常用无线通讯技术与应用

盛会 郭辉 陈恒峰 杨相飞

摘要：介绍蓝牙、GPRS、UWB、Wi-Fi这4种常用无线网络技术的主要特点、应用领域及存在的不足，阐述其相互关系和融合问题，描述不同无线传输协议的辐射问题，为无线个域网（WPAN）和数据采集与监控系统（SCADA）领域的迅速发展提供参考。

关键词：蓝牙；GPRS；UWB；Wi-Fi；无线网络

中图分类号：TN014 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）07-0060-04

接入技术主要分为有线接入和无线接入两种，其中无线接入技以电磁波为媒介，省去了繁琐的布线问题。随着无线个域网（WPAN）的升温，计算机、通信与家电的融合逐步走进人们日常生活，促使短距离数据业务迅速膨胀。数据采集与监控系统（SCADA）可对设备进行实时监视和控制，实现数据采集、设备管控、参数设定及信息报警等功能。但通信技术在很大程度上限制了其发展。无线接入技术的不断发展更新，为WPAN组成无线、高速、互联的个人化信息网络和SCADA发展提供了新机遇。

1 蓝牙技术

为除去设备间的“最后”连接，满足移动设备在WAPN内的通讯。1994年，瑞典爱立信公司在“多通信链路（Multi-Communicator Link，MC Link）课题中，通过无线电射频技术实现移动设备与周围器件互连，并将这种无线互连技术规范命名为蓝牙（Bluetooth）。SIG为推广蓝牙技术，将其标准全部公开，只要产品最终通过SIG蓝牙产品兼容性测试，就可推向市场。这使得蓝牙成为一种开放性的、短距离无线数据和语音通信全球规范。

1.1 特点

蓝牙设备间可快速方便地建立无线连接，具有较强的移植性、安全性，且设备地址唯一，支持皮可网与分散网等组网方式。

1） 低功耗，体积小，便于集成。蓝牙设备有4种通信模式，其中除激活模式为正常工作状态外，呼吸、保持和休眠模式为低功耗模式。蓝牙设备的体积较小，可以很方便的嵌入和集成。

2） 采用跳频扩频技术。将2.402～2.480 GHz频段分成79个频点，通过频点间跳转来发送数据，频点排列顺序采用伪随机方式，每秒频率改变1 600次。跳频技术使蓝牙的无线链路具备更高的安全性和抗干扰能力，但目前蓝牙设备的传输距离仅10 m。

3） 采用时分复用多路访问技术。蓝牙设备通过数据包的形式按时隙传送数据，在很大程度上避免了无线通信中的“碰撞”和“隐藏终端”等问题。

4） 可同传语音和数据。蓝牙使用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道，以及异步数据与同步语音同时传输。

5） 对人体安全影响不大。经世界卫生组织和IEEE等专家检测，蓝牙辐射不会对人体产生危害。其输出功率仅为移动电话功率的一小部分（1 mW），只有微弱部分被人体吸收。

1.2 应用领域及产品

目前，蓝牙标准提供多种应用模型，包括蓝牙芯片、蓝牙适配器、蓝牙耳机、蓝牙数码相机和蓝牙标签等。将上述设备组成一个微微网（Piconet），多个微微网间可以相互传输信息，设备间可随时随地进行通信。蓝牙技术广泛地应用于无线医疗监护、电力抄表、智能交通和智能家居控制等多种领域。

1.3 存在的问题

1） 干扰问题。蓝牙和ZigBee，RFID，HomeRF，WLAN等共同工作在2.4 GHz免费ISM频段，所以彼此间的干扰不可避免。同时，蓝牙皮可网之间数据的同频和邻频干扰也同样存在。

2） 蓝牙技术数据传输安全问题。单元密钥的使用容易受外界针对性攻击；蓝牙单元提供的个人识别码存在安全问题。谭永亮等在分析蓝牙加密算法的基础上，提出另一种以IDEA为基础的蓝牙加密算法；徐向东等通过充分分析蓝牙数据安全加密算法中的不足，提出用DES加密算法替代原有EO加密算法。

2 GPRS技术

GPRS是General Packet Radio Service（通用无线分组业务）的缩写，为叠加在GSM网络上的二级网络，因此系统升级较为方便，只需做软件升级，硬件变动较少。设备通过接入GPRS网络与在Internet互联网上的服务器完成数据交换。

2.1 技术优势

1） 永远在线，快速登录。用户开通GPRS业务功能后，开机就会建立联系并附着在网络上保持连接，发出请求即可实现数据通信。之后使用只需激活就可快速登陆到互联网。

2） 高速传输。实际速率受编码和软硬件限制，在同时启用8个信道进行GPRS数据传输时，速率可达115 kb/s。实际应用中为保证GSM话音优先传送，最多只用4个信道进行GPRS数据传输，因此实际速率约为30～56 kb/s。

3） 按量收费。只有用户在实际收发数据时才占用GPRS网络资源，平时挂在网上并不会产生任何数据流量和收费。GPRS数据传输与话音传输可同时进行，也可以切换进行。

4） 资源利用率高。为解决传统电路交换中的信道占用问题，GPRS采用“分组”技术，仅在数据通信时占用信道资源，使信道利用率得到提高。增加分层网络功能，与计算机网络有很好的兼容性，支持TCP/IP协议，可快速将数据从远端传送到服务器上。

2.2 应用

采用GPRS技术的SCADA，在实现对无线分布式系统监控管理的同时，使系统部署的灵活性大大增强。同时嵌入式GPRS模块的研制，使其应用更加便捷。

GPRS个人业务有移动商务、移动办公、娱乐休闲、定位服务等。

GPRS行业应用有：1） 分散数据采集。GPRS发送和接收数据可以在端到端分组转移模式下进行，从而节省电路交换模式的网络资源。特别适用于采集点分散，间断的、突发性的、频繁的、少量的数据传输或偶尔的大数据量传输。2） 智能公交管理。公交管理主要按照调度中心时刻表进行，而采用GPS和GPRS相结合的移动终端后，车辆可实时向调度中心汇报自身位置，并通过电子站牌发布，方便市民出行。3） 银行交易。移动无线POS机的出现，摆脱了传统线路束缚，使银行业务得到拓展。4） 家居智能化。通过手机实时操纵家庭中的各种设备，如音视频设备、照明系统、空调和安防系统，使家居生活更加安全舒适。

2.3 技术缺陷

1） 终端不支持无线终止功能。目前GPRS终端尚不具备无线终止接收来电服务，可能限制其在非语音服务市场的推广。同时GPRS装载的WAP手机浏览器，未经授权内容也会发送给用户并收费。

2） 干扰问题。所有无线通信技术都面临网内和网外干扰问题。干扰会造成空中接口信息扭曲或破坏，而且接受方难以还原，造成GSM话音质量下降和GPRS错误数据包重传。如果干扰时间过长，可能造成服务中断。

3） 分组数据信道（PDCH）分配失败。PDCH作为GPRS传送数据包信道，具有固定和动态分配两种方式。在固定分配情况下，专用的PDCH仅给使用GPRS的用户提供业务；在动态分配时，利用多余话音信道为用户提供业务。GPRS用户的PDCH分配量取决于所在区域空闲的话音信道。此外，PCU资源短缺也会引起PDCH分配失败。

3 UWB技术

超宽带（UWB）技术是一种能够实现无线局域网（WLAN）和WAPN无线互联的技术。2002年美国联邦通信委员会（FCC）修订了第15标准，将UWB定义为：相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻绝对带宽不小于500 MHz的信号；将信号带宽定义为：低于最高发射功率10 dB的截止频率间的带宽。UWB的频段在3.1G～10.6 GHz之间，发射功率需控制在1 mW以下。

UWB是一种无载波通信技术，通过冲击脉冲的陡峭上升和下降时间的对数据进行直接调制，而非传统的把信号从基带调制到载波上。因此UWB技术又被称作无载波传输技术、基带传输技术或冲激无线电技术。其基本原理是信息论中的“香农公式”，即：。从式中可以看出，带宽B的增加使信道容量C的升高远远大于信号功率S上升所带来的效应。

3.1 技术优势

1） 传输速率高。UWB高速数据传输具有两层含义。一是普通意义上的高速数据传输：即在室内同时激活5～10台UWB设备，以12.5～62.5 Mb/s的速率传输1～10 m；其二为极高速数据传输，在几米范围内可实现几G/s的传输速率。

2） 多径分辨能力强。从时域角度讲，UWB系统的脉冲宽度仅为纳秒级，具有较高的时间分辨力；从频域角度分析，多径衰落只存在某些频点处，而UWB极宽的带宽使能量衰落只占很小一部分。通过多径环境试验对比，在常规无线电信号衰落达到10～30 dB时，UWB的衰落不到5 dB。

3） 电磁兼容性好。FCC规定，UWB的发送功率谱密度需低于41.3 dBm/MHz，仅相当于普通非UWB接收机的宽带白噪声。

4） 发射功率低、功耗小，绿色环保。UWB信号无需载波，略去了发射连续载波时消耗的大量能量，打破了过去任何一项传输技术的功耗和带宽成正比的定律。UWB高速通信时的功耗仅为几毫瓦至几十毫瓦。民用设备的功率约为传统移动电话的1/10、蓝牙设备的1/20，不会对人体产生影响。

5） 系统安全性好。UWB信号隐蔽在环境噪声和其它信号中，解调时必须采用与发端一致的扩频码脉冲序列，具有低截获能力。

3.2 应用

UWB具有很高的定位精度和极强的穿透能力，可以将定位与通信合一。与GPS卫星可视范围内的绝对地理位置定位不同，UWB可在室内和地下进行精确定位并给出相对位置，因此在穿墙成像、信息通信、车载雷达、医疗电子、近距离高精度定位等领域广泛应用。

3.3 局限性

首先，UWB技术的脉冲持续时间较短，对检测接收脉冲具有一定影响。其次，传统收发信机只需控制外噪声，而UWB板载微控制器噪声是一个亟待解决的问题。再次，UWB系统需在灵活支持多速率、复杂度、发送峰值功率、带宽效率和用BER表示性能间达成折衷。

4 Wi-Fi技术

Wi-Fi即“无线保真”（Wireless Fidelity），指802.11标准的IEEE802.11b子集。多用的IEEE802.11b与IEEE802.11g设备使用2.400 0～2.483 5 GHz的免许可频段。现IEEE802.11标准被统称作Wi-Fi。作为一种在百米内支持互联网接入的重要技术，与蓝牙同属短距离无线技术。

Wi-Fi网架结构是在Wi-Fi网络在有线宽带网络基础上，配备无线网卡和一台AP（Access Point），即“无线访问接入点”或“桥接器”。通过配置多个接入点AP形成一个连续覆盖区域，实现移动漫游。

4.1 技术优势

1） 业务可集成。Wi-Fi技术在OSI参考模型的数据链路层上与以太网完全一致，因此可以利用已有的有线资源进行Wi-Fi网络部署，快速形成无缝网络覆盖。

2） 无需布线。通过在人员密集的公共场所设置无线网络“热点”进行互联网连接，只要用户处于“热点”范围内，即可快速便捷接入。

3） 覆盖范围广，传输速度快。网络覆盖半径可达100 m。在传输速率方面，IEEE802.11n可以将WLAN的传输速率由目前的54 Mbp提高到300 Mbp，甚至达600 Mbp。

4） 兼容性好且绿色环保。802.11n是一个完全可编程硬件平台，不同系统可通过不同软件在802.11n上兼容，使802.11n兼容所有802.11系列协议。Wi-Fi应用中，IEEE802.11实际发射功率约60～70 mW，且不会与人体直接接触。较发射功率为0.2～1.0 W的蜂窝电话更健康、安全。

4.2 应用

1） Wi-Fi技术的市场发展。WiFi组网方式多种多样，不但个人家庭中可以用到，医疗保健、企业办公、休闲会所、图书馆等人员密集场所均可用到。最值得一提的是，在具有Wi-Fi模块的智能手机上安装相应VOIP软件后，可实现语音通话。

2） Wi-Fi定位技术的发展。实时定位系统（RTLS）可在一定区域内对车辆和人员进行实时定位跟踪。Wi-Fi快速定位特别是首次快速定位的实时性较好。

3） Wi-Fi可作为有线接入技术和蜂窝移动通信技术的补充。鉴于家庭网络及小型办公网络对Wi-Fi技术的大量需求，电信运营商一般都在安装网络时架设了Wi-Fi网络。4G代表的蜂窝网络和Wi-Fi凭借各自无可取代的特点共存互补，是发展的必然趋势。

4.3 技术瓶颈

1） Wi-Fi单点覆盖半径仅100 m，且信号随距节点距离增加而减弱，移动性能也不佳。在室内较为复杂的环境，容易导致信号多径效应。

2） Wi-Fi网络的安全性差强人意。802.11提供一种名为WEP的加密算法，但由于Wi-Fi缺少有线网络的物理结构，因此对方在信号覆盖范围内通过无线网卡就可以访问网络，占用带宽，造成信息泄露。Wi-Fi使用无线网络频率无需显式申请，容易网络饱和及受到攻击。

5 WiMAX技术

随着IPTV、流媒体等业务的快速发展，用户对“最后一公里”宽带化的需求越发强烈。WiMAX（Worldwide Interoperability forMicrowave Access）全球微波接入互操作性，作为“最后一公里”的无线接入手段，可以使网络部署的灵活性和可搬移性得到提高，常被作为802.16的代名词。其既可以提供数据接入业务，也可实现基于宽带的NGN话音业务。

WiMAX工作频率在2～66 GHz之间，信道带宽可在1.5～20 MHz范围内调整，使其在所分配的信道带宽内更好的利用频谱资源。采用宏小区方式的WiMAX技术，覆盖半径最大可达50 km。使用20 MHz信道带宽时，共享数据的传输速率可达70 Mbit/s（覆盖半径为3～5 km）。同时，可采用多扇区技术提高系统容量。

5.1 特点

WiMAX相比传统有线宽带具有以下特点：

1） 灵活性强。WiMAX可快速在任何临时站点建立，省去繁琐的线路布置。而且系统资源可依据用户需求和信道状况进行动态调整，使资费更加合理，同时也避免了资源的浪费。

2） 应用范围广。由于WiMAX具有足够的覆盖范围，因此在有线宽带不便部署的区域，WiMAX表现出更大的技术优势，打破ADSL接入必须在5 km以内的距离限制。

3） 成本低。在距离市区较远的城郊和农村地区，布线问题使传统宽带接入成本迅速提升。而WiMAX通过单个基站就可为成千上万用户提供不同服务，有效解决成本问题。

5.2 应用

WiMAX的应用主要定位在两个方面：一是依据WiMAX无线专线速度快、建设周期短、接入方式简单、资费便宜的优点，将其作为有线宽带接入方式的有力补充，扩展宽带接入范围并增加其灵活性；另一个是与WiFi技术分别致力于城域网与局域网2个互补领域，WiMAX解决“最后一公里”，WLAN解决“最后一百米”。WiMAX的出现，为宽带无线接入提供了理论基础和技术支持，为宽带无线接入技术的发展指明了方向。

5.3 存在的问题

1） 严格来讲，WiMAX不是真正意义上的移动通信系统标准，只是无线城域网的一项技术。只有达到802.16 m才能成为具有无缝切换功能的移动通信系统，但相关进展尚有不确定性。

2） 频率分配是WiMAX发展的前提，而世界各国对WiMAX的频段尚没有明确一致的意见。为增加信号的移动性能，802.16e将频率限制在6 GHz以下需许可证频段，全球范围内的6 GHz以下频率资源非常紧张，频率分配同样存在不确定性因素。

6 ZigBee技术

ZigBee作为新一代无线通讯技术，之前也被称为HomeRF Lite，RF- EasyLink，fireFly无线电技术。基于IEEE802.15.4标准和ZigBee网络协议而设计的ZigBee无线传感器网络，主要适用于短距离、低功耗且传输速率不高及具有典型周期性、间歇性数据和低反应时间的电子设备间无线数据传输。

6.1 特点

1） 低功耗。ZigBee技术采用休眠唤醒工作模式，有较低的传输速率和较近的传输距离，发射功率仅为1 mW。

2） 网络容量大。ZigBee网络具有三种网络拓扑结构，每种结构都包括一个协调器和若干不同数量的路由器或终端设备，协调器可以带有255个激活节点（蓝牙只有8个），理论上可以组建65 535个节点的无线传感器网络。

3） 支持自组网，自恢复能力强。由ZDO定义的Coordinator发起网络，其它设备会自动搜寻网络并加入其中。当预先确定的网络路径发生变化或中断时，动态路由结合网状拓扑结构模块会重新寻找通信对象并构建新的网络通道，保证数据传输可靠性。

6.2 技术瓶颈

ZigBee的网络封包格式与IP网络不同，导致其不能与IP网络互连互通，这在很大程度上阻碍着ZigBee的应用和发展。

目前，国内ZigBee技术主要采用ISM频段中的2.5 GHz频率，存在衍射能力弱的问题，导致室内信号质量较差。有些厂家使用射频功放增加信号强度，但会造成额外的辐射污染，与ZigBee节能的初衷背道而驰。

6.3 应用

ZigBee作为近距离、低成本、低功耗、低数据速率的双向无线通信技术，已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能家居、井下人员定位、供应链自动化、工业自动化、数字化医疗、农业自动化监控系统等领域。

7 结语

虽然无线网络存在传输效率、可靠性及安全性问题，但其优势显而易见。伴随着移动通信和互联网技术的高速发展，二者之间的融合越来越明显，移动通信逐步走向宽带化，宽带接入逐步走向无线化，通信技术和计算机技术融合成为必然趋势。

参考文献

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[2] 许涛.超宽带定位系统中基带信号的设计与实现[D].厦门：厦门大学，2013.

[3] 李娟.基于ZigBee技术的收费站人员设备定位系统研究[D].长安：长安大学，2012.