短距离无线通信技术对比

1 概述

当今，无线通信在人们的生活中扮演越来越重要的角色，摆脱物理连接上的限制，自由地、随时随地地接入网络获取信息，成为现代社会的一种强烈需求。同时低功耗、微型化是人们对当前无线通信产品尤其是便携产品的基本要求，因此近距离无线通信正逐渐引起越来越广泛的注意。

短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，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，就可以称为短距离无线通信。

多年来，人们不断探索形成了当今令人眼花缭乱的短距离无线通信协议和相关产品。其中应用最为广泛和最有前途的短距离无线数据通信标准有5种，分别是紫蜂(Zig-Bee)、无线宽带(Wi-Fi)、蓝牙(Bluetooth)、超宽带(UWB)和近距通信(NFC)。它们基本上覆盖了目前市面的各种应用需求，在各自的领域发挥着巨大的作用。各种通信技术对比如图1所示。

下面就这几种主流的短距离无线通信技术做一个简单的介绍。

2 主流无线通信技术

2.1 紫蜂

紫蜂(ZigBee)是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据该协议规定这是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低成本、自组织、低功耗、低复杂度和低数据速率。主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。ZigBee标识及产品示例如图2所示。

ZigBee的工作频率有下面三种标准:

(1)868 MHz传输速率为20 kb/s适用于欧洲；

(2)915 MHz传输速率为40 kb/s适用于美国。

(3)2.4 GHz传输速率为250 kb/s全球通用。

目前，国内都在使用2.4 GHz的工作频率，其带宽为5 MHz，有16个信道。采用直接扩频(DSSS)方式的OQPSK调制技术。而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室内通常能达到30～50 m作用距离,在室外如果障碍物少,甚至可以达到100 m作用距离。它的优势和不足如下文所述。

ZigBee技术的优势:

(1)功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

(2)成本低。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。

(3)网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持65 535个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。

ZigBee技术的不足:

ZigBee技术本身是一种为低速通信而设计的规范，它的最高通信速度只有250 kb/s，对一些大数据量通信的场合它并不合适，但是这一特点会逐渐改变，一些厂商生产的ZigBee芯片目前也突破了这个限制，如CEL公司的ZICM2410，已经达到1 MHz的传输速率。

ZigBee并不是用来与Wi-Fi或者Bluetooth等其他已经存在的标准竞争，它的目标定位于现存的系统还不能满足其需求的特定的低功耗低速率的市场，它有着广阔的应用前景。ZigBee联盟预言在未来的四到五年，每个家庭将拥有50个ZigBee器件，最后将达到每个家庭150个。据估计到2012年ZigBee市场价值将达到数十亿美元。

2.2 无线宽带

无线宽带是Wi-Fi的俗称。所谓Wi-Fi，其实就是IEEE 802.11b的别称，它是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。随著技术的发展，以及IEEE 802.11b、g、n等标准的出现，现在IEEE 802.11这个标准已被统称作Wi-Fi。

Wi-Fi设备工作在全球通用的2.4 GHz ISM频段。目前在应用的协议标准主要有以下三种:

(1)IEEE 802.11b:工作频段2.4 GHz，其带宽为83.5 MHz，有13个信道，使用DSSS(直接序列扩频技术)，最大理论通信速率为11 Mb/s。

(2)IEEE 802.11g:工作频段2.4 GHz，其带宽为83.5 MHz，有13个信道，使用OFDM(正交频分技术)，最大理论通信速率为54 Mb/s。

(3)IEEE 802.11n:工作频段2.4 GHz/5.0 GHz，其带宽为83.5 MHz/125 MHz，有13/5个信道，使用MIMO技术(多入多出技术)，最大理论通信速率为300 Mb/s。

无线宽带通信距离一般在200 m范围以内。针对一些特殊的应用场合，加大通信双方设备的输出功率，通信距离可以超过2 km。目前，它主要应用在无线的宽带互联网的接入，是在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷的途径。Wi-Fi技术标识及典型产品如图3所示。

Wi-Fi技术有下面几个优势:

(1)覆盖广。其无线电波的覆盖范围广，穿透力强。可以非常方便地为整栋的大楼提供无线的宽带互联网的接入。

(2)速度高。Wi-Fi技术的传输速度非常快，支持IEEE 802.11n协议设备的通信速度可以高达300 Mb/s，能满足人们接入互联网，浏览和下载各类信息的需求。

(3)门槛低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，支持Wi-Fi的各种设备(例如:手机、手提电脑、PDA)都可以通过Wi-Fi网络非常方便地高速接入互联网。

Wi-Fi技术的不足:

Wi-Fi技术的不足是安全性不好。由于Wi-Fi设备在通信中没有使用跳频等技术，虽然使用了加密协议但是还是存在被破解的隐患。

2.3 蓝牙

蓝牙是一种支持设备短距离通信的无线电技术，它的出现要归功于Bluetooth SIG。Bluetooth SIG蓝牙技术联盟是一家贸易协会，由电信、计算机、汽车制造、工业自动化和网络行业的领先厂商组成。该小组致力于推动蓝牙无线技术的发展，为短距离连接移动设备制定低成本的无线规范，并将其推向市场。蓝牙技术标识及典型产品如图4所示。

蓝牙设备工作在全球通用的2.4 GHz ISM(即工业、科学、医学)频段，设备之间的通信是以跳频的形式进行的，能够实现很强的保密性。目前，最高的通信速率2 Mb/s，通信距离一般在10 m以内。目前，蓝牙技术主要应用在手机、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间的无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，实现高效、高保密的信息交流。

Bluetooth技术的优势:

(1)安全性高。Bluetooth设备在通信时，工作的频率是不停地同步变化的，也就是常说的跳频通信。通信双方的信息很难被捕获，更谈不上被破解和恶意插入欺骗信息了。

(2)易于使用。Bluetooth技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，且易于安装和设置。

Bluetooth技术的不足:

(1)通信速度不高。蓝牙设备的通信速度较慢，目前最高只能达到2 Mb/s，有很多的应用需求不能得到满足。

(2)传输距离短。蓝牙规范最初就是为近距离通信而设计的，所以它的通信距离比较短，一般不超过10 m。

3 小结

以上介绍了目前常用的几种短距离通信技术，ZigBee技术的特点:功耗低，抗干扰能力强，使用简单，组网灵活，使得ZigBee技术最适合工业现场应用。在接下来的讲座中，将围绕ZigBee的技术应用方案，展开详细论述。

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