2．4GHz頻段無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

摘要：為了滿足人們對無線通信技術(shù)的需求，現(xiàn)對工作于2．4 GHz(ISM)頻段常用的短距離無線通信中ZigBee、藍(lán)牙(Bluetooth)、WiFi三者的技術(shù)優(yōu)勢、缺點及總的市場趨勢做了詳細(xì)分析，證明它們的關(guān)系是既互為補充又相互競爭的。
關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；WiFi；ZigBee；短距離無線通信

    目前，各類網(wǎng)絡(luò)中最具增長潛力的就是無線網(wǎng)絡(luò)。生活中最常見的無線通信技術(shù)就是家庭中用到的電視機(jī)、空調(diào)遙控開關(guān)，它采用了點對點的紅外技術(shù)，最大的不足在于它是一種視距離傳輸，2個互相通信的設(shè)備之間必須對準(zhǔn)，中間不能讓其他物體阻隔，因而該技術(shù)只能用于2臺設(shè)備之間的連接，不能滿足多臺設(shè)備互聯(lián)、組網(wǎng)的要求?，F(xiàn)在許多機(jī)構(gòu)會選擇采用無線局域網(wǎng)(WLAN)來拓展他們現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)，獲得在機(jī)構(gòu)區(qū)域內(nèi)部移動接入網(wǎng)絡(luò)的能力。要不通過電纜，擺脫物理連接上的限制，使設(shè)備互聯(lián)起來就需要采用無線通信方式。目前常用的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)最流行的3個是ZigBee、藍(lán)牙(Bluetooth)和WiFi。

1 Zigaee
1．1 ZigBee簡介
    Zigbee是IEEE 802．15．4協(xié)議的代名詞，這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。
1．2 ZigBee技術(shù)優(yōu)勢及不足
    ZigBee技術(shù)優(yōu)勢主要包括以下幾個方面：
    低功耗  2節(jié)五號電池支持長達(dá)六個月到兩年左右的使用時間，然而Bluetooth僅能工作數(shù)周，WiFi只
可工作數(shù)小時。
    低成本  ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本，且免收專利費。
    可靠  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；節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由的方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?br />     網(wǎng)絡(luò)容量大  ZigBee具有大規(guī)模的組網(wǎng)能力，每個網(wǎng)絡(luò)達(dá)60 000個節(jié)點。
    安全保密  ZigBee提供了一套基于128位AES算法的安全類和軟件，并集成了IEEE 802．15．4的安全元素。
    工作頻段靈活  使用頻段為2．4 GHz，868 MHz及915 MHz，均為免執(zhí)照頻段。
    同時ZigBee也存在著一些不足：
    傳輸范圍小  在不使用功率放大器的前提下，ZigBee節(jié)點的有效傳輸范圍一般為10～75 m，僅能覆蓋普通的家庭和辦公場所。
    數(shù)據(jù)傳輸速率低  在2．4 GHz的頻段也只有250 Kb／s，而且這只是鏈路上的速率，除掉幀頭開銷、信道競爭、應(yīng)答和重傳，真正能被應(yīng)用所利用的速率可能不足100 Kb／s，并且這余下的速率也可能要被鄰近多個節(jié)點和同一個節(jié)點的多個應(yīng)用所瓜分。
    時延不易確定  由于ZigBee采用隨機(jī)接入MAC層，且不支持時分復(fù)用的信道接入方式，因此不能很好地支持一些實時的業(yè)務(wù)，而且由于發(fā)送沖突和多跳，使得時延變成一個不易確定的因素。
1．3 ZigBee應(yīng)用項目
    近日獲悉，赫立訊科技(北京)有限公司8年自主研發(fā)技術(shù)的ZigBee無線定位系統(tǒng)，已成功應(yīng)用在最具“人情味”的北京地鐵4號線大興線隧道工程項目中。本項目中“地鐵隧道工程安全預(yù)警系統(tǒng)”共安裝有：ZigBee工地安全基站21個和50張ZigBee人員識別卡。開創(chuàng)了以ZigBee物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)為核心的“地鐵隧道工程安全預(yù)警系統(tǒng)”，這是為工程和人員安全保駕護(hù)航的最新應(yīng)用。

2 藍(lán)牙(Bluetooth)
2．1 藍(lán)牙簡介
    藍(lán)牙技術(shù)最初由愛立信創(chuàng)制。1999年5月20日，索尼愛立信、IBM、英特爾、諾基亞及東芝等業(yè)界龍頭創(chuàng)立藍(lán)牙特別興趣組，制訂藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。1998年，愛立信公司希望無線通信技術(shù)能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)而取名“藍(lán)牙”。藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)致力于在10～100 m的空間內(nèi)使所有支持該技術(shù)的移動或非移動設(shè)備可以方便地建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系、進(jìn)行話音和數(shù)據(jù)通信。
2．2 藍(lán)牙發(fā)展趨勢
    藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth Special Interest Group，SIG)日前宣布正式采納藍(lán)牙規(guī)格4．0版本，并啟動對應(yīng)的認(rèn)證計劃。在3．0+HS版本標(biāo)準(zhǔn)加入高速傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上，4．0版本又加入了之前諾基亞力推的Wibree低功耗傳輸技術(shù)。至此，藍(lán)牙已經(jīng)不是當(dāng)初大家熟悉的只適用于WPAN的“藍(lán)牙”了。而是集IEEE 802．15．1傳統(tǒng)藍(lán)牙，IEEE 802．11物理層和MAC層以及Wibree標(biāo)準(zhǔn)的“三合一”的藍(lán)牙。
    低功耗傳輸部分作為藍(lán)牙4．0版本的重點，沿用了曾經(jīng)的Wibree標(biāo)準(zhǔn)。采用簡單的GFSK調(diào)制，擁有極低的運行和待機(jī)功耗，使用一粒紐扣電池甚至可連續(xù)工作數(shù)年之久。毫無疑問，新的低功耗藍(lán)牙將挑戰(zhàn)諸如ZigBee、NFC等技術(shù)，低功耗藍(lán)牙的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎啾萙igBee的星型拓?fù)浜唵蔚枚?，而傳輸距離又比NFC有很大優(yōu)勢，盡管是個后來者，但憑借其在手機(jī)和音頻領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，未來發(fā)展還是值得期待。
2．3 藍(lán)牙4．0(Bluetooth)版本技術(shù)細(xì)節(jié)
    數(shù)據(jù)傳輸：藍(lán)牙低功耗技術(shù)支持很短的資料封包，其傳輸速度高達(dá)1 Mb／s。所有連接均采用先進(jìn)的嗅探性次額定功能模式，以實現(xiàn)超低的負(fù)載循環(huán)。
    延遲：藍(lán)牙低功耗技術(shù)的聯(lián)機(jī)建立僅需3 ms即可完成，同時能以應(yīng)用程序迅速啟動鏈接器，并以數(shù)毫秒的傳輸速度完成經(jīng)認(rèn)可的數(shù)據(jù)傳遞后并立即關(guān)閉連接。
    穩(wěn)定度：藍(lán)牙低功耗技術(shù)使用24位的循環(huán)重復(fù)檢環(huán)(CRC)，能確保所有封包在受干擾時的最大穩(wěn)定度。
    高度安全：使用CCM的AES-128完全加密，為數(shù)據(jù)封包提供高度加密性及認(rèn)證度。
    不可否認(rèn)，藍(lán)牙技術(shù)的缺點和優(yōu)點一樣明顯：
    數(shù)據(jù)傳輸瓶頸問題。高速跳頻使得藍(lán)牙傳輸安全性極高，同時也限制了藍(lán)牙傳輸過程中數(shù)據(jù)包不可能太大，哪怕是在宣傳的高保真藍(lán)牙耳機(jī)中，它的高低頻部分也是被嚴(yán)重壓縮的。
2．4 藍(lán)牙應(yīng)用
    通過使用Bluetooth技術(shù)產(chǎn)品，人們可以免除居家辦公電纜纏繞的苦惱。鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)、膝上型計算機(jī)、耳機(jī)和揚聲器等均可以在PC環(huán)境中無線使用，為室內(nèi)裝飾提供了更多創(chuàng)意和自由(設(shè)想，將打印機(jī)放在壁櫥里)。此外，通過在移動設(shè)備和家用PC之間同步聯(lián)系人和日歷信息，用戶可以隨時隨地存取最新的信息；通過無線立體聲耳機(jī)收聽從家庭音響或其他類似音頻設(shè)備傳送的流行音樂。

3 WiFi
3．1 WiFi技術(shù)簡介
    WiFi(Wireless Fidelity，無線保真技術(shù))即IEEE 802．11協(xié)議，是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接人的無線電信號。WiFi的第一個版本發(fā)表于1997年，其中定義了介質(zhì)訪問接入控制層(MAC層)和物理層。規(guī)定了無線局域網(wǎng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和基本傳輸介質(zhì)，規(guī)范了物理層(PHY)和介質(zhì)訪問層(MAC)的特性。物理層采用紅外、DSSS(直接序列擴(kuò)頻)或FSSS(調(diào)頻擴(kuò)頻)技術(shù)。1999年又增加了IEEE 802．11a和IEEE 802．11g標(biāo)準(zhǔn)。其傳輸速率最高可達(dá)54 Mb／s。能夠廣泛支持?jǐn)?shù)據(jù)、圖像、語音和多媒體等業(yè)務(wù)。
3．2 WiFi技術(shù)優(yōu)勢
    無線電波的覆蓋范圍廣  藍(lán)牙的電波覆蓋范圍很小，半徑大約只有15 m，而WiFi的半徑可達(dá)100 m，甚至可以覆蓋整棟大樓。
    WiFi的傳輸速度很快，最高可達(dá)54Mb／s，符合個人和社會信息化的需求  在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)，允許用戶在任何時間、任何地點訪問網(wǎng)絡(luò)，隨時隨地享受諸如網(wǎng)上證券、視頻點播(VOD)、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療、視頻會議、網(wǎng)絡(luò)游戲等一系列寬帶信息增值服務(wù)。并實現(xiàn)移動辦公。
    健康安全  IEEE 802．11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過100 mW，實際發(fā)射功率約60～70 mW，而手機(jī)的發(fā)射功率約200 mW～1 W，手持式對講機(jī)高達(dá)5 W。與后者相比，WiFi產(chǎn)品的輻射更小。
    WiFi應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)非常普遍  支持WiFi的電子產(chǎn)品越來越多，像手機(jī)、MP4、電腦等，基本上已經(jīng)成為了主流標(biāo)準(zhǔn)配置。
3．3 WiFi發(fā)展趨勢
    不久前WiFi聯(lián)盟提出了WiFi Direct標(biāo)準(zhǔn)，正式開始挑戰(zhàn)藍(lán)牙在WPAN領(lǐng)域的地位。WiFi在上網(wǎng)本、智能手機(jī)、電視機(jī)、機(jī)頂盒和其他設(shè)備中的采用率也不斷上升，市場調(diào)查公司In-Stat預(yù)計，到2013年全球?qū)⒔桓?．16億個采用WiFi互連的設(shè)備。繼藍(lán)牙成為標(biāo)配后，越來越多的手機(jī)開始具有WiFi功能。市場調(diào)查公司ABI Research的數(shù)據(jù)顯示，目前的筆記本電腦中幾乎都含有WiFi。到2010年年底，用于移動設(shè)備的“組合”芯片組的全球出貨量預(yù)計將達(dá)到2．8億套。預(yù)測到2015年，這種芯片組的出貨量將達(dá)到9．79億套。ABIResearch研究分析師表示，手機(jī)是這種組合芯片組的主要市場，手機(jī)中應(yīng)用的組合芯片組最常見的組合是WiFi+GPS。
    近日，博通無線連接集團(tuán)GPS業(yè)務(wù)組市場總監(jiān)David Murray表示，與競爭對手相比，博通的解決方案有更多的優(yōu)勢——除了利用衛(wèi)星信號，還通過WiFi和基站來進(jìn)行輔助定位。值得一提的是，WiFi的加入讓難以接收衛(wèi)星信號的室內(nèi)得以實現(xiàn)精確定位。

4 結(jié)語
    提到WiFi與藍(lán)牙的關(guān)系，人們往往首先想到的是競爭，尤其是在WiFi推出WiFi Direct技術(shù)，兩者之間的火藥味便更濃。然而，最近博通卻帶來一則消息，其推出的最新組合模塊InConcert將WiFi與藍(lán)牙集于一體，讓兩者的關(guān)系從對立走向了互補。InConcert組合模塊由BCM4313(單流IEEE 802．11n)和BCM2070(Bluetooth 3．0+HS)組成，將兩種無線連接手段集于一體。據(jù)悉，已經(jīng)有包括華碩和三星在內(nèi)的5家OEM公司決定在其新型筆記本和上網(wǎng)本中采用該模塊組合。兩種連接方式的集成將給用戶帶來更好的體驗，用戶在使用無線連接時，不必手動搜索以及選取連接方式，InConcert組合模塊會自動完成該任務(wù)，在短距離情況下，可以通過藍(lán)牙或者WiFi直連實現(xiàn)，無需網(wǎng)絡(luò)覆蓋；而如果距離稍長，可以通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行。
    在ZigBee和藍(lán)牙的關(guān)系上，ZigBee聯(lián)盟認(rèn)為ZigBee和藍(lán)牙是互為補充，而不是互相競爭。文獻(xiàn)分析比較了藍(lán)牙和ZigBee的各項技術(shù)指標(biāo)，說明將兩者相結(jié)合具有較好的發(fā)展前景。文獻(xiàn)研究了兩者共存以及相互干擾的特性，證明兩者互聯(lián)工作的方案切實可行。