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Zigbee，UWB，LiFi三种无线通信技术与其特点

方晓东

（山东省商务发展研究院,山东青岛266001）

摘要：文章对有较强开发潜力的短距离的无线通信协议Zigbee技术（“紫蜂协议”）、UWB技术（超宽带技术）、LiFi（光保真技术）作了综述,阐述了它们各自的技术特点,并与目前相对成熟并已广泛应用的WiFi技术（无线保真）及Bluetooth（蓝牙技术）进行了比较.

关键词：无线通信技术；频段；网络协议；射频；传输率

中图分类号：TN925文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2016.10.101

收稿日期：２０16－08－03；修回日期：２０16－09－04

作者简介：方晓东（1964-）,男,山东青岛人,工程师,主要从事计算机网络的构建及维护研究,E-mail：fxdqdcn@163.com.

无线通信在通信行业中呈现出愈来愈重要的地位,无线通信协议技术的不断开发涌现出一些新技术,许多技术颇有特点.其中Zigbee技术、UWB技术、LiFi技术的一些技术参数分别具有独特、突出的优势,给用户的应用带来了多种选择.

1Zigbee技术

Zigbee技术（译为“紫蜂协议”）是基于IEEE802.15.4技术标准的低功率、短距离的局域网协议,使用2.4GHzI频段.主要为在短距离范围内传输速率要求不高（10kb/s~250kb/s）的设备设计的一种无线数据传输技术.Zigbee网络结构分为四层,分别为物理层、媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层.其中IEEE802.15.4标准定义了物理层和媒体访问控制层（MAC）,合称为IEEE802.15.4通信层.Zigbee联盟负责定义网络层和应用层.

技术特点：Zigbee在2.4GHz和868/915MHzI频段（全球：2.4GHz；美国：915MHz；欧洲：868MHz）工作,采用跳频技术.IEEE802.15.4的物理层有两个标准,2450MHz（2.4GHz）物理层和868/915MHz物理层,为避免干扰,它们都采用了直接序列扩频技术及相同的物理层数据包格式,都采用相位调制技术,2.4GHz采用较高阶的QPSK调制技术,使数据的传输率达到250kb/s,并且降低了工作时间,减少了功率消耗,在此频道上提供了16个传输率为250kb/s的信道；915MHz和868MHz采用BPSK的调制技术,其中868MHz传输率为20kb/s,支持1个传输率为20kb/s的信道；915MHz的传输率位40kb/s,支持10个传输率为40kb/s的信道[1].在MAC层上,主要沿用WLAN中802.11系列标准的CA/CA方式,提高了系统的兼容性,为了可靠传递,还提供全握手协议.网络层方面,ZigBee联盟制订了星形、簇树型及两者的组合,称为网状网（也称网状型网络）的网络结构.Zigbee的组网容量相对较大,其一个主节点可以管理254个子节点,层层分级使其可组成65000个节点的大网络[2].ZigBee传输率虽然低于蓝牙,但在其他方面Zigbee相对蓝牙技术却有许多明显优势.首先Zigbee通过简化通信协议（不到蓝牙技术协议的1/10）及降低通信数据速率,减少了Zigbee收发器的应用复杂度,降低了功耗及成本.为达到较高的节能效果,与其他同类技术相似,Zigbee在休眠和工作两种状态之间进行切换,但Zigbee的功耗更低,Zigbee的1个节点在2节5号电池的支持下可工作6~24个月,甚至更长,蓝牙仅能支持数周,而WiFi则仅仅数小时的工作时间[2].另外,Zigbee的时延更短,Zigbee从休眠状态转到工作状态需要15ms,从节点接入到网络也仅需要30ms,蓝牙则需要3~10s,而WiFi也要用

3s[2].ZigBee的组网规模也比蓝牙技术要大的多.ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制,提高了系统信息传输的可靠性.在安全方面,Zigbee设计了数据完整性检查和鉴权功能,具有灵活的安全模式：第一级无安全设定,适应于无需安全保护或者上级已提供了安全保护的环境.第二级没有采用加密措施,使用访问控制清单（AccessControlListAct）防止非法获取数据,适用于安全要求不高的环境.第采用高级加密标准（AES128）的对称技术保护数据的安全,AES可以用来保护数据净荷并防止攻击者冒充合法器件,这一级使得Zigbee具有较高的安全保密性,一般用于安全性要求较高的工作场合.以上安全模式可以根据实际应用场合灵活配置,确定合理的安全属性[2-3].

Zigbee相邻节点间的传输距离通常在10~100m之间,如果提高发射功率可达到1~3km,相对于蓝牙的10m,优势较为明显.若利用路由和节点间的接力传输距离将扩展的更远.ZigBee技术具有较好的兼容性,可与现有控制网络标准无缝集成.

Zigbee以其低复杂性、低功耗及可嵌入性在自动控制和远程控制领域中有着广阔的应用空间,虽然其传输距离较近,传输速率也较低,但符合许多电子设备之间的数据传输要求,是物联网现场传感器网络的理想选择.

2UWB技术

UWB技术（超宽带技术,UltraWideband,UWB）是一种不采用载波信号传输的无线通信技术,它利用时间间隔小于1ns级的非正弦波窄脉冲进行数据通信.UWB抗干扰性能强、传输速率高、系统容量大、发送功率又非常小,是一种很有前途的无线通信技术.

技术特点：UWB应用超短基带丰富的GHz级频谱,采用安全信令方法（IntriguingSignalingMethod）,大大提高了其数据的传输率.UWB能在10m范围内实现数百Mb/s至数Gb/s的数据传输率,发射功率小于1mW就能通信.UWB存在两种技术方案：载波调制UWB系统和无载波调制UWB系统,它们各自有自己的技术联盟：WiMedia联盟,采用载波调制UWB系统,以多带正交频分复用（MB-OFDM,Multi-BandOFDM）方案为标准；DS-UWB联盟,采用无载波调制UWB系统,直接扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum）作为多址方式的技术方案为标准.正交频分复用（OFDM）技术有较高的频谱利用率,较强的抗多径能力和相对简单的信道均衡需求等优点,较适合超宽带的无线通信系统[4].两种UWB方案有着本质区别,无法实现彼此妥协.制定UWB标准的802.15.3a工作组对这两种技术方案未进行选择,2006年IEEE802.15.3小组宣布解散,2007年WiMedia联盟的MB-OFDM-UWB提案通过ISO认证,成为第一个UWB国际标准.

UWB技术作为一种无载波通信技术也称为脉冲无线电（ImpulseRadio）.由于它利用极窄的窄脉冲（时间间隔小于1ns）,发送小于1ns一连串的脉冲,所以无需RF频率转换,可以直接送至天线发射,脉冲峰时间间隔在10~100ps级上,其功率谱密度非常低,RF可同时发射多个UWB信号.UWB信号可采用OOK、对映脉冲键控、脉冲振幅调制或脉位调制.UMB采用高斯单周期超短时脉冲控制发送和接受脉冲间隔,使得信号的带宽很宽,接收机通过一级前端交叉相关器将脉冲序列直接转换成基带信号,降低了设备的复杂性[4-5].UWB技术采用脉冲位置调制PPM单周期脉冲来携带信息和信道编码.UWB不使用载波信号,系统结构简单,发射器可以直接利用脉冲小型激励天线,采用低廉的宽带发射器.在10m范围内UWB传输率可达500Mb/s,其功耗仅有几百μW~几十mW,在低功耗下仍能保持高速的数据传输[6].由于UWB信号的频带极宽,信号的功率谱密度通常又比自然的电子噪音还要低,较难从电子噪音中将脉冲信号检测出来,其又采用编码对脉冲参数进行伪随机化处理后,使得对脉冲的检测更加困难,从而保证了UWB具有较高的通信安全性[6-8].UWB技术很强的多径分辨能力,保证了其通信的质量和数据传输速率,极强的穿透能力,使其在室内和地下能够进行精确定位,超短脉冲还能够给出相对位置,其定位精确可达厘米级,此外,超宽带无线电更为便宜,设备成本低[6-8].

UWB超宽带无线技术,以其系统复杂度低、发射信号功率谱密度低、信道衰落不敏感、高安全性、高定位精度等优点,是近距离多径密集场所,数据传输率要求高的环境下的理想选择,适用于高效的无线局域网,尤其在图形、视频等多媒体数据的传输及精确地理定位系统中有很强的竞争力.UWB超宽带无线技术有巨大的发展前景.

3LiFi可见光通信技术

LiFi（LightFidelity光保真技术）是一种采用可见光谱而不是传统的无线电波作为载体的新型数据传输方式.近年来随着用户对无线互联网需求的不断增长,射频频谱的可用频带越来越少,可见光无线通信使用的光频段具有宽广的通信带宽,无线电波在整个电磁频谱中仅占很小的一部分,光是电磁波频谱的一部分,可见光谱的空间是无线电波的

1万倍,既避免了电磁干扰冲突又无需申请频段使用执照,用于无线通信是一个比较理想的波段.与传统的无线射频通信方式相比,可见光通信具有绿色环保、对人体无害、无需无线电频带资源且保密性高等优点,是传统射频通信技术的有利补充,现已成为无线通信的又一研究热点.

技术特点：可见光无线通信技术VLC（VisibleLightCommunication）也就是通常称的LiFi技术是利用人们通常照明使用的发光二极管（LED）发出人眼无法觉察到的极快的闪断光信号来传输信息实现通信的一种新型的通信方式.发射方LED灯上安装得控制灯泡高速开关的控制芯片将要传输的信息以计算机的二进制编码方式传输出去.接收方通过光敏接收器接收发射方发来的光脉冲信号,再通过光电转换芯片将光信号转换成电信号.

目前LED可见光通信系统多数采用强度调制的直接检测（DD）非相干系统,编码方式大多采用曼彻斯特二进制OOK（On-Off-Keying开关键控）编码.为达到更高的发送率也采用光学组编码形式如脉冲位置调制（PPM）,以数据组的形式发送,但系统在解码时对时钟的同步要求较高.可见光通信的LED光源分为单色光和白光,在通常环境下大多选择白光LED作为信号光源,这是因为白光LED是常用照明光源,普及率高,稍加改造就可利用兼做通信光源,而且LED光源发出的光发散角较大,对人体无伤害（红外光伤害人的眼睛）有利于提高发射功率,提高系统的可靠性[9].为实现高速的数据传输,利用率高、抗干扰能力好的新型正交频分复用技术（OFDM）越来越引起大家关注.可见光光谱比无线电频谱大10000倍,理论上LiFi的传输速度可达1Gb/s,2015年11月,爱沙尼亚一家名为Velmenni创业公司表示已经开发出了可见光通信的超快网络传输技术,其测试所使用的LiFi技术能够以最快1Gb/s的速度发送数据.

LiFi可见光通信技术与传统的射频通信相比具有发射功率高、无电磁干扰等优点,它不但可靠性高,而且还可以在飞机、医院等其他需要考虑电磁兼容问题的场合下使用.可见光只能沿直线传播,不能穿透障碍物,数据只能按所设定的方向传输,这样就预防了信息的截获而泄露信息,保证了数据传输的安全性.LiFi可见光通信技术一旦和电力线通信技术（PowerLineCommunication,PLC）有机地融合,利用现有照明线路及设备（LED灯）的改造（在LED灯上植入一芯片）实施组网,既节约了成本,建设也非常便利,网络“热点”将无处不在,将大大提升网络的覆盖范围.LiFi可见光通信技术还可以在电磁波无法传输的水下进行传输发送数据.我国科研工作者在可见光通信方面的研究也获得了重大突破,最新测试结果显示,我国可见光实时通信速率已提高至50Gb/s,速度全球领先.LiFi可见光通信技术虽然现在还处在研究实验阶段,很多相关技术还有待突破成熟,但其独特的优势已凸显,将在未来无线通信中起到巨大的作用.　

ZigBee,UWB,LiFi这三种无线通信技术技术特点鲜明、优点突出、应用广泛,虽然在某些方面还有待完善和进一步开发,但在某些方面已彰显出强大的优势,必将具有广阔的应用前景.

参考文献：

[1]唐涛.ZigBee技术与应用[J].数字通信世界,2013(4):78-81.

[2]陶晓玲,黄廷磊,.ZigBee网状网技术探讨[J].广西师范学院学报(自然科学版),2006,23(3):67-71．

[3]李皓.基于Zigbee的无线网络技术及应用[J].信息技术,2008(1):12-14.

[4]刘琪,闫丽,周正.UWB的技术特点及其发展方向[J].现代电信科技,2009(10):6-18.

[5]王忠思,黄辉,邵晓.UWB无线通信关键技术及应用分析[J],通信电源技术,2009,26(4):42-44.

[6]闰成杰.基于UWB技术的无线通信系统性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2008.

[7]张延华,吴雪梅,丁海洋.UWB信号与系统[J].中国电子科学研究院学报,2006(1):31-38.

[8]本专辑责任编委组.超宽带无线电技术[J].通信学报,2005,26(10):2-6.

[9]任凤娟,孙彦楷.白光LED可见光通信及其关键技术研究[J].电子质量,2010(5):20-21.

（责任编辑石俊仙）