第6章 物联网通信技术

6.1数字通信技术

6.1.1基本概念

通信的任务是将信息从一地传送到另一地，完成信息传送的一系列设备及传输媒介构成通信系统，最简单的通信系统是点到点的系统。

6.1.2模拟通信技术

通信技术按其传输信号的方式来划分，可分为模拟通信技术和数字通信技术两大类。模拟通信技术所传输的消息是在时间上和幅度上都是连续取值的模拟量，而数字通信技术传输的消息是数字。

6.1.3数字通信技术

数字通信技术是用数字信号作为载体来传输消息，或用数字信号对载波进行数字调制后再传输。它可传输电报、数字数据等数字信号，也可传输经过数字化处理的语声和图像等模拟信号。传输数字信号的通信系统称为数字通信系统，其通信过程如图6-1所示。

图6-1数字通信过程

数字通信系统通常由用户设备、编码和译码、调制和解调、加密和解密、传输和交换设备等组成。发信端来自信源的模拟信号必须先经过信源编码转变成数字信号，并对这些信号进行加密处理，以提高其保密性；为提高抗干扰能力需再经过信道编码，对数字信号进行调制，变成适合于信道传输的已调载波数字信号并送入信道。在收信端，对接收到的已调载波数字信号经解调得到基带数字信号，然后经信道译码、解密处理和信源译码等恢复为原来的模拟信号，送到信宿。

1．信源

信源是指信息源，信息的发送者，其作用是把各种消息转换成原始电信号，如电话机的送话器、电视摄像机、计算机等都可以看成是信源。

2．信源编码器与信源译码器

信源编码器是将信源送出的信号进行适当处理，产生周期性符号序列，使其变成合适的数字编码信号。信源编码的作用包含模拟信号的数字化和信源压缩编码两个范畴。

信源译码器实现信源编码的逆过程，即解压缩和数/模转换。

3．加密器与解密器

加密器主要用于需要保密的通信系统。加密处理的过程是采用复杂的密码序列，对信源编码输出的数码序列进行人为“扰乱”。

解密器实现的是加密器的逆过程，即从加密的信息中恢复出原始信息。

4．信道编码器与信道译码器

信道编码是为了提高数字传输的可靠性，对传输中产生的差错采用的差错控制技术，也称为差错控制编码，即在信号中按一定的编码规则加入冗余码元，以达到在接收端可以检出和纠正误码的目的。

信道译码器完成信道编码器的逆过程，即从编码的信息中恢复出原始信息。

5．数字调制器与数字解调器

与模拟通信系统的调制器作用一样，数字调制器将数字基带信号变换成适合于信道传输的频带信号。

数字解调器完成数字调制器的逆过程，即将收到的频带信号还原为数字基带信号。

6．信道和噪声源

信道是信息的传输通道。按传输介质的不同，信道可分为两种，一种是有线信道，如双绞线、同轴电缆、光缆等；另一种是无线信道，如中长波、短波、微波中继及卫星中继等。按传输信号形式的不同可分为模拟信道和数字信道。

噪声源不是人为加入的设备，而是通信系统中各种设备以及信道中所固有的，噪声源是信道中的所有噪声以及分散在通信系统中其它各处噪声的集合。噪声是独立于有用信号以外客观存在的，始终干扰有用信号。噪声的来源是多样的，可分为内部噪声和外部噪声。

7．信宿

信宿与信源相对应，是信息的接收者，其作用是将由接收设备复原的原始信号转换成相应的消息，如电话机中的受话器，其作用就是将对方传送过来的电信号还原成了声音。

6.1.4数字通信系统的优缺点

相对于模拟通信系统而言，数字通信系统有如下优点：

1．抗干扰能力强

电信号在信道上传送的过程中，不可避免地要受到各种各样的电气干扰。在模拟通信中，这种干扰是很难消除的，使得通信质量变坏。而数字通信在接收端是根据收到的“1”和“0”这两个数码来判别的，只要干扰信号不是大到使“有电脉冲”和“无电脉冲”都分不出来的程度，就不会影响通信质量。

2．通信距离远，通信质量受距离的影响小

模拟信号在传送过程中能量会逐渐发生衰减使信号变弱，为了延长通信距离，就要在线路上设立一些增音放大器。但增音放大器会把有用的信号和无用的杂音一起放大，杂音经过一道道放大以后，就会越来越大，甚至会淹没正常的信号，限制了通信距离。数字通信可采取“整形再生”的办法，把受到干扰的电脉冲再生成原来没有受到干扰的那样，使失真和噪音不易积累，使通信距离延长。

3．保密性好

模拟通信传送的电信号，加密比较困难。而数字通信传送的是离散的电信号，很难听清。为了密上加密，还可以方便地进行加密处理，采用的方法是使用随机性强的密码打乱数字信号的组合，敌人即使窃收到加密后的数字信息，在短时间内也难以破译。

4．通信设备的制造和维护简便

数字通信的电路主要由电子开关组成，很容易采用各种集成电路，体积小、耗电少。

5．能适应各种通信业务的要求

各种信息（电话、电报、图像、数据以及其它通信业务）都可变为统一的数字信号进行传输，而且可与数字交换结合，实现统一的综合业务数字网。

数字通信系统的缺点是数字信号占用的频带比模拟通信系统要宽，并且对同步要求高，系统设备比较复杂。一路模拟电话占用的频带宽度通常只有4千赫，而一路高质量的数字电话所需的频带远大于4千赫。但随着光纤等传输媒质的采用，数字信号占用较宽频带的问题将日益淡化，数字通信将向超高速、大容量、长距离方向发展，新的数字化智能终端将产生。

6.2移动通信技术

6.2.1基本概念

移动通信是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。根据信道传输信号的不同分为模拟移动通信和数字移动通信，这里以数字移动通信为例说明移动通信过程，如图6-2所示。

图6-2移动通信过程

1．交织、去交织

在移动通信的无线信道上，比特差错经常是成串发生的。信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长的差错串时才有效。

交织技术就是把一条消息中的相继比特分散开的方法，即一条消息中的相继比特以非相继方式被发送。这样在传输过程中即使发生了成串差错，恢复成一条相继比特串的消息时，差错也就变成单个（或长度很短），这时再用信道编码纠错功能纠正差错，恢复原消息。

去交织就是相反的过程，将分开的信息还原成连续的信息流。

2．加扰、去扰

加扰就是用一个伪随机码序列有规律地处理原有信息码。为了避免信号流中出现长的连“0”和连“1”，通常采用加扰技术，用伪随机码序列对原有码码进行相乘，同时实现对信号进行加密。

去扰的过程和作用与加扰相反。

3．扩频、解扩

扩频即扩展频谱，使传输信息所用信号的带宽远大于信息本身的带宽。增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。

解扩与扩频的过程和作用相反。

6.2.2移动通信技术的发展

现代移动通信技术的发展始于20世纪20年代，而公用移动通信是从20世纪60年代开始的。公用移动通信技术的发展已经经历了第一代（1G）、第二代（2G）、第三代（3G）和第四代（4G），并继续向第五代（5G）的方向发展。

1．第一代移动通信（1G）

1982年，为了解决大区制容量饱和的问题，美国贝尔实验室发明了高级移动电话系统AMPS。AMPS提出了“小区制”，“蜂窝单元”的概念，同时采用频率复用（Frequency Division Multiplexing，FDM）技术，解决了公用移动通信系统所需要的大容量要求和频谱资源限制的矛盾。在100千米范围之内，IMTS（improved mobile telephone system，IMTS即是改进型移动电话系统）每个频率上只允许一个电话呼叫；AMPS允许100个10千米的蜂窝单元，从而可以保证每个频率上有10～15个电话呼叫。

第一代移动通信主要采用的是模拟技术和频分多址（FDMA）技术，以美国的AMPS和英国的TACS（Total Access Communication System）为代表。第一代移动通信的应用是模拟语音通信，其特点是业务量小、质量差、安全性差、没有加密和速度低，主要基于蜂窝结构组网，传输速率约2．4kbit/s，不同国家采用不同的工作系统。

1G虽然采用频分多址，但并未提高信道利用率，因此通信容量有限、通话质量一般、保密性差、制式太多、标准不统一、互不兼容、不能提供非话数据业务、不同提供自动漫游等。因此已逐步被各国淘汰。

2．第二代移动通信（2G）

第二代移动通信主要采用的是数字的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术。第二代移动通信的主要应用是数字语音通信。

第二代移动通信技术使用数字制式，支持传统语音通信、文字和多媒体短信，并支持一些无线应用协议，主要有如下两种工作模式：

（1）GSM移动通信（900/1800MHz），GSM移动通信工作在900/1800MHz频段，无线接口采用TDMA技术，核心网移动性管理协议采用MAP协议。

（2）CDMA移动通信（800MHz），CDMA移动通信工作在800MHz频段，核心网移动性管理协议采用IS-41协议，无线接口采用窄带码分多址（CDMA）技术。

2G采用蜂窝数字移动通信，使系统具有数字传输的种种优点，它客服了1G的弱点，语音质量和保密性能得到了很大提高，可以进行省内、省际自动漫游，尽管2G技术在发展中不断得到完善，但随着用户规模和网络规模的不断扩大，频率资源己接近枯竭，语音质量不能达到用户满意的标准，数据通信速率太低，系统带宽有限，限制了数据业务的发展，无法在真正意义上满足移动多媒体业务的需求。

3．第三代移动通信（3G）

第三代移动通信技术是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术，以宽带CDMA技术为主，并能同时提供话音和数据业务的移动通信系统，所以，第三代移动通信的应用主要是数字语音与数据通信，是正在全力开发的系统，其最基本的特征是智能信号处理技术，智能信号处理单元将成为基本功能模块，支持话音和多媒体数据通信，它可以提供前两代产品不能提供的各种宽带信息业务，例如高速数据、慢速图像与电视图像等。

第三代移动通信网络能将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高无线频谱利用效率，提供包括卫星在内的全球覆盖并实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接，3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。

第三代移动通信（3G）可以提供所有2G的信息业务，同时保证更快的速度，以及更全面的业务内容，如移动办公，视频流服务等。第三代移动通信系统的通信标准共有WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA三大分支，共同组成一个IMT 2000家庭，成员间存在相互兼容的问题，因此已有的移动通信系统不是真正意义上的个人通信和全球通信，而且3G的频谱利用率还比较低，不能充分地利用宝贵的频谱资源，另外3G支持的速率还不够高，这些不足点远远不能适应未来移动通信发展的需要，因此寻求一种既能解决现有问题，又能适应未来移动通信的需求的新技术，即新一代移动通信是必要的。

4．第四代移动通信（4G）

4G是第四代移动通信（4rd-generation，4G）及其技术的简称，它是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像，图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。第四代移动通信技术的概念可称为宽带接入和分布网络，具有非对称的超过2Mbit/s的数据传输能力。4G包括宽带无线固定接入、宽带无线局域网、移动宽带系统和交互式广播网络。

4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。而在用户最为关注的价格方面，4G与固定宽带网络在价格方面不相上下，而且计费方式更加灵活机动，用户完全可以根据自身的需求确定所需的服务。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。

第四代移动通信系统的关键技术包括信道传输；抗干扰性强的高速接入技术、调制和信息传输技术；高性能、小型化和低成本的自适应阵列智能天线；大容量、低成本的无线接口和光接口；系统管理资源；软件无线电、网络结构协议等。第四代移动通信系统主要是以正交频分复用（OFDM）为技术核心，OFDM技术的特点是网络结构高度可扩展，具有良好的抗噪声性能和抗多信道干扰能力，可以提供无线数据技术质量更高（速率高、时延小）的服务和更好的性能价格比，能为4G无线网提供更好的方案。

4G移动通信对加速增长的广带无线连接的要求提供技术上的回应，对跨越公众的和专用的、室内和室外的多种无线系统和网络保证提供无缝的服务。通过对最适合的可用网络提供用户所需求的最佳服务，能应付基于因特网通信所期望的增长，增添新的频段，使频谱资源大扩展，提供不同类型的通信接口，运用路由技术为主的网络架构，以傅利叶变换来发展硬件架构实现第四代网络架构。移动通信会向数据化，高速化、宽带化、频段更高化方向发展，移动数据、移动IP预计会成为未来移动网的主流业务。

1G~4G移动通信技术代际比较，如下表所示。

表6-1移动通信技术的发展

6.2.3移动通信系统的组成

移动通信系统包括移动交换子系统（SS）、操作维护管理子系统（OMS）、基站子系统（BSS） 、中继传输系统、移动台（MS）和数据库，是一个完整的信息传输实体。

1．移动交换子系统（SS）

该系统负责本服务区内所有用户的移动业务的实现，具体有：为用户提供终端业务、承载业务、补充业务的接续；管理无线资源、移动用户的位置登记、越区切换等。

2．基站子系统（BSS）

该系统负责和本服务区内移动台之间通过无线电波进行通信，与移动业务交换中心（Mobile-services Switching Center,MSC）相连，保证移动台在不同服务区之间移动时也可以进行通信。

3．移动台（MS）

MS是一个子系统，它实际上是由移动终端设备和用户数据两部分组成的，移动终端设备称为移动设备；用户数据存放在一个与移动设备可分离的数据模块中，此数据模块称为用户识别卡（SIM）。

4．中继传输系统

MSC之间、MSC和基站（Base Station,BC）之间的传输线均采用有线方式。

5．数据库

用户的位置是不确定的，因此要对用户进行接续，就必须掌握用户的位置及相关信息，数据库存储用户的信息。如归属位置寄存器（Home Location Register,HLR）、访问位置寄存器（Visitor Location Register,VLR）、鉴权认证中心（Authentic Center,AUC）、设备识别寄存器（Equipment Identity Register,EIR）等。

移动通信中建立一个呼叫是由BSS和SS共同完成的；BSS提供并管理MS和SS之间的无线传输通道，SS负责呼叫控制功能，所有的呼叫都是经由SS建立连接的；OMS负责管理控制整个移动网。

6.2.4移动通信技术的工作频段和方式

早期的移动通信主要使用VHF（Very High Frequency，VHF，甚高频）和UHF（Ultra High Frequency，UHF，特高频）频段。

目前，大容量移动通信系统均使用800MHz频段（CDMA），900MHz频段（GSM），并开始使用1800MHz频段(GSM1800），该频段用于微蜂窝（Microcell）系统。第三代移动通信使用2.4GHz频段。

从传输方式的角度来看，移动通信分为单向传输（广播式）和双向传输（应答式）。单向传输只用于无线电寻呼系统；双向传输有单工、双工和半双工三种工作方式。

（1）单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信，根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。

（2）双工通信是指通信双方电台同时进行收信和发信。

（3）半双工通信的组成与双工通信相似，移动台采用类似单工的“按讲”方式，即按下按讲开关，发射机才工作，而接收机总是工作的。

6.3短距离无线通信技术

6.3.1基本概念

无线通信（Wireless communication）是利用电磁波信号可以在自由空间（包括空气和真空）中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信可用来传输电报、电话、传真、图像、数据和广播电视等通信业务。与有线通信相比，不需要架设传输线路、不受通信距离限制、机动性能好、建立迅速。

无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽，通信容量很大，但每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。无线通信与移动通信相同之处都是依靠无线电波进行通信的，不同之处是无线通信包含移动通信，但侧重于无线，而移动通信更注重于移动性。

最基本的无线通信系统由发射器、接收器和无线信道组成，其通信过程如图6-3所示。

图6-3无线通信过程

在发射器中完成信息的调制，即将基带信号搬移到射频上并放大到足够的功率，射频信号通过发射天线变成电磁波在无线信道上传输，在接收端，空间传播的电磁波通过接收天线转变为射频信号进入接收器，接收器对信号进行解调，恢复出原始信息。

6.3.2蓝牙技术

1．概述

“蓝牙”（Bluetooth）是一种短距离无线数据和语音传输的全球性开放式技术规范，工作在2.4GHz ISM开放频段，它是一种多装置之间通信的标准，它可在世界上的任何地方实现短距离的无线语音和数据通信。它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定或移动通信设备之间提供通信链路，使得近距离内各种信息设备能够提供资源共享。

2．蓝牙设备的组成

蓝牙设备的组成如图6-4所示。

图6-4蓝牙设备的组成

（1）蓝牙射频

蓝牙无线射频单元是一个蓝牙无线收发器，它是任何蓝牙设备的核心，包含中频振荡器、中频滤波器、调制解调器、压控振荡器、频率合成器以及天线控制开关等电路，完成基带数据分组的跳频扩频与解扩功能。

（2）基带和链路控制器（LC，Link Controller）

基带和链路控制单元完成的蓝牙基带层协议功能主要包括以下几个方面：

①建立物理连接（包括跳频序列产生和同步、对接收bit流进行符号定时提取的恢复）；

②数据分组打包/解包；

③提供2种不同的物理链路类型、5种逻辑链路和多种分组类型；

④差错控制；

⑤鉴权和加密。

（3）蓝牙链路管理（LM，Link Manager）

蓝牙链路管理单元完成的主要功能如下：

①设备号请求；

②链路地址查询；

③链路模式协商和建立；

④链路连接建立和关闭；

⑤鉴权；

⑥决定帧的类型；

⑦设备功耗模式设置（监听模式、保持模式或者休眠模式）。

（4）主机控制接口（HCI，Host Controller Interface）

为了使不同厂商生产的蓝牙模块和主机都能够互相通信，蓝牙协议栈定义了一个蓝牙模块和主机之间的标准接口，称为主机控制接口（HCI）。

（5）蓝牙主机

蓝牙的高层协议栈通常设计成一个软件部分，运行在主机设备上，所以有时又称为主机栈（Host Stack）。

3．蓝牙技术的特点

蓝牙技术的特点可归纳为如下几点：

（1）适用于全球范围

蓝牙在2.4GHz的ISM频段工作，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。

（2）同时可传输语音和数据

蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音信道数据速率为64kbit/s，语音信号编码采用脉冲编码调制（PCM）或连续可变斜率增量调制（CVSD）方法。

（3）临时性的对等连接可随时建立

根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave）。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个微微网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。

（4）抗干扰能力较强

无线电设备有很多种，如家用微波炉、无线局域网（WLAN）、Home RF等产品都工作在ISM频段，蓝牙采用了跳频（Frequency Hopping）方式来扩展频谱（Spread Spectrum），将2.402～2.48GHz频段分成79个频点，相邻频点间隔1MHz，能很好地抵抗来自这些设备的干扰。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625μS。

（5）体积小

蓝牙模块的程序可以写在一个9 x 9 mm的微芯片中。

（6）低功耗

处于通信连接状态下的蓝牙设备，有四种工作模式，分别是激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。激活模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。一般情况下，其正常的工作范围是10m半径之内，在此范围内，可进行多台设备间的互联。

（7）开放的接口标准

全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终能通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。

（8）成本低

市场需求不断扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块，使蓝牙产品价格迅速下降。

6.3.3 ZigBee技术

1．概述

ZigBee技术是一种低功耗、低速率、低成本、低复杂度、近距离的双向无线通信技术。ZigBee采用直接序列展频技术（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）调制发射，网状网络由多个无线传感器组成，其数据传输模块与移动网络基站相似。

2．ZigBee应用领域

ZigBee技术主要应用于工业、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理等领域。比如，在工业控制领域，可以利用ZigBee技术自动采集、分析和处理数据；在家庭自动化领域，可以利用ZigBee技术远程控制照明、空调、窗帘等家用设备；在遥测遥控领域，可以利用ZigBee技术远程遥控电视、DVD、CD机等电器设备和操作无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等PC外设；在医疗护理领域，可以利用ZigBee技术获取医疗传感器、病人的紧急呼叫等信号，实时监控病人的生理状况；可以利用ZigBee技术开发交互式玩具等产品；ZigBee技术在油田、电力、矿山和物流管理等领域也有广泛应用。另外它还可以定位局部区域内的移动目标，例如对城市中的车辆进行定位等。

3．ZigBee的技术特点

ZigBee作为一种无线通信技术，具有如下特点：

（1）低成本、低功耗

（2）高可靠性

ZigBee采用了碰撞避免机制，为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输。

（3）时延短

ZigBee通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。

（4）网络容量大

ZigBee网络支持可多达65000个节点。

（5）高安全性

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。

（6）高保密性

ZigBee有64位出厂编号和支持AES-128加密。

6.3.4超宽带技术UWB

1．概述

超宽带技术UWB（Ultra Wide Band，UWB）起源于20世纪50年代末，此前主要作为军事技术在雷达等通信设备中使用。随着无线通信的飞速发展，人们对高速无线通信提出了更高的要求，超宽带技术又被重新提出，并倍受关注。

UWB是一种高速、近距离、低功耗的新型无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，是信号带宽大于500MHz或者是信号带宽与中心频率之比大于25%的无线通信方案。与常见的使用连续载波通信方式不同，UWB采用极短的脉冲信号来传送信息．通常每个脉冲持续的时间只有几十皮秒到几纳秒的时间，这些脉冲所占用的带宽甚至高达几GHz，因此，最大数据传输速率可以达到几百Mbps。在高速通信的同时，UWB设备具有保密性好、消耗电能少、抗干扰性能强、成本低等特点，适合于便携型使用，其发射功率很小，仅仅是现有设备的几百分之一。对于普通的非UWB接收机来说近似于噪声，所以从理论上讲，UWB可以与现有无线电设备共享带宽，它有望在无线通信领域得到广泛的应用。

2．UWB的应用前景

UWB同时具有无线通信和定位的功能，可方便地应用于智能交通系统中，为车辆防撞、电子牌照、电子驾照、智能收费、车内智能网络、测速、监视、分布式信息站等提供高性能、低成本的解决方案。UWB也可应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中，诸如军事、公安、消防、医疗、救援、测量、勘探和科研等领域，用做隐秘安全通信、救援应急通信、精确测距和定位、透地探测雷达、墙内和穿墙成像、监视和入侵检测、医用成像、贮藏罐内容探测等。UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个域网（WPAN）。

6.3.5近场通信技术

1．概述

近场无线通信NFC（Near Field Communication，NFC）是一种短距离的高频无线通信技术，允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在10厘米内）交换数据。NFC是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信。

NFC提供了一种简单、非触控式的解决方案，可以让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务。由于近场通信具有天然的安全性，因此，NFC技术被认为在手机支付等领域具有很大的应用前景。

NFC将非接触读卡器、非接触卡和点对点（Peer-to-Peer）功能整合在一块单芯片中。它是一个开放接口平台，可以对无线网络进行快速、主动设置，也是虚拟连接器，服务于现有蜂窝状网络、蓝牙和无线802.11设备。

2．NFC技术特点

NFC与其它近距离通信技术相比，NFC具有鲜明的特点，主要体现在以下几个方面：

（1）距离近、带宽高、能耗低

由于NFC采取了独特的信号衰减技术，通信距离不超过20cm，所以能耗低。

（2）更具安全性

NFC提供安全、快捷通信的无线连接，是一种私密通信方式，加上其距离近、射频范围小的特点，其通信更加安全。

（3）NFC与现有非接触智能卡技术兼容

NFC标准目前已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准，很多非接触智能卡都能够与NFC技术相兼容。

（4）传输速率较低

NFC标准规定了数据传输速率具备了三种传输速率，最高的仅为424kb/s，传输速率相对较低，不适合诸如音视频流等需要较高带宽的应用。

（5）优于红外和蓝牙

NFC支持多种应用，包括移动支付与交易、对等式通信及移动中信息访问等，它在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。

3．NFC的应用

（1）设备连接

除了无线局域网，NFC也可以简化蓝牙连接。比如，手提电脑用户如果想在机场上网，他只需要走近一个Wi-Fi热点即可实现。

（2）实时预定

例如海报或展览信息背后贴有特定芯片，利用含NFC协议的手机或PDA，便能取得详细信息，或是立即联机使用信用卡进行票卷购买，这些芯片无需独立的能源。

（3）移动商务

典型应用有门禁控制、车票和电影院门票售卖等，使用者只需携带储存有票证或门控代码的设备靠近读取设备即可。它还能够作为简单的数据获取应用，公交车站站点信息、公园地图信息等。目前，部分手机已集成了NFC技术，可以用作电子车票，还可在当地零售店和旅游景点作为折扣忠诚卡使用。

6.3.6 Wi-Fi

1．概述

1990年，IEEE 802标准化委员会成立IEEE 802.11无线局域网标准工作组，主要研究工作在2.4 GHz开放频段的无线设备和网络发展的全球标准。1997年6月，提出IEEE 802.11标准，别名为Wi-Fi。我们常说的“WLAN”指的就是符合802.11系列协议的无线局域网技术。1999年又增加了IEEE 802.11a和IEEE 802.11g标准，其传输速率最高可达54Mb/s，能够广泛支持数据、图像、语音和多媒体等业务。

Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真技术）是一种短程无线传输技术，允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN），通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM射频频段。

Wi-Fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）所持有，是一种可以将个人计算机、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。

2．Wi-Fi原理和功能

以前通过网线连接电脑，而Wi-Fi则是通过无线电波来连网。常见的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用Wi-Fi连接方式进行联网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为热点。电子设备连接到无线局域网通常是有密码保护的；但也可以是开放的，允许在WLAN范围内的任何设备进行连接。

几乎所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑都支持Wi-Fi上网，是当今使用最广泛的一种无线网络传输技术。Wi-Fi信号是由有线网提供的，比如家里的ADSL、小区的宽带等，只要接一个无线路由器，就可以把有线信号转换成Wi-Fi信号，手机如果有Wi-Fi功能的话，在有Wi-Fi无线信号的时候就可以不通过移动联通的网络上网，省掉了流量费。

虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到54Mbps，符合个人和社会信息化的需求。Wi-Fi最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，并且由于发射信号功率低于100mw，低于手机发射功率，所以Wi-Fi上网相对也是安全健康的。

3．Wi-Fi组成结构

Wi-Fi是由AP（Access Point）和无线网卡组成的无线网络。一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡和一个AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可不要AP，只需要每台电脑配备无线网卡。

（1）AP

AP为Access Point简称，一般翻译为“无线访问接入点”或“桥接器”，它是无线工作站及有线局域网络的桥梁。AP的有效范围是20~500m，根据技术、配置和使用情况，一个AP可以支持15~250个用户。有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，Wi-Fi更显优势，有线宽带网络(ADSL、小区LAN等）到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。

常见的就是一个无线路由器，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为“热点”。

（2）无线网卡

任何一台装有无线网卡的PC均可透过AP去分享有线局域网络，甚至广域网络的资源，其工作原理相当于一个内置无线发射器的HUB或者是路由，而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备。

①USB无线网卡： 内置微型无线网卡和天线，可以直接插入计算机USB端口。

②台式机无线网卡：使用台式机无线网卡和外置天线，插入计算机主板相应槽口。

③支持Wi-Fi的笔记本：笔记本电脑内置无线网卡芯片与天线，方便使用。

4．Wi-Fi的技术特点

（1）更宽的带宽

Wi-Fi最高带宽为54Mbit/s，在信号较弱或有干扰时，带宽可自动降低。

（2）更长的传输距离

在开放性区域，Wi-Fi通信传输距离可达305m，在封闭性区域，通信传输距离为76至122m。

（3）更低的功耗

802.11n在功耗和管理方面进行了重大创新，不仅能够延长Wi-Fi智能手机的电池寿命，还可以嵌入到其它设备中。

（4）更高的安全性

Wi-Fi使用基于身份的安全，在Wi-Fi网络中，安全策略与用户关联，而不是与端口关联的。

（5）更低的成本

Wi-Fi可以非常方便的与现有的有线以太网络整合，组网成本较低。