 )，接收机必须通过牺牲复杂度。