《通信原理與通信技術(shù)》課件第15章

第15章無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)15.1無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)概述

15.2藍(lán)牙技術(shù)

15.3

ZigBee技術(shù)

15.4

NFC技術(shù)

15.5

UWB技術(shù)

15.6小資料——計算機(jī)的發(fā)明

15.1無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)概述

隨著通信、微電子、計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)漸漸地走進(jìn)了人們的日常生活，并且開始發(fā)揮越來越大的作用。

根據(jù)涵蓋面積大致可歸納為四大類：（1） 通信距離為10m左右的無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)；

（2） 通訊距離為100m左右的無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)；

（3） 通訊距離大于100m的無線社區(qū)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WMAN)；

（4）

通訊距離大于100m的無線廣域網(wǎng)絡(luò)(WWAN)。

無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（可簡稱為無線個域網(wǎng)）通常范圍不超過10米。由于通信范圍有限，無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通常用于取代實體傳輸線，讓不同的系統(tǒng)能夠近距離進(jìn)行聯(lián)系。接入網(wǎng)作為電信網(wǎng)的“最后一公里”，而個人區(qū)域網(wǎng)則更關(guān)注最后10m的接入。

1998年成立的IEEE802.15工作組，主要致力于研究個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化問題。根據(jù)數(shù)據(jù)速率、功耗以及對服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求的不同，IEEE802.15工作組定義了三種不同類型的無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)，分別是傳輸速率高于20Mb/s的高速無線個人區(qū)域網(wǎng)(HR

WPAN)、傳輸速率為1Mb/s的中速無線個域網(wǎng)(MR

WPAN)和傳輸速率比較低的低速無線個域網(wǎng)(LR

WPAN)。IEEE802.15工作組還成立了專門的任務(wù)組分別對它們進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

IEEE802.15.1是IEEE提出的第一個取代有線連接的無線個人區(qū)域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)，屬于中速短程無線通信網(wǎng)絡(luò)。

IEEE802.15.2工作組于1999年成立，主要目標(biāo)是為了促進(jìn)IEEE802.15無線個人網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用。它可以與基于開放頻率波段的其他無線設(shè)備(如IEEE802.11設(shè)備)共存，為其他802.15標(biāo)準(zhǔn)提出修改意見以提高與其他在開放頻率波段工作的無線設(shè)備的共存性能。

IEEE802.15.3的目標(biāo)在于得到更高的數(shù)據(jù)傳輸率，取得低成本和低能耗，同時還與藍(lán)牙兼容，為低功率、低成本的短程通信制訂高速率WPAN標(biāo)準(zhǔn)。此外，工作組進(jìn)行IEEE802.15.3超高速WPAN物理層的可選標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作，用以替代高速WPAN的物理層。

對于一些只需要簡單的無線連接、對數(shù)據(jù)速率的要求不高但對功耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域，如工業(yè)控制和家庭網(wǎng)絡(luò)，IEEE802.15.4工作組由此應(yīng)運(yùn)而生。工作組4(TG4)主要負(fù)責(zé)制定物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。

15.2藍(lán)牙技術(shù)

15.2.1“藍(lán)牙”的由來

“藍(lán)牙”這個名字的來歷頗具傳奇色彩。公元10世紀(jì)的北歐正值動蕩年代，各國之間戰(zhàn)爭頻繁，丹麥國王哈拉德二世挺身而出，到處疾呼和平。經(jīng)過他的不懈努力，戰(zhàn)爭終于停止，各方領(lǐng)袖坐到了談判桌前，至此，四分五裂的挪威和丹麥得以統(tǒng)一。關(guān)于這位國王的名字有兩種說法：一種說法是他的全名是HaraldBlatand，Blatand在英語中意思為“藍(lán)牙”（Bluetooth）；還有一種說法是這位英雄的丹麥國王酷愛吃藍(lán)梅，以致于牙齒都被染成了藍(lán)色，因此“藍(lán)牙”成了他的綽號。

瑞典的愛立信公司于1994年成立了一個專項科研小組，對移動電話及其附件的低能耗、低費(fèi)用無線連接的可能性進(jìn)行了研究，他們的最初目的在于建立無線電話與電腦聲卡、耳機(jī)及桌面設(shè)備等產(chǎn)品的連接。但是隨著研究的深入，科研人員越來越感到這項技術(shù)所獨(dú)具的特點(diǎn)和巨大的商業(yè)潛力，同時也意識到憑借一家企業(yè)的實力根本無法繼續(xù)研究，于是，愛立信公司將其公布于眾，并極力說服其他企業(yè)加入到這項技術(shù)的研究中來。他們共同的目標(biāo)是建立一個全球性的小范圍無線通信技術(shù)，并將此技術(shù)命名為“藍(lán)牙”，來表達(dá)要將這種全新的無線傳輸技術(shù)在全球推廣，并實現(xiàn)全球通用的目標(biāo)。

1998年2月，瑞典愛立信（Ericsson）、芬蘭諾基亞（Nokia）、日本東芝（Toshiba）、美國IBM和英特爾（Intel）公司五家著名廠商，組成了一個特殊利益集團(tuán)（也譯為特別興趣小組）SIG（SpecialInterestGroup）。隨后，藍(lán)牙技術(shù)引起了越來越多企業(yè)的關(guān)注。目前，包括微軟、索尼、惠普、戴爾在內(nèi)的2500多家公司都簽署了相關(guān)協(xié)議加入該組織，共享這一先進(jìn)技術(shù)。15.2.2藍(lán)牙技術(shù)概述

藍(lán)牙是一個開放性的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計者的初衷是用隱形的連接線代替線纜。其目標(biāo)是：保持聯(lián)系，不靠電纜，拒絕插頭。它將取代目前多種電纜連接方案，通過統(tǒng)一的短程無線鏈路，在各信息設(shè)備之間可以穿過墻壁或公文包，實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本小功耗的話音和數(shù)據(jù)通信。它推動和擴(kuò)大了無線通信的應(yīng)用范圍，使網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)和語音設(shè)備能互連互通，例如，移動電話、便攜式電腦以及各種便攜式通信設(shè)備的主機(jī)之間的近距離通信，從而實現(xiàn)個人區(qū)域內(nèi)的快速靈活的數(shù)據(jù)和語音通信。作為一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，藍(lán)牙技術(shù)以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接，完成數(shù)據(jù)信息的短程無線傳輸。其實質(zhì)內(nèi)容是要建立通用的無線電空中接口（RadioAirInterface）及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)，使通信和計算機(jī)進(jìn)一步結(jié)合，使不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能夠在近距離范圍內(nèi)具有互用、互操作的性能（Interoperability）。具體地說，藍(lán)牙技術(shù)的作用就是簡化小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如移動PC、掌上電腦、手機(jī)）之間以及這些設(shè)備與Internet之間的通信，免除在無繩電話或移動電話、調(diào)制解調(diào)器、頭套式送／受話器、PDA、計算機(jī)、打印機(jī)、幻燈機(jī)、局域網(wǎng)等之間加裝電線、電纜和連接器。此外，藍(lán)牙技術(shù)還為已存在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)提供通用接口以組建一個遠(yuǎn)離固定網(wǎng)絡(luò)的個人特別連接設(shè)備群。

藍(lán)牙技術(shù)使用全球通行的、無需申請即可使用的2.45GHzISM（工業(yè)Industry、科學(xué)Science、醫(yī)學(xué)Medicine）頻段。若以2.45GHz為中心頻率，在這個頻段上最多可設(shè)立79個帶寬為1MHz的信道。其收發(fā)信機(jī)采用跳頻擴(kuò)譜（FrequencyHoppingSpreadSpectrum）技術(shù)，在2.45GHzISM頻段上以1600跳/秒的速率進(jìn)行跳頻通信。當(dāng)發(fā)射帶寬為1MHz時，其有效數(shù)據(jù)速率為721kb/s，最高數(shù)據(jù)速度可達(dá)1Mb/s。由于采用低功率時分復(fù)用方式工作（發(fā)射），其有效傳輸距離大約為10m，加上功率放大器時，傳輸距離可擴(kuò)大到100m。

藍(lán)牙數(shù)據(jù)包在某個載頻上的某個時隙內(nèi)傳遞，不同類型的數(shù)據(jù)（包括鏈路管理和控制消息）占用不同信道，并通過查詢（Inquiry）和尋呼（Paging）過程來同步跳頻頻率和不同藍(lán)牙設(shè)備的時鐘。除采用跳頻擴(kuò)譜的低功率傳輸外，藍(lán)牙還采用鑒權(quán)和加密等措施來提高通信的安全性。

藍(lán)牙支持點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，可采用無線方式將若干藍(lán)牙設(shè)備連成一個微微網(wǎng)（Piconet），多個微微網(wǎng)又可互連成特殊分散網(wǎng)，形成靈活的多重微微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)各類設(shè)備之間的快速通信。藍(lán)牙能在一個微微網(wǎng)內(nèi)尋址8個設(shè)備，其中1個為主設(shè)備，7個為從設(shè)備。

圖15－1

藍(lán)牙標(biāo)志及模塊

藍(lán)牙標(biāo)志及模塊藍(lán)牙以無線LANs的IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用了“PlonkandPlay”的技術(shù)（有點(diǎn)類似“即插即用”），即任一藍(lán)牙設(shè)備一旦搜尋到另一個藍(lán)牙設(shè)備，馬上就可以建立聯(lián)系，而無須用戶進(jìn)行任何設(shè)置，因此可以解釋成“即連即用”。

藍(lán)牙技術(shù)涉及一系列軟硬件技術(shù)、方法和理論，包括無線通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件工程和軟件可靠性理論、協(xié)議的測試技術(shù)、規(guī)范描述語言方法、嵌入式實時操作系統(tǒng)（Embedded[JP]RTOS）、跨平臺開發(fā)和用戶界面圖形化技術(shù)、軟硬件接口技術(shù)（如RS-232、UART、USB等）、高集成和低功耗芯片技術(shù)等。表15－1

BLUETOOTH1.0規(guī)范的主要技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)參數(shù)

15.2.3藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)

藍(lán)牙技術(shù)是為了實現(xiàn)以無線電波替換移動設(shè)備所使用的電纜而產(chǎn)生的。它試圖以相同的成本和安全性完成一般電纜的功能，從而使移動用戶擺脫電纜束縛，這就決定了藍(lán)牙技術(shù)具備以下技術(shù)特性。

（1）成本低。為了能夠替代一般電纜，藍(lán)牙技術(shù)必須具備和一般電纜差不多的價格，這樣才能被廣大普通消費(fèi)者所接受，也才能使這項技術(shù)普及開來。（2）功耗低、體積小。

藍(lán)牙技術(shù)本來的目的就是用于互連小型移動設(shè)備及其外設(shè)，它的市場目標(biāo)是移動筆記本、移動電話、小型的PDA以及它們的外設(shè)，因此藍(lán)牙芯片必須具有功耗低、體積小的特點(diǎn)，以便于集成到小型便攜設(shè)備中去。藍(lán)牙產(chǎn)品輸出功率很小(只有1mW)，僅是微波爐使用功率的百萬分之一，是移動電話的一小部分。

（3）近距離通信。

藍(lán)牙技術(shù)通信距離為10m，如果需要的話，還可以選用放大器使其擴(kuò)展到100m。這已經(jīng)足夠在辦公室內(nèi)任意擺放外圍設(shè)備，而不用再擔(dān)心電纜長度是否夠用。

（4）安全性強(qiáng)。

同其他無線信號一樣，藍(lán)牙信號很容易被截取，因此藍(lán)牙協(xié)議提供了認(rèn)證和加密功能，以保證鏈路級的安全。藍(lán)牙系統(tǒng)認(rèn)證與加密服務(wù)由物理層提供，采用流密碼加密技術(shù)，適合于硬件實現(xiàn)，密鑰由高層軟件管理。如果用戶有更高級別的保密要求，可以使用更高級、更有效的傳輸層和應(yīng)用層安全機(jī)制。認(rèn)證可以有效防止電子欺騙以及不期望的訪問，而加密則保護(hù)鏈路隱私。除此之外，跳頻技術(shù)的保密性和藍(lán)牙有限的傳輸范圍也使竊聽變得困難。15.2.4藍(lán)牙系統(tǒng)的組成

藍(lán)牙系統(tǒng)一般由天線單元、鏈路控制（固件）單元、鏈路管理（軟件）單元和軟件（協(xié)議棧）單元四個功能單元組成。

1.天線單元

藍(lán)牙要求其天線部分體積十分小巧、重量輕，因此，藍(lán)牙天線屬于微帶天線。藍(lán)牙空中接口是建立在天線電平為0dBm的基礎(chǔ)上的?？罩薪涌谧裱璅CC有關(guān)電平為0dBm的ISM頻段的標(biāo)準(zhǔn)。

2.鏈路控制（固件）單元

在目前藍(lán)牙產(chǎn)品中，人們使用了3個IC分別作為聯(lián)接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸／接收器，此外還使用了30～50個單獨(dú)調(diào)諧元件。

基帶鏈路控制器負(fù)責(zé)處理基帶協(xié)議和其他一些低層常規(guī)協(xié)議。它有三種糾錯方案：1/3比例前向糾錯（FEC）碼、2/3比例前向糾錯碼和數(shù)據(jù)的自動請求重發(fā)（ARQ）方案。采用FEC方案的目的是為了減少數(shù)據(jù)重發(fā)的次數(shù)，降低數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載。但是，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無差錯傳輸，F(xiàn)EC就必然要生成一些不必要的比特開銷而降低數(shù)據(jù)的傳送效率，這是因為數(shù)據(jù)包對于是否使用FEC是彈性定義的。報頭總有占1/3比例的FEC碼起保護(hù)作用，其中包含了有用的鏈路信息。

3.鏈路管理（軟件）單元

鏈路管理（LM）軟件模塊攜帶了鏈路的數(shù)據(jù)設(shè)置、鑒權(quán)、鏈路硬件配置和其他一些協(xié)議。LM能夠發(fā)現(xiàn)其他遠(yuǎn)端LM并通過LMP（鍵路管理協(xié)議）與之通信。LM模塊提供如下服務(wù)：發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、請求名稱、鏈路地址查詢、建立連接、鑒權(quán)、鏈路模式協(xié)商和建立、決定幀的類型。此外，LM模塊還控制設(shè)備的工作狀態(tài)即呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）三種模式。

將設(shè)備設(shè)為呼吸模式，Master（主機(jī)）只能有規(guī)律地在特定的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)，Slave降低了從Pioconet“收聽”消息的速率，“呼吸”間隔可以依應(yīng)用要求做適當(dāng)調(diào)整。將設(shè)備設(shè)為Hold模式，Master可把Slave置為Hold模式，在這種模式下，只有一個內(nèi)部計數(shù)器在工作。Slave也可主動要求置為Hold模式。一旦處于Hold模式的單元被激活，則數(shù)據(jù)傳遞也立即重新開始。Hold模式一般被用于連接好幾個Piconet的情況下或者耗能低的設(shè)備，如溫度傳感器。在Park模式下，設(shè)備依然與Piconet同步但沒有數(shù)據(jù)傳送。工作在Park模式下的設(shè)備放棄了MAC地址，偶爾收聽Master的消息并恢復(fù)同步、檢查廣播消息。連接類型定義了哪種類型的數(shù)據(jù)包能在特別連接中使用。藍(lán)牙基帶技術(shù)支持兩種連接類型：同步定向連接（SynchronousConnectionOriented，SCO）類型主要用于傳送話音；異步無連接（AsynchronousConnectionless，ACL）類型主要用于傳送數(shù)據(jù)包。

藍(lán)牙基帶部分在物理層為用戶提供保護(hù)和信息保密機(jī)制。鑒權(quán)基于“請求—響應(yīng)”運(yùn)算法則，是藍(lán)牙系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它允許用戶為個人藍(lán)牙設(shè)備建立一個信任域，比如只允許主人自己的筆記本電腦通過主人自己的移動電話通信。加密被用來保護(hù)連接的個人信息。密鑰由程序的高層來管理。網(wǎng)絡(luò)傳送協(xié)議和應(yīng)用程序可以為用戶提供一個較強(qiáng)的安全機(jī)制。

4.軟件（協(xié)議棧）單元

藍(lán)牙的軟件（協(xié)議棧）單元是一個獨(dú)立的操作系統(tǒng)，不與任何操作系統(tǒng)捆綁。它必須符合已經(jīng)制定好的藍(lán)牙規(guī)范。

藍(lán)牙規(guī)范是為個人區(qū)域內(nèi)的無線通信而制定的協(xié)議，它包括兩部分：第一部分為核心（Core）部分，用以規(guī)定諸如射頻、基帶、連接管理、業(yè)務(wù)搜尋（Service

Discovery）、傳輸層以及與不同通信協(xié)議間的互用、互操作性等組件；第二部分為協(xié)議子集（Profile）部分，用以規(guī)定不同藍(lán)牙應(yīng)用（也稱使用模式）所需的協(xié)議和過程。

藍(lán)牙規(guī)范的協(xié)議棧仍采用分層結(jié)構(gòu)，分別完成數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸、跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制、數(shù)據(jù)的拆裝、業(yè)務(wù)質(zhì)量（QoS）、協(xié)議的復(fù)用和分用等功能。在設(shè)計協(xié)議棧，特別是高層協(xié)議時的原則就是最大限度地重用現(xiàn)存的協(xié)議，而且其高層應(yīng)用協(xié)議（協(xié)議棧的垂直層）都使用公共的數(shù)據(jù)鏈路和物理層。

藍(lán)牙協(xié)議可以分為四層，即核心協(xié)議層、電纜替代協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和采納的其他協(xié)議層。

在藍(lán)牙協(xié)議棧中，還有一個主機(jī)控制接口（HCI）和音頻（Audio）接口。HCI是到基帶控制器、鏈路管理器以及訪問硬件狀態(tài)和控制寄存器的命令接口。利用音頻接口，可以在一個或多個藍(lán)牙設(shè)備之間傳遞音頻數(shù)據(jù)，該接口與基帶直接相連。

藍(lán)牙技術(shù)可以把各種便攜式計算機(jī)設(shè)備與蜂窩移動電話用無線鏈路連接起來，使計算機(jī)與通信密切結(jié)合，從而使人們能夠隨時隨地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸。因此，藍(lán)牙技術(shù)在電信業(yè)、計算機(jī)業(yè)、家電業(yè)有著極其廣闊和誘人的應(yīng)用前景，它也將對未來的無線移動數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)產(chǎn)生巨大的推動作用并獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

15.2.5藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用

(1)對講機(jī)。未來采用藍(lán)牙技術(shù)的移動電話將是“三合一”，即集移動電話、無繩電話、對講機(jī)三種功能于一身。兩個藍(lán)牙設(shè)備之間在近距離內(nèi)可以建立直接語音通路，比如兩個蜂窩電話用戶之間通過藍(lán)牙連接可以直接進(jìn)行對話，這樣移動電話就可以當(dāng)對講機(jī)用。

（２）無繩電話。內(nèi)置藍(lán)牙芯片的移動電話，在室內(nèi)可以用做無繩電話，通過無繩電話基站接入PSTN進(jìn)行語音傳輸，從而不必支付昂貴的移動通話費(fèi)用，當(dāng)然在室外或途中仍作為移動電話使用。

（3）頭戴式耳機(jī)

采用藍(lán)牙技術(shù)的頭戴式耳機(jī)作為移動電話、個人計算機(jī)等的語音輸入、輸出接口，能夠在保持私人通話的同時，使用戶擺脫電纜束縛而有更大活動自由。這種頭戴式耳機(jī)必須能夠發(fā)送AT命令并能夠接收相應(yīng)編碼信號，使用戶不用手動就能完成摘、掛機(jī)等操作。

（4）撥號網(wǎng)絡(luò)

采用藍(lán)牙技術(shù)的移動電話、Modem等設(shè)備，能夠用做“Internet網(wǎng)橋”。例如，這種移動電話可作為無線Modem供計算機(jī)訪問撥號網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器使用，或者計算機(jī)通過這種移動電話或Modem接收數(shù)據(jù)。此時，移動電話與Modem充當(dāng)網(wǎng)關(guān)角色，提供到公共網(wǎng)絡(luò)的接入，而臺式機(jī)或筆記本電腦則作為數(shù)據(jù)終端，使用網(wǎng)關(guān)所提供的服務(wù)。

（5）傳真

采用藍(lán)牙無線技術(shù)的移動電話或Modem，可以用做計算機(jī)傳真Modem，以發(fā)送和接收傳真信息，此時它們被稱為“廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)接入點(diǎn)”。與撥號網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模式相同，通常移動電話或Modem作為網(wǎng)關(guān)，筆記本電腦或臺式機(jī)作為數(shù)據(jù)終端，網(wǎng)關(guān)提供傳真服務(wù)，數(shù)據(jù)終端使用這種服務(wù)，兩者之間沒有固定的主從關(guān)系，但一般建立鏈路都由數(shù)據(jù)終端發(fā)起。當(dāng)數(shù)據(jù)終端需要使用某個網(wǎng)關(guān)提供的服務(wù)但又不知道此網(wǎng)關(guān)地址時，需要通過服務(wù)發(fā)現(xiàn)過程獲得該網(wǎng)關(guān)地址。同樣，網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)終端之間通過虛擬串口傳輸用戶數(shù)據(jù)、控制信號和AT命令。傳真呼叫清除之后，信道和物理鏈路也被釋放。

（6）局域網(wǎng)接入

在這種應(yīng)用模式下，多個數(shù)據(jù)終端使用同一個局域網(wǎng)接入點(diǎn)（LAP），以無線接入方式訪問局域網(wǎng)，一旦連接成功，數(shù)據(jù)終端將能夠訪問局域網(wǎng)所提供的一切服務(wù)，就好像是通過撥號網(wǎng)絡(luò)連接到該局域網(wǎng)一樣。兩個藍(lán)牙設(shè)備之間也可以直接通信，類似于用一根電纜把兩個PC機(jī)連接起來。

（7）文件傳輸

藍(lán)牙設(shè)備之間可以傳送數(shù)據(jù)對象，這些設(shè)備可以是個人計算機(jī)、智能電話或者是PDA，數(shù)據(jù)對象可以是各種文件，比如Excel文件、PowerPoint文件、聲音文件、圖像文件等。用戶可以瀏覽遠(yuǎn)端設(shè)備上文件夾內(nèi)容，可以新建或刪除文件夾。整個文件夾、目錄或流媒體格式都可以在設(shè)備間傳送。（8）目標(biāo)上傳。

使用目標(biāo)上傳功能的設(shè)備主要是筆記本電腦、PDA和移動電話。一個藍(lán)牙設(shè)備可以將目標(biāo)上傳至另一個藍(lán)牙設(shè)備收件箱，其中“目標(biāo)”可以是商業(yè)卡或者是某種委任（Appointment）等。同樣，一個藍(lán)牙設(shè)備也可以從另一個藍(lán)牙設(shè)備下載商業(yè)卡。兩個藍(lán)牙設(shè)備之間可以相互交換商業(yè)卡，此時往往先進(jìn)行上傳再進(jìn)行下載。（9）數(shù)據(jù)同步

藍(lán)牙設(shè)備非常巧妙的一種功能，是發(fā)送信息到關(guān)掉的或者工作在休眠模式下的另一個藍(lán)牙設(shè)備。比如，當(dāng)蜂窩電話接收到一條消息時，它可以把這條消息發(fā)送到筆記本電腦，即使后者被放在包中且沒有開機(jī)。當(dāng)然，藍(lán)牙技術(shù)可以進(jìn)行不同設(shè)備間數(shù)據(jù)同步，以保證用戶在任何時間、選擇任何設(shè)備都能得到最新的信息。

使用此功能的設(shè)備也主要是筆記本電腦、PDA和移動電話。使用藍(lán)牙技術(shù)，不同設(shè)備之間可以保持PIM（PersonalInformationManagement）信息同步。這些信息通常包括電話本、日歷、消息以及備忘錄等，它們使用共同的協(xié)議和格式進(jìn)行傳送。此外，當(dāng)移動電話或者PDA靠近筆記本電腦時，將自動與筆記本電腦進(jìn)行同步。

總之，藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用被認(rèn)為非常廣泛而且極具潛力。它可以應(yīng)用于無線設(shè)備（如PDA、手機(jī)、智能電話、無繩電話）、圖像處理設(shè)備（照相機(jī)、打印機(jī)、掃描儀）、安全產(chǎn)品（智能卡、身份識別、票據(jù)管理、安全檢查）、消費(fèi)娛樂（耳機(jī)、MP3、游戲）、汽車產(chǎn)品（GPS、ABS、動力系統(tǒng)、安全氣囊）、家用電器（電視機(jī)、電冰箱、電烤箱、微波爐、音響、錄像機(jī)）、醫(yī)療健身、建筑、玩具等領(lǐng)域。

藍(lán)牙與其他技術(shù)一起（比如WAP等）將會給人們的日常生活帶來深遠(yuǎn)影響，可以說藍(lán)牙技術(shù)是推動移動信息時代到來的關(guān)鍵技術(shù)之一。

15.2.6藍(lán)牙技術(shù)與無線局域網(wǎng)

IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)主要用于辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線數(shù)據(jù)存儲接入業(yè)務(wù)，其最高速率為2Mb/s。為了滿足人們對傳輸距離和傳輸速率的要求，IEEE小組又推出了IEEE802.11a和IEEE802.11b兩個標(biāo)準(zhǔn)。三者之間的主要技術(shù)差別在于MAC子層和物理層。

從形式上看，藍(lán)牙和采用IEEE802.11的無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）很相似，它們的共同之處有以下幾點(diǎn)：

（1）工作在2.4GHz頻段上；

（2）支持移動聯(lián)網(wǎng)，用戶可以靈活地移動計算設(shè)備的位置，保持持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)連接；

（3）不需要使用物理線路，安裝非常簡便；

（4）因為無線網(wǎng)絡(luò)所使用的高頻率無線電波可以穿透墻壁或玻璃窗，所以網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以在有效范圍內(nèi)任意放置；

（5）多層安全防護(hù)措施可以充分確保用戶隱私；

（6）改動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或布局時，不需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重新設(shè)置。

但它們之間是有區(qū)別的，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）藍(lán)牙的覆蓋范圍小，性能相對較低，通過應(yīng)用通信協(xié)議與其他配備相連；無線局域網(wǎng)絡(luò)的IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的傳輸速率最高為11Mb/s，范圍為50m，可涵蓋整層樓和整個辦公室，通過一個底層的傳輸協(xié)議來連接。

（2）藍(lán)牙通信模塊與802.11相比，耗電低，成本便宜，通信時的操作也簡單。由配有藍(lán)牙的設(shè)備搜索出位于半徑10m內(nèi)的另外一臺配備藍(lán)牙的設(shè)備，雙方認(rèn)證后就可通信。1臺配備藍(lán)牙的設(shè)備可與7臺藍(lán)牙設(shè)備同時進(jìn)行通信。與無線LAN不同，對方可為手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等多種設(shè)備。藍(lán)牙技術(shù)也為已有的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)提供通用接口以組建一個遠(yuǎn)離固定網(wǎng)絡(luò)的個人特別連接設(shè)備群。

(3)藍(lán)牙設(shè)備使用ISM頻段實時進(jìn)行數(shù)據(jù)和語音傳輸，意味著在辦公室、家庭和旅途中，無需布設(shè)專用線纜和連接器，通過藍(lán)牙遙控裝置可以形成一點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，即在該裝置周圍組成一個“微網(wǎng)”，網(wǎng)內(nèi)任何藍(lán)牙設(shè)備都可與該裝置互通信號，而且無需復(fù)雜的軟件支持。

(4)藍(lán)牙技術(shù)有一整套協(xié)議，可以應(yīng)用于更多場合。藍(lán)牙跳頻更快、更穩(wěn)定，同時還具有功耗更低和更靈活等特點(diǎn)。但802.11只規(guī)定了開放式系統(tǒng)互連參考模型（OSI／RM）的物理層和MAC層，提供比藍(lán)牙更高的傳輸速率且WLAN只支持?jǐn)?shù)據(jù)通信。

此外，WLAN研發(fā)與生產(chǎn)成本的降低速度比較快，以802.11技術(shù)為規(guī)格的相關(guān)產(chǎn)品，幾乎每年都以30％的速度降低成本。而藍(lán)牙SIG預(yù)測到2005年左右，藍(lán)牙芯片可以降低到5美元，但相比較而言，目前IEEE802.11更具競爭力。

藍(lán)牙協(xié)會于1999年7月推出Bluetooth1.0標(biāo)準(zhǔn)，其規(guī)范完全開放。藍(lán)牙IEEE802.15是一項最新標(biāo)準(zhǔn)，對于IEEE802.11來說，它的出現(xiàn)不是為了競爭而是相互補(bǔ)充。藍(lán)牙比IEEE802.11更具移動性，而且成本低、體積小，可用于更多的設(shè)備，如IEEE802.11限制在辦公室和校園內(nèi)，藍(lán)牙能把一個設(shè)備連接到LAN和WAN，甚至支持全球漫游。但是藍(lán)牙被設(shè)計成低功耗、短距離、低帶寬的應(yīng)用，嚴(yán)格來講不算是真正的局域網(wǎng)技術(shù)。

15.3

ZigBee技術(shù)

15.3.1

ZigBee技術(shù)概述

ZigBee，中文稱為“紫蜂”，是一種短距離、結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本和高可靠性的雙向無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

ZigBee聯(lián)盟（類似于藍(lán)牙特殊興趣小組）成立于2001年8月。ZigBee聯(lián)盟采用了IEEE802.15.4作為物理層和媒體接入層規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上制定了數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用編程接口（API）規(guī)范，最后，形成了被稱作IEEE802.15.4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

ZigBee功能示意圖如圖15－2所示?？刂破魍ㄟ^收發(fā)器完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送和接收。ZigBee工作在免授權(quán)的頻段上，包括2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)，分別提供250kb/s(2.4GHz)、40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，其傳輸范圍介于(10~100)m之間。ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：圖15－2

ZigBee功能示意圖（1）低功耗。ZigBee技術(shù)可以確保兩節(jié)五號電池支持長達(dá)6個月到2年左右的使用時間。

（2）成本低。ZigBee技術(shù)是同類產(chǎn)品的幾分之一甚至十分之一。

（3）低復(fù)雜度。組網(wǎng)簡單、靈活。

（4）高可靠性。ZigBee技術(shù)采用了碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。

（5）時延短。通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。

（6）網(wǎng)絡(luò)容量大。ZigBee技術(shù)可支持65000個節(jié)點(diǎn)。

（7）安全性高。提供數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能。通常符合以下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)：

（1）設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小。

（2）設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊。

（3）沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池。

（4）頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無法做到或者很困難。

（5）需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。

15.3.2

ZigBee系統(tǒng)組成

ZigBee架構(gòu)及模塊示意圖如圖15－3所示。ZigBee定義了兩種類型的設(shè)備：全功能設(shè)備（FFD，F(xiàn)ullFunctionalDevice）和簡化功能設(shè)備（RFD，ReducedFunctionDevice)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型、樹狀、網(wǎng)狀及其共同組成的復(fù)合網(wǎng)結(jié)構(gòu)。其網(wǎng)絡(luò)為主從結(jié)構(gòu)，一個網(wǎng)絡(luò)由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者(Coordinator)和最多可達(dá)65535個從屬設(shè)備組成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者必須是FFD，它負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，包括路由、安全性、節(jié)點(diǎn)的附著與離開等。一個網(wǎng)絡(luò)只需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，其他終端設(shè)備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價格要比FFD便宜得多，其占用系統(tǒng)資源僅約為4KB，因此網(wǎng)絡(luò)的整體成本比較低。因此，ZigBee非常適合有大量終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)，如傳感網(wǎng)絡(luò)、樓宇自動化等。

ZigBee有三個工作頻段：(2.402～2.480)GHz、(868～868.6)MHz、(902～928)MHz，共27個信道。信道接入方式采用帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問協(xié)議(CSMA－CA,CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)，能有效地減少幀沖突。

為了抗干擾，ZigBee在物理層采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)和頻率捷變(FA)技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)層，ZigBee支持網(wǎng)狀網(wǎng)，存在冗余路由，保證了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

ZigBee的MAC信道接入機(jī)制有兩種：無信標(biāo)（Beacon）模式和有信標(biāo)模式。無信標(biāo)模式就是標(biāo)準(zhǔn)的ALOHACSMA－CA的信道接入機(jī)制，終端節(jié)點(diǎn)只在有數(shù)據(jù)要收發(fā)的時候才和網(wǎng)絡(luò)會話，其余時間都處于休眠模式，使得平均功耗非常低。在有信標(biāo)模式下，終端設(shè)備可以只在信標(biāo)被廣播時醒來，并偵聽地址，如果它沒有偵聽到自身的地址，則又轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。圖15－3

ZigBee架構(gòu)及模塊示意圖15.3.3

ZigBee技術(shù)的應(yīng)用

由于ZigBee具有功耗極低、系統(tǒng)簡單、成本低、等待時間（LatencyTime）短和數(shù)據(jù)速率低的性質(zhì)，因此非常適合有大量終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee的應(yīng)用范圍主要是樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)視及控制、計算機(jī)外設(shè)、互動玩具、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)性電子產(chǎn)品、家庭自動化以及其他一些傳感網(wǎng)絡(luò)。

典型應(yīng)用包括組建家庭無線網(wǎng)絡(luò)、無傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線門控系統(tǒng)和無線停車場計費(fèi)系統(tǒng)等。

15.3.4

ZigBee和藍(lán)牙性能參數(shù)的比較

ZigBee的系統(tǒng)復(fù)雜性要遠(yuǎn)小于藍(lán)牙系統(tǒng)。為更直觀比較ZigBee和藍(lán)牙，我們將兩種技術(shù)的主要技術(shù)及性能參數(shù)列表比較，如表15－2所示。

表15－2

ZigBee和藍(lán)牙的主要技術(shù)及性能參數(shù)列表

15.4

NFC技術(shù)

15.4.1

NFC技術(shù)概述

NFC(NearFieldCommunication)是一種非常短距離的無線通信技術(shù)，適用范圍僅有數(shù)厘米，適合于各種裝置之間不需使用者事先設(shè)定的一種簡便與安全的通信方式，也稱近場通信。

NFC技術(shù)（簡稱NFC）是由Philips公司發(fā)起的，現(xiàn)在由Philips、Nokia和Sony等公司聯(lián)合主推的一項無線通信技術(shù)。與RFID不同的是，NFC采用了雙向連接和識別，距離在20cm內(nèi)，工作于13.56MHz頻率范圍。

NFC技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)是一個開放的標(biāo)準(zhǔn)，由ISO18092和ECMA340來定義，同時與應(yīng)用廣泛的ISO14441A標(biāo)準(zhǔn)的非接觸式智能卡基礎(chǔ)架構(gòu)兼容。NFC能自動地建立無線連接，其短距離交互特性大大簡化了認(rèn)證識別過程。例如，通過NFC技術(shù)，計算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、PDA等多個設(shè)備之間可以很方便快捷地進(jìn)行無線連接，進(jìn)而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和服務(wù)。

NFC技術(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)RFID技術(shù)的子集以及在（1~2）dB之間的典型輸出功耗，能在有源和無源操作模式下，以106kb/s、212kb/s和424kb/s傳輸速率實現(xiàn)超短距離數(shù)據(jù)鏈接。

NFC技術(shù)在應(yīng)用上可分為三種類型：

（1）設(shè)備連接。NFC可以為無線局域網(wǎng)（WLAN）或藍(lán)牙等設(shè)備簡化無線連接?？蓪蓚€內(nèi)建NFC芯片的裝置相連接，以進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)資料傳輸，比如下載音樂、交換影像與同步通信錄等。

（2）實時預(yù)定。這類應(yīng)用如門禁管制或車票及門票等，使用者只需利用含有NFC芯片的裝置靠近讀取裝置即可，它還應(yīng)用于簡易資料的擷取，方便實時地獲取各種詳細(xì)信息，必要的話還可以聯(lián)機(jī)應(yīng)用信用卡的各項功能。

（3）移動商務(wù)。NFC技術(shù)主要用于大型交通管理系統(tǒng)和金融機(jī)構(gòu)，例如Visa卡、索尼的非接觸智能卡（FeliCa）和諾基亞的3220NFC手機(jī)等，這些是NFC應(yīng)用范圍最廣泛的領(lǐng)域。15.4.2

NFC原理和組成

ＮＦＣ通過一個芯片、一根天線和一些軟件的組合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種設(shè)備在幾厘米范圍內(nèi)的通信?；驹頌闊o線射頻識別（RadioFrequencyIdentification，RFID）技術(shù)。

無線射頻識別技術(shù)是一種非接觸的自動識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合（電感或電磁耦合）或雷達(dá)反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。

電感耦合方式一般適合于中、低頻工作的近距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有125kHz、225kHz和13.56MHz。識別作用距離小于1m，典型作用距離為10～20cm。

圖15-4NFC硬件構(gòu)成框圖電磁反向散射耦合方式一般適合于高頻、微波工作的遠(yuǎn)距離射頻識別系統(tǒng)。典型的工作頻率有433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz。識別作用距離大于1m，典型作用距離為(3~10)m。

RFID系統(tǒng)至少包含電子標(biāo)簽和閱讀器兩部分。電子標(biāo)簽與閱讀器之間通過耦合元件實現(xiàn)射頻信號的空間(無接觸)耦合；在耦合通道內(nèi)，根據(jù)時序關(guān)系，實現(xiàn)能量的傳遞、數(shù)據(jù)的交換。

電子標(biāo)簽又稱為射頻標(biāo)簽、應(yīng)答器，是射頻識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)載體，由標(biāo)簽天線和標(biāo)簽專用芯片組成。RFID標(biāo)簽具有持久性好，信息接收傳播穿透性強(qiáng)，存儲信息容量大、種類多等特點(diǎn)。有些RFID標(biāo)簽支持讀寫功能，目標(biāo)物體的信息能隨時被更新。

依據(jù)電子標(biāo)簽供電方式的不同，電子標(biāo)簽可以分為有源電子標(biāo)簽(ActiveTag)、無源電子標(biāo)簽(PassiveTag)和半無源電子標(biāo)簽(SemiPassiveTag)。有源電子標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，無源射頻標(biāo)簽沒有內(nèi)裝電池，半無源電子標(biāo)簽部分依靠電池工作。

電子標(biāo)簽依據(jù)頻率的不同可分為低頻電子標(biāo)簽、高頻電子標(biāo)簽、超高頻電子標(biāo)簽和微波電子標(biāo)簽；依據(jù)封裝形式的不同可分為信用卡標(biāo)簽、線形標(biāo)簽、紙狀標(biāo)簽、玻璃管標(biāo)簽、圓形標(biāo)簽及特殊用途的異形標(biāo)簽等。

低頻近距離RFID系統(tǒng)主要集中在125kHz、13.56MHz系統(tǒng)；高頻遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)主要集中在UHF頻段(902~928MHz)915MHz、2.45GHz、5.8GHz。UHF頻段的遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)在北美得到了很好的發(fā)展，歐洲則多以有源2.45GHz系統(tǒng)的應(yīng)用為主。5.8GHz有源RFID系統(tǒng)在日本和歐洲均有較為成熟的市場。

依據(jù)射頻工作方式，電子標(biāo)簽分為被動、半主動和主動射頻系統(tǒng)。

被動系統(tǒng)中，由閱讀器，也稱為NFC發(fā)起設(shè)備(主設(shè)備)發(fā)出射頻激活標(biāo)簽，被動系統(tǒng)需要較強(qiáng)的射頻信號，所以當(dāng)閱讀器和標(biāo)簽距離較近時才能發(fā)揮作用。它可以選擇106kb/s、212kb/s或424kb/s其中一種傳輸速度，將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一臺設(shè)備。

半主動系統(tǒng)使用內(nèi)部能量監(jiān)測周圍環(huán)境，但也需要閱讀器發(fā)出射頻激活標(biāo)簽發(fā)出信號。半主動和被動的區(qū)別是半自動系統(tǒng)中有內(nèi)部能量，標(biāo)簽?zāi)軌虬l(fā)揮其他作用，例如監(jiān)測周圍環(huán)境的溫度、振蕩情況等，也可以擴(kuò)展射頻活動范圍。

主動射頻系統(tǒng)利用標(biāo)簽中的內(nèi)置電源在標(biāo)簽周圍形成有效活動區(qū)，標(biāo)簽?zāi)軌蛑鲃荧@得位置很低或高處以及距離較遠(yuǎn)的射頻信號，并傳送到閱讀器中。在主動模式下，當(dāng)每臺設(shè)備要向另一臺設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備都要產(chǎn)生自己的射頻場，以便進(jìn)行通信。這是對等網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)模式，可以獲得非常快速的連接設(shè)定。

在一個應(yīng)用會話過程中，NFC設(shè)備可以在發(fā)起設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備之間切換自己的角色。利用這項功能，電池電量較低的設(shè)備可要求以被動模式充當(dāng)目標(biāo)設(shè)備，而非發(fā)起設(shè)備。

最常見的是被動射頻系統(tǒng)，當(dāng)解讀器遇見RFID標(biāo)簽時，發(fā)出電磁波，周圍形成電磁場，標(biāo)簽從電磁場中獲得能量激活標(biāo)簽中的微芯片電路，芯片轉(zhuǎn)換電磁波，然后發(fā)送給解讀器，解讀器把它轉(zhuǎn)換成相關(guān)數(shù)據(jù)?？刂朴嬎闫骶涂梢蕴幚磉@些數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行管理控制。

在主動射頻系統(tǒng)中，裝有電池的標(biāo)簽在有效范圍內(nèi)活動。標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)通過射頻無線電波的形式發(fā)送，并不要求目標(biāo)物體在視野范圍之內(nèi)，加上處理數(shù)據(jù)塊的特點(diǎn)，閱讀器能夠達(dá)到每秒鐘辨認(rèn)1000個標(biāo)簽的速度。大多數(shù)RFID系統(tǒng)能夠同時收集到天線范圍內(nèi)的大量標(biāo)簽數(shù)據(jù)，這種特性被稱為同時識別功能。

15.4.3

NFC技術(shù)的應(yīng)用

NFC設(shè)備可以作為非接觸式智慧卡、智慧卡的讀寫器終端以及設(shè)備對設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。其主要應(yīng)用范圍如下：

（1）用于服務(wù)啟動。如門禁和打開或關(guān)閉設(shè)備電源等。

（2）用于智能媒體。

（2）用于移動支付。如付款等。

（3）用于電子票務(wù)。如機(jī)票、車票、演出票的購票、驗票等。15.4.4

NFC與藍(lán)牙技術(shù)的比較

藍(lán)牙設(shè)備之間正常的配對操作經(jīng)常花費(fèi)五六秒鐘的時間(在擁擠的條件下可增加到30秒鐘)，改進(jìn)的NFC單任務(wù)協(xié)議完成同樣的任務(wù)只需要100~200ms。

NFC與藍(lán)牙復(fù)雜的使用模型相比，效率優(yōu)勢很明顯，這是由于NFC是一個相對簡單的協(xié)議，最初是為了少量直接的、點(diǎn)對點(diǎn)應(yīng)用而開發(fā)的。但藍(lán)牙彌補(bǔ)了NFC通信距離不足的缺點(diǎn)，適用于較長距離的數(shù)據(jù)通信。NFC主要針對近距離交互應(yīng)用，適用于交換財務(wù)信息或敏感的個人信息。NFC和藍(lán)牙可共存互補(bǔ)，NFC協(xié)議可用于引導(dǎo)兩臺設(shè)備之間的藍(lán)牙配對過程，并促進(jìn)藍(lán)牙的使用。

15.5

UWB技術(shù)

UWB(UltraWideBand)簡稱超寬帶，是一種不用載波，而采用時間間隔極短的脈沖進(jìn)行通信的技術(shù)。也被稱做脈沖無線電(ImpulseRadio)、時域(TimeDomain)或無載波(CarrierFree)通信技術(shù)。UWB芯片組如圖15－5所示。

UWB所占的頻譜范圍很寬，譜密度極低，信號的中心頻率在650MHz～5GHz之間，平均功率在亞毫瓦量級，抗干擾能力強(qiáng)，具有多個可利用信道。美國FCC對UWB的規(guī)定為：在（3.1～10.6）GHz頻段中占用500MHz以上的帶寬。

UWB是一種短距離無線寬帶傳輸技術(shù)。由于未采用一般無線收發(fā)技術(shù)中必須的載波調(diào)制，因此UWB不需要混頻器、過濾器、RF/IF轉(zhuǎn)換器以及本地振蕩器等電路，從而實現(xiàn)了低成本下的低功耗、高速寬帶應(yīng)用。UWB的傳輸范圍為5~10m，理論上最高速度可達(dá)1Gb/s，非常適合于家用消費(fèi)電子產(chǎn)品之間的大容量數(shù)據(jù)傳輸。圖15－5UWB芯片組15.5.2

UWB技術(shù)原理

UWB技術(shù)的基本工作原理是，發(fā)送和接收脈沖間隔嚴(yán)格受控的單周期超短時脈沖。超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機(jī)直接用一級前端交叉相關(guān)器就把脈沖序列轉(zhuǎn)換成基帶信號。

UWB技術(shù)采用脈沖位置調(diào)制(PPM)單周期脈沖來攜帶信息和信道編碼，一般工作脈寬(0.1~1.5)ns，重復(fù)周期在（25~1000）ns。

在UWB技術(shù)中，用每個脈沖出現(xiàn)位置超前或落后于標(biāo)準(zhǔn)時刻一個特定的時間δ來表示一個特定的信息。

UWB系統(tǒng)采用相關(guān)接收技術(shù)，關(guān)鍵部件稱為相關(guān)器（Correlator）。相關(guān)器用準(zhǔn)備好的模板波形乘以接收到的射頻信號，再積分就得到一個直流輸出電壓。相乘和積分只發(fā)生在脈沖持續(xù)時間內(nèi)，間歇期則沒有。處理過程一般在不到1ns的時間內(nèi)完成。相關(guān)器實質(zhì)上是改進(jìn)了的延遲探測器，模板波形匹配時，相關(guān)器的輸出結(jié)果量度了接收到的單周期脈沖和模板波形的相對時間位置差。15.5.3

UWB技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

UWB具有如下傳統(tǒng)通信系統(tǒng)無法比擬的技術(shù)特點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。常用的無線通信是利用連續(xù)載波的參量變化來攜帶信息。而UWB不使用載波，它通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號。UWB發(fā)射器直接用脈沖小型激勵天線，不需要傳統(tǒng)收發(fā)電路所需要的變頻器和功率放大器等，只需采用非常低廉的寬帶發(fā)射器。在接收端，UWB接收機(jī)也有別于傳統(tǒng)的接收機(jī)，不需要中頻處理。

(2)高速的數(shù)據(jù)傳輸。UWB的通信距離為10m以內(nèi)，其傳輸速率可達(dá)500Mb/s。UWB以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數(shù)據(jù)傳輸，并且不單獨(dú)占用已經(jīng)擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術(shù)使用的頻帶。在軍事應(yīng)用中，可以利用巨大的擴(kuò)頻增益來實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數(shù)據(jù)傳輸。

(3)功耗低。UWB系統(tǒng)使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，脈沖持續(xù)時間很短，一般在（0.20～1.5）ns之間，占空比很低，系統(tǒng)耗電可以做到很低，在高速通信時系統(tǒng)的耗電量僅為幾百微瓦到幾十毫瓦。民用的UWB設(shè)備功率一般是傳統(tǒng)移動電話所需功率的1/100左右，是藍(lán)牙設(shè)備所需功率的1/20左右。

(4)安全性高。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內(nèi)，對一般通信系統(tǒng)而言，UWB信號相當(dāng)于白噪聲信號，并且在大多數(shù)情況下，UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。而采用編碼對脈沖參數(shù)進(jìn)行偽隨機(jī)化后，脈沖的檢測將更加困難。

(5)多徑分辨能力強(qiáng)。由于常規(guī)無線通信的射頻信號大多為連續(xù)信號或其持續(xù)時間遠(yuǎn)大于多徑傳播時間，多徑傳播效應(yīng)限制了通信質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸速率。實驗表明，對常規(guī)無線電信號多徑衰落深達(dá)（10～30）dB的多徑環(huán)境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5dB。

(6)定位精確。沖激脈沖具有很高的定位精度，采用超寬帶無線電通信，很容易將定位與通信合一，而常規(guī)無線電難以做到這一點(diǎn)。超寬帶無線電具有極強(qiáng)的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，而GPS定位系統(tǒng)只能工作在GPS定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與GPS提供絕對地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對位置，其定位精度可達(dá)厘米級，此外，超寬帶無線電定位器更為便宜。

(7)工程簡單造價低。在工程實現(xiàn)上，UWB比其他無線技術(shù)要簡單得多，可全數(shù)字化實現(xiàn)。它只需要以一種數(shù)學(xué)方式產(chǎn)生脈沖，并對脈沖產(chǎn)生調(diào)制，而這些電路都可以被集成到一個