高校短程无线通信技术分析与应用场景研究

王伦生，宋传玲

(山东商业职业技术学院，山东 济南 250103)

0 引言

自从1983年尼古拉·特斯拉发明了第一个无线电设备后，人们在无线通信领域的研究从未停止。相比于有线通信，无线通信具有了更高的灵活性，使得布线复杂、维护困难等问题有了解决方案，但无线通信也有自身难以解决的问题，受电磁干扰、环境遮挡等问题制约。

无线通信技术按照不同的标准有不同的分类方法，一种分类是根据通信距离区分。长距离技术注重用尽可能小的功率实现尽可能大的覆盖范围，目前在蜂窝网、卫星通信等领域应用广泛。短距离通信技术则降低功率以实现频率的复用，并配合各种扩频技术，尽可能大的提升通信容量。

本文将介绍三种目前较为实用的短距离通信技术，分析其技术优缺点，并对三种技术的实用场景进行介绍。

1 短距离通信技术分析

1.1 ZigBee技术

ZigBee技术底层基于IEEE 802.15.4协议，其主要的技术特征为短距离、低速率、低功耗、低成本，因此，ZigBee技术十分适合大规模部署。[1]当前，该技术在远程工业控制、智能家居等领域有着广泛的应用。ZigBee一词源于蜜蜂传递信息的ZigZag型“舞蹈”，设计之初，该技术就以大规模无线自组织通信网络为目标，与蜂群的行动模式接近，在中文中，该技术也被成为紫峰协议。

ZigBee技术定义了两种设备：一种为支持所有设计功能的全功能设备(FFD)，另一种为仅保留少量功能的精简功能设备(RFD)。这样定义的优势在于通过区分不同的设备，可以明显的降低大规模组网的成本。一般网络内分为协调器、路由器和终端三种节点，其中，对于功能需求较低的终端节点可使用更为廉价的RFD设备实现，仅少量的路由器节点与协调器节点使用FFD设备。

ZigBee技术支持灵活的组网方式，比如网状网、树状网、星形网，以及根据特殊需要灵活结合上述的网络结构。复杂的网络拓扑结构可以极大地拓展自ZigBee通信系统的通信距离，通过路由协议，网络内的非终端节点可起到路由器的作用，转发来自终端的数据包，以多跳通信的方式完成长距离的通信，以弥补ZigBee技术设计上的不足。

图1 网络拓扑结构(星形、网状、网状-树形结构)

在全球，ZigBee技术使用了两种不同的物理层标准——868/915MHz频段与2.4GHz频段。在国内，使用的是2.4GHz的免许可频段。2.4GHz作为全球认可的免许可频段，有大量的设备工作于该频段，因此十分拥挤，为解决同频干扰问题，ZigBee技术采用了直接序列扩频(DSSS)技术。同时，另外两个频段也使用了相同的扩频技术，区别在于码片速率。

以目前高校常用的2.4GHz设备为例，该频段下共有16个速率为250Kbps的信道可以使用。首先将每四个物理层协议数据单元(PPDU)比特映射为一个符号，并通过32位的伪随机序列扩频，最后采用偏移四相移频键控调制，得到调制信号送往射频。图为实现过程，其比特速率为250Kbps，符号速率为62.5Kbaud，码片速率为2Mchip/s。

图2 2.4GHz物理层调制流程图

为保证无线通信的可靠性，ZigBee采用了带有冲突避免的载波监听多点接入(CSMA/CA)方式竞争通信，有两种组织方式。第一种为无信标网络，任何设备在需要占用信道时按照CSMA/CA算法竞争发送。第二种为有信标网络，可根据需求设计对应的超帧结构，分配竞争存取周期(CAP)和无竞争周期(CFP)，各设备以协调器发出的信标帧(Beacon Frame)为准通信。还使用ACK机制保证正确传输。

1.2 Bluetooth技术

Bluetooth技术诞生之初基于IEEE 802.15.1协议，现如今已经归蓝牙特别兴趣小组(Bluetooth Special Interest Group)负责开发与协议制定。蓝牙技术起初解决了固定设备与移动设备的连接问题，后来更广泛的应用于移动设备的通信，以统一数个丹麦部落的国王Harald Bluetooth的名字命名该技术。

蓝牙技术主要应用于点对点通信与微微网(Piconet)，可支持的设备数较少，在应用于微微网时，最多可支持256个设备连接，其中最多1个主设备和7个从设备处于激活状态。一般蓝牙设备支持自动的主从配置，且工作过程中可以自由的转换身份。其网络拓扑结构为星形结构，其中主设备可随时与相连接的任意一个从设备传输数据(蓝牙技术支持广播，但应用极少)，从设备只能与主设备连接，必要时通过主设备转发或重新建立连接的方式与其他从节点传输数据。

图3 蓝牙的拓扑结构

蓝牙技术使用的是2.4GHz的免许可频段，共有最多79个1MHz的信道(蓝牙4.0标准中为40个1MHz信道)，采用跳频扩频(FHSS)技术作为抗干扰的手段，正常工作时，其跳频频率为1600Hz。[2]为解决与WiFi等设备同频干扰的问题，自适应跳频(AFH)被提出，通过一个链路质量分析器(LQA)监听全部信道并建立一个拥有最小干扰的信道子集以提高通信质量。[3]

蓝牙技术的通信距离一般较短，有1m、10m和100m三种标准，其发射功率一般低于4dBm，可以满足10m内的通信。由于蓝牙技术一般为点对点通信，组网时也仅需要主设备发起通信，因此使用时分双工(TDD)的方式，而无需竞争接入。早期的蓝牙标准采用高斯移频键控(GFSK)，后期标准也支持π/4—DQPSK和8DPSK等更高阶调制，以支持更高的数据速率。蓝牙的高数据速率也使得该技术能承载更多的数据类型，目前蓝牙已经广泛的应用于多媒体数据的传输中。[4]在此基础上，对蓝牙通信安全的研究也相当广泛。

1.3 WLAN技术

WLAN技术全称为无线局域网(Wireless Local Area Networks)，其主要技术标准基于IEEE 802.11标准。WLAN技术使用两种免许可频段，现在市场上有相当多产品已经同时支持两个频段，使得WLAN在部署时具有很大的灵活性。

从802.11标准诞生后，各种版本的修订方案也随之诞生。802.11a标准定义了一种工作于5GHz频段的物理层，其采用正交频分多址技术(OFDM)，最大支持54Mbps的速率，同年发布的802.11b标准定义了一种工作于2.4GHz频段的物理层，采用了直接序列扩频(DSSS)技术，最大速率为11Mbps。802.11b协议与以太网的802.3协议兼容性很好，且原理接近，逐步成为WLAN技术的主流标准。

WLAN技术可以看做以太网在无线通信领域的扩展，其多用星形网的拓扑结构，并通过无线接入点(AP)与以太网相连。WLAN技术采用带有冲突避免的载波监听多点接入(CSMA/CA)，以保证多设备同时工作时的通信质量。

常用的中心拓扑结构，其覆盖范围一般较大，由中心节点的发射功率决定，最大可达300m。对于需要大范围覆盖的场景，如校园无线网等，也可根据实际情况，适当选用有线或无线网桥设备实现拓展。

2 三种技术的性能比对与应用场景

作为短程无线通信技术，其续航能力、覆盖范围、传输速率一般是人们关注的重点，以上介绍的三种通信技术各有其优缺点，适用于不同的应用场景。

表1 三种技术的性能比对

根据实际场景的需求，考虑不同技术的性能特点，选择合适的技术，以下为几种技术常用的场景。

2.1 传感器网络

ZigBee技术最大的亮点为低功耗与低成本，因此十分适合需要大规模部署的场合。据测算，同样使用两节AA干电池供电，ZigBee设备工作时间为6～24个月，而蓝牙、WiFi设备分别只能工作数周和几个小时。[5]目前，一块ZigBee芯片的成本仅几元，远低于蓝牙与WiFi设备。

一个成熟的应用为传感器网络，用以采集温湿度、光亮度等信息。在工业控制领域，信息的采集与传输一直是一个十分重要的问题，随着现代加工工艺的发展，对加工环境的要求也日益严格，需要对环境进行全面且实时的监控。考虑到需要的传感器较多，有线布网的难度极大，且不易维护，ZigBee技术完美的解决了这个问题。而ZigBee技术低速率的固有缺陷对于无线传感器网络来说也并不严重，所需发送的数据量一般较小。

2.2 多媒体数据传输

Bluetooth技术目前广泛地应用于各种电子产品中，其较低的功耗与可观的数据速率使得Bluetooth技术仍具有广泛应用前景。相较于ZigBee与WLAN，Bluetooth具有长时间提供短距离的多媒体数据通信能力，但受制于点对点和微微网的通信方式，Bluetooth设备无法大量的部署，只能用于解决通信中“最后一站”的问题。

Bluetooth技术目前主要应用于多媒体数据的传输，由于其通信方式，以及较小的覆盖范围，无法承载大量的数据，更多地用于将一个设备通过蓝牙与同时支持多种网络的网关设备相连。目前，由于大量的智能终端都携带蓝牙芯片，因此蓝牙技术在小规模组网中仍然是最简单的解决方案。

2.3 无线校园应用

WLAN有较大的覆盖能力与很强的数据承载能力，十分适合作为大规模部署的技术。WLAN技术基于的802.11协议与以太网802.3协议兼容，因此多数设备可以十分容易的兼容WLAN。

考虑到WLAN组网的方式，需要有一个具有足够性能的设备作为中心节点，且中心节点的供电需求高，一般不使用电池，这意味着WLAN网络不适合应用于经常变化的环境。但由于其组网方式灵活，且常见电子商品大多支持WLAN，因此可以方便的利用WLAN技术实现通信系统的开发与设计，系统的维护与管理也相对简单。目前，同时支持WLAN与其他通信技术的设备常作为网关，连接异构网络，这大大简化了异构网络之间的连接。

3 结论

本文介绍了三种常用的短程无线通信技术，分析了其优缺点与适用场合。作为不同的技术，三者并无优劣之分，应根据实际需要，灵活的选用一种或几种技术。从目前研究发展方向看，三者也分别向着不同的方向发展，其重叠性也在进一步下降，选择合适的技术是网络建设的首要问题。高校在进行网络建设及应用过程中，既要充分发挥技术优势，又要节约开销，扬长避短，建设适合高校自身应用需求的通信网络。