短距离无线通信技术综述

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，也出现了许多的无线通信协议。文章对目前使用较广泛的蓝牙、802.11(Wi-Fi)和IrDA无线协议分别进行了阐述，比较了他们技术上的异同点，讨论了在选择、使用这些技术时应注意的问题，对较具发展潜力的新无线技术标准UWB，ZigBee也进行了阐述。对他们的未来应用进行了展望。
关键词：蓝牙; IrDA； Wi-Fi； UWB； ZigBee
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。
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　蓝牙技术的应用及市场展望
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。
IBM、索尼和东芝等公司已经推出同时支持蓝牙 和802．11b的笔记本电脑。微软也表示，一旦支持蓝牙的外围设备开始问世，出现了足够多的设备驱动程序，他将在Windows XP中增加对蓝牙的支持。韩国和台湾的许多公司也利用其在手机、电脑开发制造上的优势，积极介入蓝牙技术的研发，并不断有产品推出。可以预料，蓝牙技术将和PC、移动电话、数码相机一样迅速流行。
2　802.11(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11 Mb／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。
最初的IEEE802．11规范是在1997年提出的，称为802．11b，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，他的工作频率也是2．4 GHZ，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。起先,Wi-Fi元件昂贵，兼容性不好，安全性也不能令人满意。随着时间推移，这些问题逐步得到解决，且随着Wi-Fi协议新版本，如802．11a和802．11g的先后推出,Wi-Fi的应用将越来越广泛。
802．11a标准还没有被工业界广泛接受。他工作在5 GHz频率范围，传输速率54 Mb／s，使用正交频分多路复用（Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing，OFDM）调制技术，比802．11b采用的补码键控（Complementary Code Keying，CCK）调制方案快，但他不向后兼容802．11b。
Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11 Mb／s的速度接入Web。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享,Wi-Fi的连接速度一般将只有几百kb/s的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。
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。
WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO（SmallOffice Home Office，在家办公）、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。
微软推出的桌面操作系统Windows XP和嵌入式操作系统Windows　CE，都包含了对Wi-Fi的支持。其中，Windows CE同时还包含对Wi-Fi的竞争对手蓝牙等其他无线通信技术的支持。
由于投资802．11b的费用降低，许多厂商介入这一领域。Intel推出了集成WLAN技术的笔记本电脑芯片组，不用外接无线网卡，就可实现无线上网。国内的联想、清华同方、方正等公司都推出无线网卡等无线网络解决方案。
一些厂商为了争夺市场，推出同时支持802．11a，802．11b和802．11g的芯片，这种芯片可以在2．4 GHz 和5．2 GHz的波段以54 Mb／s的速率传输数据。至少已经有一家公司发布了同时支持Wi-Fi和蓝牙的芯片。摩托罗拉、诺基亚和韩国三星公司等厂商，计划在他们的手机产品中加入Wi-Fi功能。
更多新的Wi-Fi标准正在制定之中。速度更快的802．11g使用与802．11b相同的正交频分多路复用调制技术。他工作在2．4 GHz频段，速率达54 Mb／s。比目前通用的802．11b快了5倍。802．11g标准本质上扩展了802．11b在2．4 GHz频段的性能，通过使用OFDM技术，获得了54 Mb／s的高速，并且完全向后08兼容802．11b，他将最终取代802．11a。802．11g虽然还在草稿阶段，但是根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断，802．11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。
3　IrDA
红外线数据协会IrDA（Infrared DataAssociation）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1 m范围内以115．2 kb／s速率传输数据，很快发展到4 Mb／s的速率，后来，速率又达到16 Mb／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。
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。
4　UWB
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。
5　ZigBee
ZigBee可以说是蓝牙的同族兄弟，他使用2．4 GHz波段，采用跳频技术。与蓝牙相比，ZigBee更简单、