短距離無線通信技術對比及其應用研究

楊靜

摘要：短距離通信技術已成為物聯網架構體系的主要通信技術，其發展迅速且應用范圍正不斷擴大。文章簡單闡述了短距離無線通信技術的概念及特征，介紹了UWB，Bluetooth及ZigBee等短距離無線通信技術，對比了不同短距離無線通信技術的優勢和應用領域，最后探討了短距離無線通信技術的應用。

關鍵詞：無線通信技術；短距離；ZigBee

近些年來，隨著電子技術的快速發展，各種便攜式通訊設備及家用電器越來越多，人們也越來越希望能有一種可使各電子產品與其他設備進行信息交互的產品。由此，短距離無線通信技術應運而生。短距離無線通信技術打破了時間及空間的限制，可實現任意時間、任意地點與任意人進行通信，有效促進了通訊行業的進一步發展。因此，對短距離無線通信技術進行對比研究有著十分重大的實際意義。

1 短距離無線通信技術

1.1 短距離無線通信技術概念

短距離無線通信，即通信范圍不超過100米的無線通信。短距離無線通信技術集半導體連接傳輸技術、計算機網絡電子技術及無線通信技術于一體而形成了一種數據數碼型通信技術。短距離無線通信的數據傳輸速率最高可超過100Mbit/s，被稱作高速短距離無線通信技術。另有低速短距離無線通信技術，其數據傳輸速率不超過1Mbit/s。隨著局域網的發展和普及，短距離無線通信技術也呈現出多元化及多樣化的特征，現使用較多且較為普及的短距離無線通信技術主要有IrDA，Bluetooth，ZigBee，UWB等，這些技術支撐著短距離無線通信技術的發展。

1.2 短距離無線通信技術特征

近些年來，短距離無線通信技術更是走進了人們的日常生活，為人們的生活提供了更加方便、快捷的通信方式，并逐步成為人類社會的主要通信方式。短距離無線通信技術的特征主要體現在以下方面：

第一，就字面意思而言，短距離無線通信技術是利用2個電子設備實現數據的短距離傳輸，因此其并不需要利用線路設備來連接各電子設備，應用起來相對方便快捷。

第二，短距離無線通信技術可利用對數據傳輸范圍、傳輸距離及帶寬的控制以控制通信技術的成本，從而滿足各階層用戶的不同需求。

第三，短距離無線通信技術擁有加密功能，可在使用的過程當中實現用戶信息加密處理，從而有效保護用戶的私密信息，進而提高信息傳輸的安全性。

雖然短距離通信技術具有以上多種特征和優勢，但以上特征是將短距離無線通信技術的主要技術進行綜合后所總結的特征，受技術研究限制，現還未發現有哪種單獨的無線通信技術同時擁有以上所有特征。

2 幾種主要的短距離無線通信技術

2.1 UWB技術

UWB技術，全稱“Ultra Wide Band"，即超寬帶技術。根據FCC（美國聯邦通信委員會）的相關規定，UWB通信系統所使用的頻段為3.1～10.6GHz。在不超過10m的范圍，UWB技術的信息傳輸速率可達500Mb/s以上。UWB技術的功率非常小，一般來說，其功率通常為20mW，頻譜范圍可達7.5GHz，速率最高超過500Mbit/s。另UWB技術可直接調制沖擊脈，從而有效彌補了傳統無線通信技術需將信號傳輸至基帶再實現載波調節的不足，因此在實際應用當中，利用UWB技術所建立的無線通信技術擁有強大的帶寬。通常情況下，利用UWB技術所建立的系統其帶寬最高可達2GHz，甚至更寬。UWB技術的工作原理主要是利用對應時間發射低功率沖擊脈而完成的，因此uWB技術受外界干擾較少，信號相對清晰。

UWB技術的優勢主要是傳輸速度快、強保密性和兼容性、可準確定位、功耗低、體積小，且其系統結構簡單易于實現，非常適用于短距離通信。

2.2 Bluetooth4k術

Bluetooth，即藍牙，Bluetooth技術源于1994年的愛立信公司。通常情況下，Bluetooth技術的接收范圍不超過10m，但經過改造之后，其傳輸范圍可擴至100m，從而形成一個臨時的對等連接。Bluetooth技術的應用主要是利用內部一塊8X8mm2的芯片來實現短距離射頻連接。一般來說，其頻段可達2.4GHz。Bluetooth技術在實際應用當中主要由一個主設備及多個從設備共同組成。Bluetooth技術的組網方式主要有兩種：一種是微微網，另一種是散射網。其中微微網是Bluetooth技術的最基本信息網絡形式。在微微網當中，各個設備都可通過所連接的藍牙設備來實現主信道的共享，但微微網當中最多可有7個設備與一個藍牙設備相連接。而散射網則是由多個微微網共同組成。散射網當中的藍牙設備既可以是某個微微網的主設備，同時也可以是另一個微微網的從設備，因此根據不同的跳頻序列，每個微微網都可獨立出來，而依照時間順序，每個藍牙設備都可參與不同的微微網。

Bluetooth技術的優勢主要是成本低、功率低。雖然Bluetooth技術只能使用2.4GHz這一單一頻段，但其仍可實現較大功能，利用Bluetooth技術可實現音頻及數據的同時傳輸，且其抗干擾能力非常強。

2.3 ZigBee技術

ZigBee技術是一種基于IEEE802.15.4標準的局域網協議，其功耗大小較低。ZigBee技術的原理源于蜜蜂的‘‘八字舞”，蜜蜂在采蜜時通過飛翔和翅膀抖動將所得到的花粉信息傳遞給同伴，ZigBee技術就是依照這一原理而形成的，因此ZigBee技術也被稱為“紫蜂協議”。ZigBee技術主要應用于遠程控制和自動控制領域。ZigBee技術的傳輸速率雖然較低，但其反應速度非常陜，通常只需幾毫秒便可迅速將設備自休眠狀態轉為工作狀態。另其安裝、維修成本較低，且功率低、時延短，具有高網絡容量及安全性，此外穩定性也比較高。因此，總體來說，相對其他短距離無線通信技術而言，ZigBee技術是一種較為便宜的通訊技術。

ZigBee技術的主要特點是傳輸速率低，通常保持在20～25kb/s，功耗低、網絡容量大而成本低。據相關研究表明，每一個ZigBee設備與其他設備相連接的個數最高可達254，從而使得每個ZigBee網絡最高可擁有255個節點，另其覆蓋范圍可達10～75m，普通家庭或辦公環境都可利用ZigBee技術實現無線通信。此外，ZigBee技術所使用的頻段相對靈活，其不但可利用2.4GHz這一全球通用頻段，而且還可使用歐洲的868GHz頻段及美國的915MHz頻段。

3 各種短距離無線通信技術的比較

UWB技術、Bluetooth技術及ZigBee技術是目前使用較為普遍的短距離無線通信技術，三者的空間容量具體如表1所示。

由表1可以看出，UWB技術的空間容量相對較大，其可實現短距離超高速信息傳輸，從而取代現有的有線通信技術，如雙絞線及光纖。Bluetooth技術的空間容量最小。就Bluetooth技術協議而言，因相鄰微微網可相互聯系而形成散射網，因此從理論上來說，利用Bluetooth技術所組成的微微網無個數限制，但受微微網組網方式和內部寬帶寬度限制，實際上，微微網的個數是有一定限制的，因此，Bluetooth技術只能應于PAN范圍內，其傳輸速度相對較低。ZigBee技術的空間容量在三者當中相對居中。

4 短距離無線通信技術的應用

短距離無線通信技術的應用范圍越來越廣，應用領域也越來越多，在各行各業基本都可見到短距離無線通信技術的身影。由于不同短距離無線通信技術的優勢有所不同，因此其重點應用范圍也有所不同。

UWB技術的傳輸速率高，同時還可精確測距，實現準確定位，并具有成像等無線探測技術，在實際應用當中為信息的交互提供了更多的便利。UWB技術最初主要應用于軍事方面，隨著短距離無線通信技術的不斷普及，UWB技術的應用逐步拓展至民用領域，且為民用領域創造了良好的商業價值。UWB技術的主要應用領域有：軍事領域、工程探測與救援、短距離高速無線多媒體智能網絡、智能交通系統、傳感網絡和智能環境等。UWB技術的帶寬高、功耗低，且可共存于多種應用程序，是一種具有廣闊發展前景的短距離無線通信技術。

Bluetooth技術的體積小、功耗低，且可與各種移動設備及便攜式設備相互集成，實現各通信設備的短距離連接。但因其傳輸速率及傳輸距離的限制，所以其應用范圍也存在一定局限性。Bluetooth技術的主要應用領域有：家用無線網絡、移動辦公、會議聯網、個人局域網、Internet接入服務及移動電子商務等。

ZigBee技術的應用領域其傳輸速率相對較低，主要有智能家居、工業及環境控制、醫療看護等，具體有家庭安全智能控制、工業控制、煙霧探測、農業信息采集和傳輸、醫療監測與治療等。

5 結語

文章主要介紹了UWB，Bluetooth及ZigBee等短距離無線通信技術，不同短距離無線通信技術有其各自的優勢，且其應用領域也有所不同。但不管是哪種短距離無線通信技術，其都有著廣闊的發展空間。相信隨著通信技術及計算機網絡電子技術的進一步發展，短距離無線通信技術將為社會的發展帶來更多便利，為人們的生產及生活提供更多便利。