短距离无线通信数据传输方法研究本科生本科学位论文.docx
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短距离无线通信数据传输方法研究本科生本科学位论文
毕业设计
短距离无线通信数据传输方法的研究
摘要
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,各种短距离无线通信技术将在自动化控制和家庭信息化领域扮演越来越重要的角色。
对这些短距离无线通信数据传输方法的发展必将更好地服务于人们的工作和生活,使通信变得更为便捷。
本文主要研究几种常见的短距离无线通信数据传输方法,对目前使用较广泛的蓝牙、IEEE802.11系列无线局域网、UWB、HomeRF、ZigBee和红外传输技术分别进行了阐述,分析了它们的优缺点及实现方法,比较了它们在技术上的异同点,讨论了在选择、使用这些技术时应注意的问题。
进一步探究较具发展潜力的新无线技术标准UWB的实现方法,并对它的应用前景进行了分析和展望。
关键词:
短距离无线通信无线网络蓝牙UWB红外
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofnetworkandcommunicationtechnology,thewirelesscommunicationismoreandmoreincreasinglyforthepeople.allthekindofshort-rangewirelesscommunicationtechnologywillplayamoreandmoreimportantpartintheautomationcontrolandtheregionofhomeinformation.Themethodofdatatransfershouldservicewhichpeople’sworkandlifebetterfortheseshort-rangewirelesscommunication,atthesametime,itisquiteconvenientforthecorrespondent.
Thethesismostlyresearchthemethodofdatatransferwhichsomekindofcommonshort-rangewirelesscommunication.andexpoundthetransmissiontechnologywhichusedmorewidelyoftheBluetooth,ieee802.11serieswirelesslocalareanetworks,uwb,homerf,zigbeeandinfraredforthemoment,tofurtheranalysesandcomparetheirrelativemeritsandimplementationmethodclearly,thetechnicalofsimilaritiesanddifferentpoint,ithasbeenreviewedtheselectionanduseofthesetechnologiesshouldbenoticed.Tofurtherinvestigatethenewwirelesstechnologystandarduwbwhichhavethedevelopmentpotentialmethod.
Keyword:
Short-rangewirelesscommunication,WirelessnetworksBluetooth,UWB,Infrared
目录
第一章绪论…………………………………………………………1
1.1引言…………………………………………………………………1
1.2短距离无线通信技术的发展状况…………………………………1
1.3论文研究目的和内容………………………………………………2
第二章无线传输技术…………………………………………………4
2.1调制技术………………………………………………………………4
2.2分集技术………………………………………………………………4
2.3扩频技术………………………………………………………………5
2.4多址技术………………………………………………………………6
第三章短距离无线通信数据传输方式…………………………………7
3.1蓝牙技术………………………………………………………………7
3.2IEEE802.11……………………………………………………………9
3.3红外(IrDA)…………………………………………………………12
3.4HomeRF技术…………………………………………………………13
3.5ZigBee技术…………………………………………………………13
3.6超宽带技术…………………………………………………………15
3.7传输方式比较………………………………………………………24
第四章UWB在短距离无线通信技术中的展望………………………27
4.1UWB的优势…………………………………………………………27
4.2UWB的应用概述………………………………………………………27
4.3UWB的发展前景………………………………………………………29
结论…………………………………………………………………31
参考文献…………………………………………………………………32
致谢…………………………………………………………………33
第一章绪论
1.1引言
进入21世纪以来,无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。
现有的GSM、NCDMA等技术正红红火火地发展,第三代移动通信系统(3G)也已经提上了议事日程,并将很快投入商用。
这些技术能实现远距离的通信。
但人们也许没有注意到,在同一间屋内或很近的地方,同样也需要无线通信。
因此,又出现了另外一种需求:
实现低价位、低功耗、可替代电缆的无线数据和语音链路。
人们希望通过一个小型的、短距离的无线网络为移动和商业用户提供各种服务。
短距离无线通信技术的范围很广,只要通信收发双方通过无线电波传输信息,并且传输距离限制在较短的范围内,通常是几十米以内,就可以称为短距离无线通信。
特别是包括UWB、蓝牙、红外等在内的短距离无线通信技术正日益走向成熟,应用步伐也不断加快。
1.2短距离无线通信技术的发展状况
随着21世纪社会经济的迅速发展,人们对能够随时随地提供信息服务的移动计算与宽带无线通信的需求越来越迫切。
无处不在的网络终端,个性化、智能化的移动计算,以及方便、快捷的无线接入、无线互联等新概念和新产品,已经逐渐地融入人们的工作领域和正常生活中。
随之而来的便携式终端以及无线通信相关的新技术层出不穷,其中短距离无线通信技术的发展更是百花齐放、令人目不暇接。
正是由于无线频率资源的日渐珍贵,为短距离宽带无线通信技术的应用提供了广阔的市场前景。
因而短距离宽带无线通信技术受到了世界各国工业界和研究机构的广泛关注,也是今后较长时间内通信界研究的热点。
近来人们常见的热门话题中就包括无线局域网(WLAN)、无线个域网(WPAN)。
相关有代表性的短距离无线通信技术标准有IrDA、IEEE802.11b、IEEE802.11a、Bluetooth(蓝牙)、HomeRF、ZigBee、UWB超宽带等。
总体来讲,短距离无线通信技术目前在中国尚处于拓荒阶段。
国内的通信厂商对短距离无线通信标准化的参与还不是很多,主要停留在研究跟踪阶段。
不过,随着我国加入WTO进程加快,各种各样的知识产权纠纷接踵而至,许多组织机构和公司已经将短距离无线通信技术纳入了今后的研究视野。
从国际标准组织上看,我国不少高校和公司已经成为超宽带两大阵营组织的成员,在IEEE802.15会议上,中国UWB论坛、北京邮电大学等甚至联合意大利Create-Net公司向IEEE802.15.4a提交了备选物理层方案。
这说明我国的研究力量已经开始向短距离无线通信领域转移了,可以相信在未来几年,国内对这方面的研究将会更加深入和富有成效,从而最大程度地保护自主知识产权,争取在未来的技术标准竞争中位于不败位置。
1.3论文研究目的和内容
本文研究的目的是将短距离无线通信数据传输方法的发展更好地服务于人们的工作和生活,使通信变得更为便捷。
它不仅给人类社会带来了极大的方便,也给人类社会创造了巨大的财富,同时也促进了科技的发展。
它对人类的作用是非常重大的,它是科学家们努力汗水的结晶。
目前,短距离宽带无线通信技术已经受到世界各国工业界和研究机构的广泛关注,同时也是今后较长时间内通信界研究的热点。
本文的主要内容是研究各种短距离无线通信数据传输的方式,并且详细地阐述了目前使用较广泛的蓝牙、IEEE802.11、UWB、HomeRF和红外等传输技术,通过分析它们的优缺点及技术比较,确定一种目前最有发展前途的短距离无线通信数据传输方法——UWB超宽带无线通信技术。
它是一种高速、低成本和低功耗的数据通信方式,并且有望在无线通信领域得到广泛的应用。
第二章无线传输技术
无线通信经历了从无到有,从简单到复杂,从点对点通信到无线网络通信,从低速数据报到高速多媒体通信等过程。
在无线通信中,各种无线技术互补发展,各尽所长,向接入多元化、网络一体化、应用综合化的宽带无线网络发展,并逐步实现和宽带固定网络的有机融合。
下面简要介绍无线通信的几种传输技术。
2.1调制技术
调制技术就是对信号源的编码信息进行处理,使其变为适合于信道传输的形式的过程。
调制是通过改变高频载波的幅度、相位或者频率,使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现的。
而解调是将基带信号从载波中提取出来,以便预定的接收者(信宿)处理和理解的过程。
模拟基带信号的调制有调幅(AM)和调频(FM)两种。
大部分模拟无线通信系统采用FM方式。
数字基带信号的调制方式有幅度键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)等。
目前,在GSM数字蜂窝移动通信系统中选用高斯滤波最小移频键控(GMSK)调制,GMSK调制基于MSK调制,而MSK调制是连续相位频移键控(CPFSK)的一种特殊情况。
在很多无线系统中,大都使用了BPSK或QPSK以及多进制PSK或QAM方式。
2.2分集技术
分集技术是用来补偿信道衰落影响的,它通常要通过两个或更多的接收支路来实现。
基站和移动台的接受机都可以应用分集技术。
由于在任一瞬间,两个非相关的衰落信号同时处于深度衰落的概率是极小的,因此合成信号的衰落程度会明显减小。
分集有两重含义:
一是分散传输,使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号;二是集中处理,即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并,以降低衰落的影响。
分集的接收合并方式主要有3种:
选择性合并、最大比合并和等增益合并。
分集技术有多种,依信号的传输方式主要分为显分集和隐分集;依分集的目的,还可分为宏分集和微分集。
在无线通信系统中,很多都采用两个接收天线,以达到空间分集的效果;采用编码加交织方式实现时间隐分集的作用。
在无线数据传输中,采用多种自动重传技术实现时间分集;采用跳频、扩频或直接序列扩频技术实现频率隐分集作用。
2.3扩频技术
所谓扩频通信,是指发送端将待传送数据用扩频码调制实现频谱扩展,再进行传输的通信方式。
接收端采用同样的扩频码进行相关处理及解调,恢复原始数据信号。
扩频数字通信系统的框图如图2.1所示,图中输入和输出为二进制信息序列,PN序列用作扩频序列。
扩频调制采用数字乘法器加相应的滤波器实现,将扩频序列刻记在发送信号上,它的输出为扩频后的宽带信号。
扩频解调实现方式与扩频调制类似,将扩频序列从接收信号中去除,它的输出为解扩后的窄带信号。
扩频调制分为相移键控(PSK)和频移键控(FSK)。
相移键控中,调制器的PN序列用于随机改变被键控信号的相位,由此产生的调制信号成为直接序列扩频(DSSS)信号或简称直扩频信号。
常用的直扩信号有:
二相相移键控(BPSK)、四相相移键控(QPSK)、最小频移键控(MSK)。
PN序列与二进制或M进制频移键控结合时,随机选择发送信号的载波频率,由此产生的信号称为跳频扩频(FHSS)信号。
目前应用最多的扩频方式有两类:
(1)直接扩频方式码分多址(DS/CDMA),直接用扩频码作为地址码调制信号,调制方式通常用PSK。
(2)跳频扩频方式码分多址(FH/CDMA),属于间接型,用MFSK调制。
通常用地址码控制特制的频率合成器,产生频率在较大范围内按一定规律周期性跳动的本振信号,与高速的信息码混频后输出。
2.4多址技术
在无线通信系统中,是以信道来区分通信对象的。
一个信道只容纳一个用户进行通话,许多同时通话的用户,可以共享无线媒体,用某种方式可区分不同的用户,这就是多址方式。
在无线通信环境的电波覆盖区内,如何建立用户之间的无线信道的连接,是多址接入方式的问题。
解决多址接入问题的方法叫多址接入技术。
当以传输信号的载波频率不同来区分信道建立多址接入时,称为频分多址方式(FDMA);当以传输信号存在的时间不同来区分信道建立多址接入时,称为时分多址方式(TDMA);当以传输信号的码型不同来区分信道建立多址接入时,称为码分多址方式(CDMA)。
目前,在无线通信中应用的多址方式有:
频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)以及它们的混合应用方式等。
此外除了以上3种多址方式外,还有空分多址(SDMA)技术,一般空分多址需要与其他多址方式结合。
第三章短距离无线通信数据传输方式
本章主要介绍几种常见的短距离无线通信数据传输的方式,对目前使用较广泛的蓝牙、IEEE802.11、红外、HomeRF、Zigbee和UWB等传输技术进行了详细的介绍,并分析了它们的优缺点及技术比较。
下面将介绍这几种常见的数据传输方式。
3.1蓝牙技术
3.1.1蓝牙简介
所谓蓝牙技术,实际上就是一种短距离(10~100米)的无线连接技术,把一种微型、廉价的通信模块嵌入各类信息设备中,实现这些设备的无线互联,而不用电缆。
它可实现语音、数据无线传输及进入网络。
它采用全世界统一的开放性规范,使不同厂家的移动电话、计算机、信息家电互联互通成为可能。
3.1.2蓝牙技术的典型应用
蓝牙技术适用于以下三个方面的短距离无线连接:
(1)数据和语音接入点;
(2)替代电线和电缆;(3)包含硬件、软件和互操作需求的一种无固定中心站的网络。
蓝牙技术的几种典型应用如下:
(1)三合一电话。
“蓝芽”技术使一部移动电话手机能在多种场合内使用:
在办公室里,这部手机是内部电话,不计电话费;在家里,是无绳电话,计固定电话费;出门在外,是一部移动电话,按移动电话的话费订费。
(2)因特网桥。
“蓝芽”技术可以使便携式电脑在任何地方都能通过移动电话手机进入因特网,随时随地到因特网上去“冲浪”。
(3)交互性会议。
在会议中,“蓝芽”技术可以迅速使自己的信息通过电脑、手机、PDA等供其他与会者共享。
(4)房门公文包。
笔记本电脑还在皮包里时收到了外来的电子邮件,用户的移动电话就会发出声音,提醒用户“电脑收到了电子邮件”。
这时用户不用打开电脑,在手机上就可以浏览收到的电子邮件。
(5)数字相机中图像的无线传输。
“蓝芽”技术将数字相机中的图像发送给其它的数字相机或者PC机、PDA等。
(6)各种家用设备的遥控和组成家电网络。
3.1.3蓝牙技术的特点
蓝牙技术是移动通信技术和计算机技术的综合,其产品是超短距离的无线通信网产品,蓝牙技术依托SIG推出的蓝牙规范,目前版本No.1,主要按美国要求为目标,对于某些国家,有某些参数(例如发射频率或功率)有可能要作些调整,蓝牙主要技术参数如下:
(1)工作频段
蓝牙产品使用无需申请许可证的工业、医学、科学自由频段(ISM),频率为2.402GHz~2.480GHz,此频段可以在全世界通用,产品兼容性良好,能大大减少建网的困难,有利于推广使用。
各国无线电管理机构只是规定该频段的带外辐射和最大发射功率,产品只需满足此规定,无需申请,便可使用。
(2)工作方式
采用时分双工---跳频方式,信道分成若干个长为625微秒的时隙,每个时隙交替进行发射和接收实现时分双工。
每个时隙对应不同的跳频频率,在2.402~2.480GHz频段内含有间隔为1MHz的79个跳频载频及一系列的跳频序列。
跳频速率为1600跳/秒,每个时隙传送一个分组数据。
由于采用了时分双工,可以防止收发信机之间的串扰。
由于采用跳频技术提高了设备抗干扰能力,便于叠区组网。
(3)分组传输方式
蓝牙系统基于分组传输信息流被分成多个小组,每一个小组由地址、分组头、有效数据组成,具有同一结构地址码为随机编码,具有随机特性,只有地址码相同的设备才可通信。
分组报头用8比特的差错校验码(HFC)。
支持1/3速率、2/3速率的前向纠错(FEC)和自动重传请求(ARQ),此两种措施均能有效防止报头出错。
(4)基带协议
蓝牙基带协议包含电路交换和分组交换支持电路交换方式和分组交换方式,支持以下三种通信信道:
同步话音同时传送信道:
可提供三路64kbit/s话音信道同时传送。
异步对称数据传送信道:
最大上行数据速率为433.9kbit/s、最大下行数据速率也为433.9kbit/s。
异步不对称数据传送信道:
最大上行数据速率为723.2kbit/s或457.6kbit/s、最大下行数据速率为57kbit/s或723.2kbit/s
(5)输出功率
发射输出功率分为三类不同设备可选择不同类型。
第一类最大输出功率为100mW、最大距离约为100米。
第二类输出功率为2.5mW。
第三类输出功率为1mW。
同时还规定了三种功率模式以延长电池的寿命。
此三种模式分别是侦听模式、保持模式和休眠模式,耗电分别按次序由大到小。
3.1.4小结
综上所述蓝牙技术是一种全球统一标准、互操作强、体积小、工作频段不受限制、无需电缆连接的无线网络新产品,特别适于短距离移动传输。
各类家电信息产品只需多花几美元就能连接成网,嵌入的蓝牙模块成本不高,甚至希望能低于电缆和连接头。
人们希望这种理想尽快实现,产品尽快问世。
但是蓝牙技术作为一种综合性很强的高科技通信产品,与任何一种高科技新技术一样,它的研发与生产同样存在风险,技术越高,投资必越大,风险也越高。
我们应该即要看到蓝牙的特点、优点,也要看到蓝牙的问题和不成熟度。
3.2IEEE802.11
3.2.1IEEE802.11简介
IEEE802.11是美国电气电子工程师协会IEEE(InstituteforElectricalandElectronicEngineers)为解决无线网路设备互连,于1997年6月制定发布的无线局域网标准。
802.11的特性说明见表3.1。
IEEE802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层,其物理层标准主要有IEEE802.11b,a和g。
(1)IEEE802.11b
1999年9月正式通过的IEEE802.11b标准是IEEE802.11协议标准的扩展。
它可以支持最高11Mbps的数据速率,运行在2.4GHz的ISM频段上,采用的调制技术是CCK。
但是随着用户不断增长的对数据速率的要求,CCK调制方式就不再是一种合适的方法了。
因为对于直接序列扩频技术来说,为了取得较高的数据速率,并达到扩频的目的,选取的码片的速率就要更高,这对于现有的码片来说比较困难;对于接收端的RAKE接收机来说,在高速数据速率的情况下,为了达到良好的时间分集效果,要求RAKE接收机有更复杂的结构,在硬件上不易实现。
(2)IEEE802.11a
IEEE802.11a工作5GHz频段上,使用OFDM调制技术可支持54Mbps的传输速率。
802.11a与802.11b两个标准都存在着各自的优缺点,802.11b的优势在于价格低廉,但速率较低(最高11Mbps);而802.11a优势在于传输速率快(最高54Mbps)且受干扰少,但价格相对较高。
另外,11a与11b工作在不同的频段上,不能工作在同一AP的网络里,因此11a与11b互不兼容。
(3)IEEE802.11g
为了解决上述问题,为了进一步推动无线局域网的发展,2003年7月802.11工作组批准了802.11g标准。
。
该草案与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点:
其在2.4G频段使用OFDM调制技术,使数据传输速率提高到20Mbps以上;IEEE802.11g标准能够与802.11b的WIFI系统互相连通,共存在同一AP的网络里,保障了后向兼容性。
它们在技术和性能上各有差异。
如表3.2所示:
表3.2几种主要802.11WLAN标准的区别
标准
频带(GHz)
最大物理层数据速率(Mbit/s)
第三层数据速率(Mbit/s)
传输技术
与所列标准兼容性
主要优点
主要缺点
802.11
2.4
2
1.2
FHSS/DSSS
无
较大的辐射范围
有限的比特率
802.11a
5.0
54
32
OFDM
无
在非拥挤频段有较高的比特率
在802.11标准族中,辐射范围最小
802.11b
2.4
11
6~7
DSSS
802.11
应用广泛,较大的辐射范围
对许多现在的应用需求来说,比特率太低
802.11g
2.4
54
32
OFDM
802.11/802.11b
在2.4GHz的频带有较高的比特率
共存WLAN数目小,辐射范围比802.11a大
3.2.2IEEE802.11无线局域网的物理层关键技术
IEEE802.11无线局域网络是一种能支持较高数据传输速率(1-54Mbit/s),采用微蜂窝,微微蜂窝结构的自主管理的计算机局域网络。
其关键技术大致有三种:
DSSS、CCK技术,PBCC,和OFDM。
每种技术皆有其特点,目前,扩频调制技术正成为主流,而OFDM技术由于其优越的传输性能成为人们关注的新焦点。
3.2.3小结
802.11是IEEE制订的第一个无线局域网标准,主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入,业务主要限于数据访问,速率最高只能达到2Mbit/s。
其工作频带为ISM频段,标准主要是制定物理层和媒体接入控制(MAC)层的规范。
3.3红外(IrDA)
3.3.1红外技术简介
红外线数据协会IrDA(InfraredDataAssociation)成立于1993年,是致力于建立红外线无线连接的非营利组织。
起初,采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kb/s速率传输数据,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。
3.2.2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
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