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    基于近距離低功耗的無線通信接入系統(tǒng)研究

    2020-09-17 01:45:44胡蘇瑤
    關(guān)鍵詞:低功耗藍(lán)牙無線

    ◆胡蘇瑤

    無線通信與移動互聯(lián)網(wǎng)安全

    基于近距離低功耗的無線通信接入系統(tǒng)研究

    ◆胡蘇瑤

    (咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖北 437100)

    和有線通信技術(shù)相比,無線通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多應(yīng)用環(huán)境終端移動、合理分配網(wǎng)絡(luò)資源等優(yōu)勢,但同時也存在信息數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸速度較慢、功率消耗較大以及數(shù)據(jù)信息的安全性差等問題,為了促使近距離低功率無線通信技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展,本文從藍(lán)牙技術(shù)、UWB、WI-FI、藍(lán)牙功率管理四個方面進(jìn)行探究,解決無線通信系統(tǒng)在最后1公里范圍內(nèi)網(wǎng)點接入與信號覆蓋問題。

    近距離;低功耗;無線通信;接入系統(tǒng)

    1 引言

    近距離低功率通信通常是指數(shù)據(jù)傳輸距離在100米以內(nèi),同時功耗在100W以內(nèi)的傳輸,這類通信能夠很好彌補(bǔ)無線通信系統(tǒng)在最后1公里范圍內(nèi)的網(wǎng)點接入以及信號覆蓋問題。和無線通信相對立的是有線通信,但其無法在多個應(yīng)用環(huán)境中實現(xiàn)終端的移動性,并且不能夠很好進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的分配與調(diào)度,因此,無線通信就能夠很好的彌補(bǔ)這些問題。然而無線通信系統(tǒng)也會面臨信息數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)傳輸速度較慢、功率消耗較大以及直接裸露在空中數(shù)據(jù)信息的安全性問題等[1]。通常情況下,近距離低功耗無線通信接入技術(shù)是基于物理層以及MAC層來實現(xiàn)的,為了進(jìn)一步提高無線通信接入質(zhì)量,改善無線通信過程中存在的問題,本文重點進(jìn)行近距離低功耗的無線通信接入系統(tǒng)進(jìn)行探究,促使無線通信接入系統(tǒng)能夠獲得更好的發(fā)展。

    2 藍(lán)牙技術(shù)

    藍(lán)牙技術(shù)是近距離無線通信技術(shù)得以實現(xiàn)的重要組成部分,是近距離有線傳輸?shù)膮f(xié)助設(shè)施,也能夠充當(dāng)與其余網(wǎng)絡(luò)、Ad hoc分布式網(wǎng)絡(luò)連接的媒介[2]。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備連接上電源以后,設(shè)備內(nèi)部的偵聽主設(shè)備就會開始工作并執(zhí)行預(yù)設(shè)的程序,假如此時主設(shè)備全面獲取了相關(guān)設(shè)備的通訊地址,此時主設(shè)備就會依照程序命令向相關(guān)設(shè)備發(fā)送連接指令,相關(guān)設(shè)備在接收到此指令后會做出判斷和認(rèn)定,在雙方設(shè)備同意后,逐步完成跳幀序列一致工作,最終完成認(rèn)知與連接,實現(xiàn)正常通信功能[3]。當(dāng)主設(shè)備沒有與任何相關(guān)設(shè)備進(jìn)行配對與認(rèn)證,這種情況下主設(shè)備會自動轉(zhuǎn)化到帶寬以及低功率方式。

    通常情況下,藍(lán)牙主要取代近距離信息傳輸中的電纜,額定傳輸功率的EIRP為28~95mW,藍(lán)牙2.4GHz實際處于2.4~2.4797GHz范圍內(nèi),所對應(yīng)的頻段為788MHz,設(shè)置寬信道為0.8MHz,傳輸速率為1Mb/s,調(diào)頻擴(kuò)頻模式為GFSK,從而更好防范窄帶產(chǎn)生的干擾。藍(lán)牙和IEEE 802.11g均使用2.4GHz頻帶,通過自適應(yīng)頻率變更圖案方式來避免干擾[4]。

    藍(lán)牙明確規(guī)范了無線接口以及能夠和相關(guān)設(shè)施進(jìn)行連接并進(jìn)行業(yè)務(wù)往來的通信棧,其具體工作流程如圖1所示。從圖中可以看出來,連接管理層主要承擔(dān)鏈接組織形式、對接、QoS、功率大小以及數(shù)據(jù)格式等任務(wù)??刂茖觿t重點為鏈接管理層準(zhǔn)備命令接口,同時也要為硬設(shè)施準(zhǔn)備需要的接口。

    圖1 藍(lán)牙通信棧工作流程示意圖

    3 UWB

    和標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)波無線電技術(shù)不同的是,UWB可以基于較窄脈沖序列實現(xiàn)龐大信息的編碼工作,與此同時還可以在相對較低功率譜上完成寬頻信息數(shù)據(jù)的輸送。UWB技術(shù)能夠很好使用到無線自組織網(wǎng)絡(luò)上,并與無線射頻識別技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等完美融入。本文以研究近距離低功耗無線通信為重點,將UWB應(yīng)用到其中具有重大意義。

    首先,能夠?qū)崿F(xiàn)高容量。當(dāng)信號能力發(fā)散到寬頻頻譜上面時,會產(chǎn)生明顯的白噪聲功率譜,從而可以改善信道形態(tài),有效增加信道的容量。其次,避免出現(xiàn)低衰落現(xiàn)象,同時提高抗干擾水平。當(dāng)數(shù)據(jù)信息傳輸形式為窄脈沖時,在處于多徑通道重視其分辨率通常處于1ns級別,從而能夠很好避免出現(xiàn)多徑衰落現(xiàn)象。眾所周知,通信抗干擾水平隨著信號帶寬的增加而同步增強(qiáng),所以,增加信號寬度能夠有效提高抗干擾水平[5]。最后,時間以及頻率分集。UWB脈沖有效時間極窄,導(dǎo)致在相鄰脈沖中間存在一定的離散間隙,RAKE接收機(jī)能夠輕而易舉將各種方式到達(dá)的UWB脈沖信號統(tǒng)一起來,從而降低信號檢測的難度。

    然而,UWB運行過程中需要使用非常寬的帶寬,當(dāng)和各種不同的通信系統(tǒng)共同使用同一頻道時,就會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的干擾問題,同時還不能夠和其他系統(tǒng)進(jìn)行兼容?;赨WB管理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造,是建立在Ad hoc網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的,通過其中的P2P通信功能實現(xiàn)自組織統(tǒng)一控制體系[6]。整個體系中涵蓋了大量的微微網(wǎng),同時相互獨立的微微網(wǎng)會隨機(jī)關(guān)聯(lián)一個主站以及若干個副站,并對其實施控制與管理。UWB統(tǒng)一管理的網(wǎng)絡(luò)有一個Hub以及數(shù)量不一的子站,如圖2所示為UWB無線總線與IEEE1934骨干網(wǎng)相連示意圖。

    圖2 UWB無線總線與IEEE1934骨干網(wǎng)相連示意圖

    4 WI-FI

    WI-FI具有兩種不同的接入形式,分別是分布協(xié)調(diào)形式以及點協(xié)調(diào)形式。最基本的單一基礎(chǔ)業(yè)務(wù)集通常涵蓋了兩個以上的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌讓訕I(yè)務(wù)集是拓展業(yè)務(wù)集的輔佐網(wǎng)絡(luò)。在恒定不變的通信基層中,延伸業(yè)務(wù)集是基于分布系統(tǒng)形成的底層業(yè)務(wù)集。圖3為WI-FI網(wǎng)絡(luò)主要構(gòu)成元素。將各個分布系統(tǒng)的基站設(shè)定為接入口,并按照IEEE 725 22f標(biāo)準(zhǔn)制定相應(yīng)的接入?yún)f(xié)議。眾所周知,基站在正常工作過程中,需要負(fù)責(zé)兩方面的業(yè)務(wù),分別是基站業(yè)務(wù)以及分布系統(tǒng)業(yè)務(wù),其中分布系統(tǒng)業(yè)務(wù)可以實現(xiàn)各個業(yè)務(wù)集上的信息數(shù)據(jù)在不同的基站上傳輸,與此同時,IEEE 725 22f需要承擔(dān)網(wǎng)橋連接Wi-Wf與IEEE 725 22.x LAN的相互連接工作。

    圖3 WI-FI網(wǎng)絡(luò)主要構(gòu)成元素

    5 藍(lán)牙功率管理

    藍(lán)牙功率管理具有多種形式,主要表現(xiàn)為只有時鐘工作但是沒有信息交互的輔助形式以及終端設(shè)施與微微網(wǎng)主機(jī)保持聯(lián)系的信息交互方式。鏈接也有多種不同類型的狀態(tài)[7]:首先是啟動狀態(tài),和微微網(wǎng)保持連接的設(shè)施保持主動形式;其次是偵聽狀態(tài),降低設(shè)施內(nèi)部功率損耗,以非常低的功率消耗保持偵聽形態(tài);再次是保持狀態(tài),在這種模式下,相關(guān)設(shè)施的ACL會在規(guī)定期限內(nèi)被攔截;最后是等待狀態(tài),相關(guān)設(shè)施繼續(xù)與微微網(wǎng)保持穩(wěn)定的連接關(guān)系,但是不包含在微微網(wǎng)結(jié)構(gòu)組成中,這種狀態(tài)僅產(chǎn)生極低的功率消耗。

    6 結(jié)語

    綜上所述,加強(qiáng)近距離低功耗的無線通信接入系統(tǒng)研究具有十分重要的意義,能夠有效彌補(bǔ)目前我國無線通信技術(shù)存在的問題,推動近距離低功耗無線通信接入系統(tǒng)的研發(fā),為無線通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供技術(shù)支持。

    [1]周明,賈向東,鄧鵬飛.認(rèn)知中繼協(xié)同無線通信系統(tǒng)功率分配和混合頻譜接入方案[J].信號處理,2015,31(05):559-569.

    [2]張萬喆,聶何婷.基于高能效無線接入網(wǎng)的綠色無線通信關(guān)鍵技術(shù)分析[J].通訊世界,2017(11):54-55.

    [3]范特,徐家輝,黃永明,楊綠溪.IEEE 802.11aj短距離無線接入毫米波通信技術(shù)研究及實現(xiàn)[J].信號處理,2018,34(02):210-220.

    [4]刁彩萍.現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢探析[J].電子制作,2015(01):161.

    [5]劉文霞,劉曉茹,張建華,劉柏良.基于偏好DEA方法的配電通信網(wǎng)多種接入方式評估[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(04):72-76.

    [6]肖瀟,陶曉明,陸建華.基于高能效無線接入網(wǎng)的綠色無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電信科學(xué),2011,27(11):75-83.

    [7]黃永明,林敏,王俊波,王家恒,何世文.毫米波無線通信:從短距離接入到廣域覆蓋[J].數(shù)據(jù)采集與處理,2017,32(03):431-439.

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