短距离无线通信技术对比及其应用研究
杨静
摘要：短距离通信技术已成为物联网架构体系的主要通信技术，其发展迅速且应用范围正不断扩大。文章简单阐述了短距离无线通信技术的概念及特征，介绍了UWB，Bluetooth及ZigBee等短距离无线通信技术，对比了不同短距离无线通信技术的优势和应用领域，最后探讨了短距离无线通信技术的应用。
关键词：无线通信技术；短距离；ZigBee
近些年来，随着电子技术的快速发展，各种便携式通讯设备及家用电器越来越多，人们也越来越希望能有一种可使各电子产品与其他设备进行信息交互的产品。由此，短距离无线通信技术应运而生。短距离无线通信技术打破了时间及空间的限制，可实现任意时间、任意地点与任意人进行通信，有效促进了通讯行业的进一步发展。因此，对短距离无线通信技术进行对比研究有着十分重大的实际意义。
1 短距离无线通信技术
1.1 短距离无线通信技术概念
短距离无线通信，即通信范围不超过100米的无线通信。短距离无线通信技术集半导体连接传输技术、计算机网络电子技术及无线通信技术于一体而形成了一种数据数码型通信技术。短距离无线通信的数据传输速率最高可超过100Mbit/s，被称作高速短距离无线通信技术。另有低速短距离无线通信技术，其数据传输速率不超过1Mbit/s。随着局域网的发展和普及，短距离无线通信技术也呈现出多元化及多样化的特征，现使用较多且较为普及的短距离无线通信技术主要有IrDA，Bluetooth，ZigBee，UWB等，这些技术支撑着短距离无线通信技术的发展。
1.2 短距离无线通信技术特征
近些年来，短距离无线通信技术更是走进了人们的日常生活，为人们的生活提供了更加方便、快捷的通信方式，并逐步成为人类社会的主要通信方式。短距离无线通信技术的特征主要体现在以下方面：
第一，就字面意思而言，短距离无线通信技术是利用2个电子设备实现数据的短距离传输，因此其并不需要利用线路设备来连接各电子设备，应用起来相对方便快捷。
第二，短距离无线通信技术可利用对数据传输范围、传输距离及带宽的控制以控制通信技术的成本，从而满足各阶层用户的不同需求。
第三，短距离无线通信技术拥有加密功能，可在使用的过程当中实现用户信息加密处理，从而有效保护用户的私密信息，进而提高信息传输的安全性。
虽然短距离通信技术具有以上多种特征和优势，但以上特征是将短距离无线通信技术的主要技术进行综合后所总结的特征，受技术研究限制，现还未发现有哪种单独的无线通信技术同时拥有以上所有特征。
2 几种主要的短距离无线通信技术
2.1 UWB技术
UWB技术，全称“Ultra Wide Band"，即超宽带技术。根据FCC（美国联邦通信委员会）的相关规定，UWB通信系统所使用的频段为3.1～10.6GHz。在不超过10m的范围，UWB技术的信息传输速率可达500Mb/s以上。UWB技术的功率非常小，一般来说，其功率通常为20mW，频谱范围可达7.5GHz，速率最高超过500Mbit/s。另UWB技术可直接调制冲击脉，从而有效弥补了传统无线通信技术需将信号传输至基带再实现载波调节的不足，因此在实际应用当中，利用UWB技术所建立的无线通信技术拥有强大的带宽。通常情况下，利用UWB技术所建立的系统其带宽最高可达2GHz，甚至更宽。UWB技术的工作原理主要是利用对应时间发射低功率冲击脉而完成的，因此uWB技术受外界干扰较少，信号相对清晰。
UWB技术的优势主要是传输速度快、强保密性和兼容性、可准确定位、功耗低、体积小，且其系统结构简单易于实现，非常适用于短距离通信。
2.2 Bluetooth4k术
Bluetooth，即蓝牙，Bluetooth技术源于1994年的爱立信公司。通常情况下，Bluetooth技术的接收范围不超过10m，但经过改造之后，其传输范围可扩至100m，从而形成一个临时的对等连接。Bluetooth技术的应用主要是利用内部一块8X8mm2的芯片来实现短距离射频连接。一般来说，其频段可达2.4GHz。Bluetooth技术在实际应用当中主要由一个主设备及多个从设备共同组成。Bluetooth技术的组网方式主要有两种：一种是微微网，另一种是散射网。其中微微网是Bluetooth技术的最基本信息网络形式。在微微网当中，各个设备都可通过所连接的蓝牙设备来实现主信道的共享，但微微网当中最多可有7个设备与一个蓝牙设备相连接。而散射网则是由多个微微网共同组成。散射网当中的蓝牙设备既可以是某个微微网的主设备，同时也可以是另一个微微网的从设备，因此根据不同的跳频序列，每个微微网都可独立出来，而依照时间顺序，每个蓝牙设备都可参与不同的微微网。
Bluetooth技术的优势主要是成本低、功率低。虽然Bluetooth技术只能使用2.4GHz这一单一频段，但其仍可实现较大功能，利用Bluetooth技术可实现音频及数据的同时传输，且其抗干扰能力非常强。
2.3 ZigBee技术
ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4标准的局域网协议，其功耗大小较低。ZigBee技术的原理源于蜜蜂的‘‘八字舞”，蜜蜂在采蜜时通过飞翔和翅膀抖动将所得到的花粉信息传递给同伴，ZigBee技术就是依照这一原理而形成的，因此ZigBee技术也被称为“紫蜂协议”。ZigBee技术主要应用于远程控制和自动控制领域。ZigBee技术的传输速率虽然较低，但其反应速度非常陕，通常只需几毫秒便可迅速将设备自休眠状态转为工作状态。另其安装、维修成本较低，且功率低、时延短，具有高网络容量及安全性，此外稳定性也比较高。因此，总体来说，相对其他短距离无线通信技术而言，ZigBee技术是一种较为便宜的通讯技术。
ZigBee技术的主要特点是传输速率低，通常保持在20～25kb/s，功耗低、网络容量大而成本低。据相关研究表明，每一个ZigBee设备与其他设备相连接的个数最高可达254，从而使得每个ZigBee网络最高可拥有255个节点，另其覆盖范围可达10～75m，普通家庭或办公环境都可利用ZigBee技术实现无线通信。此外，ZigBee技术所使用的频段相对灵活，其不但可利用2.4GHz这一全球通用频段，而且还可使用欧洲的868GHz频段及美国的915MHz频段。
3 各种短距离无线通信技术的比较
UWB技术、Bluetooth技术及ZigBee技术是目前使用较为普遍的短距离无线通信技术，三者的空间容量具体如表1所示。
由表1可以看出，UWB技术的空间容量相对较大，其可实现短距离超高速信息传输，从而取代现有的有线通信技术，如双绞线及光纤。Bluetooth技术的空间容量最小。就Bluetooth技术协议而言，因相邻微微网可相互联系而形成散射网，因此从理论上来说，利用Bluetooth技术所组成的微微网无个数限制，但受微微网组网方式和内部宽带宽度限制，实际上，微微网的个数是有一定限制的，因此，Bluetooth技术只能应于PAN范围内，其传输速度相对较低。ZigBee技术的空间容量在三者当中相对居中。
4 短距离无线通信技术的应用
短距离无线通信技术的应用范围越来越广，应用领域也越来越多，在各行各业基本都可见到短距离无线通信技术的身影。由于不同短距离无线通信技术的优势有所不同，因此其重点应用范围也有所不同。
UWB技术的传输速率高，同时还可精确测距，实现准确定位，并具有成像等无线探测技术，在实际应用当中为信息的交互提供了更多的便利。UWB技术最初主要应用于军事方面，随着短距离无线通信技术的不断普及，UWB技术的应用逐步拓展至民用领域，且为民用领域创造了良好的商业价值。UWB技术的主要应用领域有：军事领域、工程探测与救援、短距离高速无线多媒体智能网络、智能交通系统、传感网络和智能环境等。UWB技术的带宽高、功耗低，且可共存于多种应用程序，是一种具有广阔发展前景的短距离无线通信技术。
Bluetooth技术的体积小、功耗低，且可与各种移动设备及便携式设备相互集成，实现各通信设备的短距离连接。但因其传输速率及传输距离的限制，所以其应用范围也存在一定局限性。Bluetooth技术的主要应用领域有：家用无线网络、移动办公、会议联网、个人局域网、Internet接入服务及移动电子商务等。
ZigBee技术的应用领域其传输速率相对较低，主要有智能家居、工业及环境控制、医疗看护等，具体有家庭安全智能控制、工业控制、烟雾探测、农业信息采集和传输、医疗监测与治疗等。
5 结语
文章主要介绍了UWB，Bluetooth及ZigBee等短距离无线通信技术，不同短距离无线通信技术有其各自的优势，且其应用领域也有所不同。但不管是哪种短距离无线通信技术，其都有着广阔的发展空间。相信随着通信技术及计算机网络电子技术的进一步发展，短距离无线通信技术将为社会的发展带来更多便利，为人们的生产及生活提供更多便利。
