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1、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
2、，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33ABSTRACTWith the rapid development of network and communication technology,the wireless communication is more and more increasingly for the people.all the kind of short-range wireless communication technology will play a more and more important part in t
3、he automation control and the region of home information.The method of data transfer should service which peoples work and life better for these short-range wireless communication,at the same time,it is quite convenient for the correspondent.The thesis mostly research the method of data transfer whi
4、ch some kind of common short-range wireless communication.and expound the transmission technology which used more widely of the Bluetooth,ieee802.11 series wireless local area networks,uwb,homerf,zigbee and infrared for the moment,to further analyses and compare their relative merits and implementat
5、ion method clearly,the technical of similarities and different point,it has been reviewed the selection and use of these technologies should be noticed.To further investigate the new wireless technology standard uwb which have the development potential method.Keyword：Short-range wireless communicati
6、on，Wireless networks Bluetooth,UWB,Infrared目 录第一章 绪 论11.1 引言11.2 短距离无线通信技术的发展状况11.3 论文研究目的和内容2第二章 无线传输技术42.1 调制技术42.2 分集技术42.3 扩频技术52.4 多址技术6第三章 短距离无线通信数据传输方式73.1 蓝牙技术73.2 IEEE802.1193.3 红外（IrDA）123.4 HomeRF技术133.5 ZigBee技术133.6 超宽带技术153.7 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274.1 UWB的优势27 4.2 UWB的应用概述274.
7、3 UWB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
8、，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
9、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
10、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
11、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
12、，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
13、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
14、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
15、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。信道编码扩频编码数据信道扩频调制信道编码数据PN序列PN序列图2.1 扩频数字通信系统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
16、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
17、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
18、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(10100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
19、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
20、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
21、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2.402GHz2.480GHz，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2.4022.480GHz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。
22、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
23、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
24、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。3.2 IEEE802.113.2.1 IEEE802.11简介IEEE802.11是美国电气电子工程师协会IEEE（Institute for E
25、lectrical and Electronic Engineers）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。表3.1 802.11特性说明特性说明物理层频段速率安全吞吐量范围优点缺点直序扩频(DSSS) 调频扩频(FHSS) 红外(IR)2.4GHz(ISM频段，802.11b和802.11g)，5Ghz(802.11a)11Mbps，2Mbps，5.5Mbps(802.11b) 55M(802.11a和802.11g)基于RC4的流加密算法，有限的密钥管理11M(802.11b) 54M(802.11a，802.11g)室内100
26、米，室外300米左右无需布线，使用灵活方便，产品已经很多且成熟，价格已经下降安全方便比较差，吞吐量会随着用户的增多和距离的加大而下降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)IEEE802.11b1999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
27、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)IEEE802.11aIEEE802.11a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1
28、1a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802.11 WLAN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
29、主要优点主要缺点802.112.421.2FHSS/DSSS无较大的辐射范围有限的比特率802.11a5.05432OFDM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802.11b2.41167DSSS802.11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802.11g2.45432OFDM802.11/802.11b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3.2.2 IEEE802.11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
30、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（Infrared Data Association）成立于19
31、93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115.2kbs速率传输数据，很快发展到4Mbs的速率，后来，速率又达到16Mbs。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
32、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。3.4 HomeRF技术3.4.1 HomeRF简介HomeRF工作组是由美国家用射频委员会领导、于1997年成立的，其主要工作任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网。家庭射频（HomeRF）标准是由HomeRF工作组开发的，旨在家庭范围
33、内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。HomeRF是IEEE802.11与DECT的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。HomeRF采用了扩频技术，工作在2.4GHz频带，能同步支持4条高质量语音信道，但是HomeRF的传输速率只有1M2Mbps。由于HomeRF技术没有完全公开，目前只有几十家小企业支持，在抗干扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺，因此它的应用前景还不是十分明朗。3.4.2 小结HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进：当进行数据通信时，采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。但是，该标准
34、与802.11b不兼容，并占据了与802.11b和Bluetooth相同的2.4GHz频率段，所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。3.5 ZigBee技术3.5.1 ZigBee技术简介ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。IEEE802.15.4工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范
35、。在其基础之上，ZigBee 联盟制定了数据链路层（DLL）、网络层(NWK)和应用编程接口(API)规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。3.5.2 ZinBee技术特点(1)系统的复杂性ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb；ZigBee定义了两种类型的设备：全功能设备FFD(Full Functional Device）和简化功能设备RFD(Reduced Function Device)。网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者(Coordinator)和最多可达65 535个从属设备。网络协调者必须是FFD
36、，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比FFD 便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。（2）可靠性信号在无线环境中传输，必然存在大尺度衰落、阴影衰落、多径和干扰等问题。ZigBee、蓝牙和WLAN(IEEE802.11b)都是工作于2.4GHzISM频段，相互间的干扰是不可避免的，因此保证可靠性尤为重要。ZigBee有三个工作频段：2.4022.480GHz、868868.6MH
37、z、902928MHz，共27 个信道。信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地减少帧的冲突。为抗干扰和多径，ZigBee在物理层采用直接序列扩频DSSS和频率捷变FA技术。在网络层，ZigBee支持网状网，存在冗余路由，保证了网络的健壮性。（3）功耗低功耗是ZigBee的一个重要特征。在一个典型的ZigBee传感网络中，一块普通碱性电池可以供ZigBee设备工作六个月到两年！下面讨论ZigBee获得低功耗的方法。ZigBee的MAC 信道接入机制有两种：无信标（Beacon）模式和有信标模式。无信标模式就是标准的ALOHACSMA-CA 的信道接入机制，终端节点只在有数据要收发的时候才和网络
38、会话，其余时间都处于休眠模式，这样平均功耗就非常低。有信标模式下，终端设备可以只在信标被广播时醒来，并侦听地址，如果没有侦听到自己的地址，则又转入休眠状态。信标对簇形网络(Cluster tree network)和网状网(Mesh network)的节点同步尤为重要，节点不用长时间侦听信道而消耗能量。网络拓扑结构对功率节省也有很重要的关系。星形和簇形网络结构比网状网结构更有利于功率节省。因为前者的终端节点不充当路由器的功能，只收发自己的数据，这样可以节省更多功率。3.5.3 小结由于ZigBee具有功耗极低、系统简单、成本低、低等待时间(Latency Time)和低数据速率的性质，它非常适
39、合有大量终端设备的网络。可以应用到以下领域：楼宇自动化、工业监视及控制、计算机外设、互动玩具、医疗设备、消费性电子产品、家庭自动化以及其他一些传感网络。3.6 超宽带技术(UWB)3.6.1 UWB简介超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。1989年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于25%，则该信号为超宽带信号。信号带宽与中心频率之比在1%25%之间为宽带，小于1%为窄带。见表3.3所示
40、。绝对带宽和相对带宽定义如下：绝对带宽,相对带宽。其中为信号在-20dB辐射点对应的上限频率、为信号在-20dB辐射点对应的下限频率。可见,UWB是指具有很高带宽比(射频带宽与其中心频率之比)的无线电技术。3.3 窄带，宽带和超宽带的比较分类信号带宽/中心频率窄带小于1%宽带大于1%，并且小于25%UWB大于25%为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会(FCC)开始在产业界广泛征求意见。美国NTIA等通信团体对此大约提交了800多份意见书。2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带
41、宽大于500MHz的无线电信号。根据UWB系统的具体应用，分为成像系统、车载雷达系统、通信与测量系统三大类。根据FCC Part15规定，UWB通信系统可使用频段为3.1GHz10.6GHz。为保护现有系统(如GPRS、移动蜂窝系统、WLAN等)不被UWB系统干扰，针对室内、室外不同应用，对UWB系统的辐射谱密度进行了严格限制，规定UWB系统的最高辐射谱密度为-41.3dBm/MHz。图3.1示出了FCC对室内UWB系统的辐射功率谱密度限制。当前，人们所说的UWB是指FCC给出的新定义。图3.1 FCC对室内UWB系统的辐射限制自2002年至今，新技术和系统方案不断涌现，出现了基于载波的多带脉
42、冲无线电超宽带(IR-UWB)系统、基于直扩码分多址(DS-CDMA)的UWB系统、基于多带正交频分复用(OFDM)的UWB系统等。可以预见，在未来的几年中，UWB将成为无线个域网、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占据主导地位的物理层技术之一。3.6.2 UWB的技术特点(1)传输速率高，空间容量大根据仙农(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，系统无差错传输速率的上限为： (3.1)其中,B(单位:Hz)为信道带宽,SNR为信噪比。在UWB系统中，信号带宽B高达500MHz7.5GHz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系统也可以在短距离上实现几百兆
43、至1Gb/s的传输速率。例如，如果使用7GHz带宽，即使信噪比低至-10dB，其理论信道容量也可达到1Gb/s。因此，将UWB技术应用于短距离高速传输场合(如高速WPAN)是非常合适的，可以极大地提高空间容量。理论研究表明，基于UWB的WPAN可达的空间容量比目前WLAN标准IEEE802.11a高出12个数量级。(2)适合短距离通信按照FCC规定，UWB系统的可辐射功率非常有限，3.1GHz10.6GHz频段总辐射功率仅0.55mW，远低于传统窄带系统。随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减。因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数(d)。根据仙农公式，信道容量可以表示成距离的函数： (3.
44、2)另外,超宽带信号具有极其丰富的频率成分。众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的衰落特性。由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致UWB信号产生失真，从而严重影响系统性能。(3)具有良好的共存性和保密性由于UWB系统辐射谱密度极低(小于-41.3dBm/MHz)，对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。因此，UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。同时，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利。(4)多径分辨能力强，
45、定位精度高由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。因此，UWB信号的多径分辨率极高。极高的多径分辨能力赋予UWB信号高精度的测距、定位能力。无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。在窄带系统中，不可分辨的多径将导致衰落，而UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。因此，UWB系统具有很强的抗衰落能力。但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散(频率选择性衰落)，接收机必须通过牺牲复杂度(增加分集重数)以捕获足够的信号能量。这将对接收机设计提出严峻挑战。在实际的UWB系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比。(5)体积小、功耗低传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。3.6.3 UWB脉冲成形技术任何数字通信系统，都要利用与信道匹配良好的信号携带信息。对于线性调制系统，已调制信号可以统一表示为： (4.1)其中，为承载信息的离散数据符号序列；T为数据符号持续时间；g(t)