无线通信是通过无线传输的方式进行数据的传送。这种通信方式主要包括微波通信以及卫星通信。微波是一种无线电波，这种电波传送的距离可以达到几十千米，微波的频带也是很宽的，通信的容量很大，这样可以满足一般的通信要求，进行数据的传送。因为微波通信距离为几十千米，在进行长距离通信的情况下，为了能够确保传送的正确率和速度，需要每隔几十千米建一个微波中继站，方便微波的传送。而相对微波通信，卫星通信传送距离要相对的长，这种通信主要是利用通信卫星作为卫星通信的中继站，在地面上通过多个移动体之间或者说地球站之间建立起微波通信，进行数据通信联系。这种通信方式传送简便，但是传送距离相对较近，所以速率较慢，并且无线通信依靠电磁波通信，会在传送数据的同时造成辐射，对身体产生影响。
二、有线通信与无线通信对比研究
通过上述的讲解，可以清楚的看到有线通信方式及特点与无线通信方式和特点之间有很大的不同。人们对这两种通信方式最直观的认识就是两种通信方式的外观，有线通信是有线的，而无线通信是单个设备，没有线。无线设备的研发成功比有线较晚，但是科技含量要比有线设通信高，更加新颖，不过无线的研发不是凭空产生的，而是在有线通信的基础上逐渐研制成功的。在社会各个行业领域，包括日常生活，有线通信与无线通信目前都得到了广泛的应用。比如说在高铁行业，无线通信占领主要市场，因为高铁动态运行的特殊性，无法建立固定的有线设备；而在通信领域，比如网络领域，有线通信占领主要市场，尤其是家用宽度、家用电话，有线通信的稳定、无辐射对于家庭来说是最好的选择。
因此，两种通信方式利用各自的优势，对社会的发展起到了不同的作用。对于两种方式的选择，也是需要针对不同的情况进行不同的选择。对于有线通信技术来说，因为它能够提供非常稳定的信号环境，抗干扰的效果也是非常的好，并且对人体辐射很小，因此可以应用在人员较集中的区域，比如家庭、办公室等地方。而对于一些特殊的环境，比如地铁隧道运行，高铁运行，城市网络覆盖，这个时候，无线就会显示出自己的独特优势，无线通信可以利用发射塔，对于这些特殊环境，可以有效的进行数据的传送，方便了出行和城市建设。
三、未来发展趋势展望
无线通信是通过无线传输的方式进行数据的传送。这种通信方式主要包括微波通信以及卫星通信。微波是一种无线电波,这种电波传送的距离可以达到几十千米,微波的频带也是很宽的,通信的容量很大,这样可以满足一般的通信要求,进行数据的传送。因为微波通信距离为几十千米,在进行长距离通信的情况下,为了能够确保传送的正确率和速度,需要每隔几十千米建一个微波中继站,方便微波的传送。而相对微波通信,卫星通信传送距离要相对的长,这种通信主要是利用通信卫星作为卫星通信的中继站,在地面上通过多个移动体之间或者说地球站之间建立起微波通信,进行数据通信联系。这种通信方式传送简便,但是传送距离相对较近,所以速率较慢,并且无线通信依靠电磁波通信,会在传送数据的同时造成辐射,对身体产生影响。
二、有线通信与无线通信对比研究
通过上述的讲解,可以清楚的看到有线通信方式及特点与无线通信方式和特点之间有很大的不同。人们对这两种通信方式最直观的认识就是两种通信方式的外观,有线通信是有线的,而无线通信是单个设备,没有线。无线设备的研发成功比有线较晚,但是科技含量要比有线设通信高,更加新颖,不过无线的研发不是凭空产生的,而是在有线通信的基础上逐渐研制成功的。在社会各个行业领域,包括日常生活,有线通信与无线通信目前都得到了广泛的应用。比如说在高铁行业,无线通信占领主要市场,因为高铁动态运行的特殊性,无法建立固定的有线设备;而在通信领域,比如网络领域,有线通信占领主要市场,尤其是家用宽度、家用电话,有线通信的稳定、无辐射对于家庭来说是最好的选择。
因此,两种通信方式利用各自的优势,对社会的发展起到了不同的作用。对于两种方式的选择,也是需要针对不同的情况进行不同的选择。对于有线通信技术来说,因为它能够提供非常稳定的信号环境,抗干扰的效果也是非常的好,并且对人体辐射很小,因此可以应用在人员较集中的区域,比如家庭、办公室等地方。而对于一些特殊的环境,比如地铁隧道运行,高铁运行,城市网络覆盖,这个时候,无线就会显示出自己的独特优势,无线通信可以利用发射塔,对于这些特殊环境,可以有效的进行数据的传送,方便了出行和城市建设。
关键词：通信技术；无线通信；移动通信
“地球村”的形成应当归功于通信技术的发展，而在通信技术不断发展的今天，无线通信技术也已经深入到人们生活的方方面面。各种基于无线通信技术的移动终端为人们生活带来便利的同时，也促进了无线通信技术的发展。
1无线通信技术的发展特点
无线通信技术之所以能够得到快速发展，这依赖于无线通信技术在时间与空间上的突破，无线通信速度不断加快，无线终端集成化程度逐渐提高。通过对无线通信技术的发展历程研究后发现，无线通信技术的发展呈现出以下几个方面的特点。
1.1无线通信用户数量增加
随着社会的发展，传统有限通信的发展受到限制，人们对移动通信技术的迫切需求为无线通信技术的出现奠定了基础。基于无线通信技术的移动终端满足了人们对移动通信的需求，不断完善的无线通信网络使得无线通信质量不断提高，无线通信用户开始不断增加。而随着无线通信技术的普及，移动通信终端价格与移动通信服务费用大幅度下降，无线通信用户的数量开始呈现出井喷式增长的趋势。在移动通信用户数量不断增加的同时，移动通信服务商也在为增加利润增长点而提供更多的移动通信业务，这也间接促进了无线通信技术的进一步发展。
1.2无线通信技术的创新
无线通信技术的发展伴随着各种各样的问题，以移动终端的发展为例，基于无线通信技术的移动终端在早期并没有达到当前的集成度，在体积与重量方面都超乎的想象。不仅如此，由于无线通信技术突破了传统通信技术在时间与空间上的限制，用户数量不断增加，无线通信网络承担着越来越大的压力，由此而出现的问题也在不断增加。为解决无线通信技术使用过程中遇到的问题，相关研究人员不断创新思路，完善无线通信网络，不仅实现了无线通信质量的提高，也间接降低了相关无线通信业务的费用，促进了无线通信技术的发展。
2无线通信技术的发展现状
无线通信技术是传统通信技术发展的必然结果，随着人们对无线通信技术的需求不断增加，无线通信技术得到广泛重视。依托于无线通信技术的发展，人们的生活、工作发生了翻天覆地的变化，其中以4G技术、宽带无线接入技术、蓝牙技术、5G移动网络技术为主。
2.14G移动通信技术的不断完善
4G是第4代移动通信技术的简称，在此之前，移动通信技术经过了2G，3G时代，在3G移动通信技术出现之初，引起了无线通信技术领域的巨大反响。而随着无线通信技术的发展，移动通信技术进入4G时代。4G移动通信技术已经在全球多个国家得到广泛推广，4G移动通信技术所采用的标准主要有北美提出的WIMAX、欧洲地区普遍使用的HDSPA标准，中国使用的4G移动通信标准为TDD-LTE等。我国在4G移动通信技术发展中起着关键性的作用，在4G移动通信网络建设与终端应用方面逐渐趋于完善，这为我国4G移动通信技术的发展奠定了良好的基础。
2.2宽带无线接入技术的发展
相比较传统有线通信技术，宽带无线接入接入技术能够实现移动无线网络接入，尽管在宽带无线接入技术发展之初带宽较低，通信质量不高，在发展过程中问题较多。然而，随着无线通信技术的发展，宽带无线接入的最大带宽已经达到了100M，尽管这需要在特定的环境下方能实现，但是，基于宽带无线接入技术的无线通信技术的发展，无线通信网络逐渐趋于完善，宽带无线接入质量将大大提高。
2.3无线蓝牙通信技术的发展
无线蓝牙通信技术是无线通信技术的重要内容之一，在10米范围内的无线通信领域，无线蓝牙通信技术被广泛使用。尽管无线蓝牙通信技术存在距离上的限制，然而，由于无线蓝牙通信仅在距离和终端方面有着较高要求，并不需要消耗大量费用。由于无线蓝牙通信的免费特点，无线蓝牙通信技术被用来做短距离信息、资料传输。例如，会议资料蓝牙发放系统、无线蓝牙接入系统等。
2.45G移动网络技术发展
由于人们对移动通信网络带宽、速度与稳定性的要求不断提高，3G，4G移动网络技术的发展逐渐趋于成熟，然而，在网络数据不断增加的情况下，4G移动网络的带宽已经无法满足部分领域的需求，这促使了5G移动网络技术的发展。5G移动通信技术是第五代移动通信技术，在带宽、速度、通信质量方面完全超越了4G移动网络通信技术，尽管在普及方面不如第四代移动通信技术，然而，5G移动通信技术将是未来移动网络通信技术的发展趋势，在不久的将来，5G移动网络通信技术将得到普及。
3无线通信技术的发展趋势
随着无线通信技术的发展，相关问题逐渐暴露出来，传统无线通信技术在未来将无法满足人们的需求，因此，无线通信技术的更新换代将成为必然，而新的无线通信技术将对传统无线通信技术形成挑战，无线通信技术的发展将遇到各方面的挑战。归根结底，无线通信技术的发展将逐渐取代传统无线通信技术，如何实现无线通信技术的平稳更新将成为无线通信技术发展过程中亟待解决的问题。
3.1无线通信技术之间相互补充
在无线通信技术发展过程中，多种无线通信技术共存，而宽带无线接入技术在种类繁多的无线通信技术中占据绝对重要的地位。然而，在近距离资料共享方面，宽带无线接入技术的缺点较多，尤其是在信号不稳定的情况下，蓝牙通信技术将扮演重要的角色。因此，单一的无线通信技术并不能承担所有的无线通信任务，在无线通信技术的发展过程中，应当建立具有相互补充功能的无线通信技术网络，发挥其各自不同的特点。并且，在无线通信技术的更新换代过程中，应当建立多代共存的无线通信技术服务架构，通过调整费用引导人们选择不同的移动通信业务，避免因使用人数过多，对新一代无线通信网络造成压力。
3.2蓝牙通信技术将成为无线通信技术的发展新趋势
依托蓝牙无线通信技术的优势，广大生产厂家已经将研发工作的重点向蓝牙通信技术倾斜，基于蓝牙通信技术的产品种类不断增加。例如，在蓝牙产品的种类方面，有单声道蓝牙耳机、双声道蓝牙耳机、蓝牙音箱、蓝牙门锁、蓝牙打印机等一系列产品，蓝牙无线通信产品的增加使人们脱离了各种线缆的困扰。与此同时，一些相关软件公司也在开发与蓝牙相匹配的软件，这些软件可在电脑、手机等终端通过蓝牙对电子设备进行控制，软件的控制界面友好，人机交互功能全面。根据蓝牙无线通信技术的发展现状来看，蓝牙无线通信技术将成为未来无线通信技术的主要内容，与蓝牙通信技术相关的业务也将成为未来各大厂商角逐的焦点。对于蓝牙通信技术来讲，大多数蓝牙产品的通信技术距离为10米以内，尽管部分产品已经在距离上有所突破，然而，这种远距离蓝牙通信技术并未得到普及。因此，如何在保证通信安全、辐射安全的前提下，实现远距离的蓝牙通信将成为未来蓝牙通信技术有所突破的关键点。
3.3无线通信技术与多种通信技术相融合
传统通信技术之所以能够长期存在并得到发展，这是由传统通信技术自身存在的优势所决定的。然而，无线通信技术的发展离不开传统通信技术的支持，在通信技术融合方面具体表现在以下几个关键点。首先，无线通信技术是在蜂窝技术的基础上发展起来的一种通信技术，与蓝牙通信技术不同，基于蜂窝技术的无线通信技术能够实现远距离通信，在通信质量方面并不输于传统有线通信。并且，无线通信技术的实现需要硬件设备的支持，传统通信设备能够为无线通信技术的发展提供支持，并通过一定程度的改造，保障无线通信技术进一步发展。其次，无线宽带接入技术已经基本得到普及，相关无线宽带接入终端的种类不断丰富，不断增长的社会需求为无线宽带接入技术提出了更高要求。随着我国通信技术的发展，3G、4G移动网络通信技术与无线宽带接入技术之间的竞争更加激烈，然而，两者在竞争中也有着一定程度的融合，这更好的促进了无线通信技术的进一步发展。最后，无线通信技术在快速发展的同时，以视频多媒体技术为核心的产业结构逐渐形成，由于视频多媒体技术对无线通信技术的速度等有着较高要求。传统无线通信技术为视频多媒体行业提供了便利，然而，传统无线通信技术并不能满足视频多媒体行业的要求。并且，随着视频多媒体逐渐成为人们生活中不可或缺的组成部分，视频多媒体技术有着广阔的发展前景，正因为此，无线通信技术与视频多媒体技术的融合不仅能够丰富无线通信产业结构，也能够为视频多媒体技术的发展提供保障。
3.4无线通信技术发展过程中政府的角色
政府在产业结构调整过程中起着方向性的指导作用，我国政府对通信技术的发展给予了高度关注。为了使无线通信技术能够更好的服务于人们工作、生活，以及我国经济建设，各种无线通信技术之间的竞争与合作在政府的调控下有序进行。政府对无线通信技术的发展不仅给与资金支持，并在相关政策方面进行倾斜，这为无线通信技术的发展提供了良好的政策环境。不仅如此，政府在通信技术的发展过程对相关规范有着严格要求，在缺少相关标准的情况下，通信技术的发展受到了限制，通过分析不同类型无线通信标准具有的优势，政府联合通信行业龙头企业制定科学的技术标准，从而为通信技术的普及与发展奠定基础。除了以上内容外，政府部门需要对无线通信市场制定相应的规范，由于无线通信市场的竞争日趋激烈，这导致一些厂商为获得更高的市场份额，而使用不正当的竞争手段。这些行为破坏了无线通信市场的正常秩序。为此，政府部门应当制定相关政策法规，对无线通信市场中存在的不正当竞争行为严加惩治，从而为无线通信技术的发展创造出良好的市场环境。
[参考文献]
[1]李思慧.现代无线通信技术热点问题分析探讨[J].中国新通信，2015（24）：12-14.
关键词：ZigBee技术；IEEE802.15.4；无线通信
中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)06-10000-00
Research on Wireless Communication Technology ZigBee
HU Ke, GUO Zhuang-hui, WANG Lei
(School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China)
Abstract: That based on IEEE 802.15.4 standard ZigBee has low cost, short distance and low power consumption’s characters, which fit some wireless communication equipments’ needs. This paper introduces ZigBee technology’s concept, characteristics and protocol model, upon these basis discuss application of ZigBee technology and compare this technology with other several wireless communication technologies.
Key words: ZigBee technology; IEEE 802.15.4; Wireless communication
1 引言
ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以满足对小型廉价设备的无线联网和控制[1]。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通信技术的名称[2]。Zigbee过去称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。
2 ZigBee的技术特点
ZigBee是一种无线连接，可工作在2.14GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点[3]：
（1）低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。
（2）成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5―2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
（3）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。
（4）网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。
（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
（6）安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。
3 ZigBee的协议模型
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。在标准规范的制订方面，主要是IEEE802.15.4小组与ZigBee联盟两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。在IEEE802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订MAC（媒体接入层）与PHY（物理层）规范。ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲领。ZigBee协议栈的模型如图1所示：
图1 ZigBee协议栈模型图
ZigBee的协议栈由高层应用规范、应用层、网络层、数据链路层组成[4]。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE负责物理层和数据链路层标准的制定。下面分别介绍应用层、网络层、数据链路层各部分的功能：
（1）、应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体功能包括：1）安全与鉴权；2）多个业务数据流的汇聚；3）设备发现；4）业务发现。
（2）网络层功能如下：1）通用的网络层功能，包括拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，寻址、路由和安全；2）有自组织、自维护功能，最大程度减少消费者的开支和维护成本。
（3）IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC和MAC两个子层。其中LLC子层的主要功能包括：1）传输可靠性保障和控制；2）数据包的分段与重组；3）数据包的顺序传输。MAC协议包括功能如下：1）设备间无线链路的建立、维护和结束；2）确认模式的帧传送和接收；3）通道接入控制；4）帧校验；5）预留时隙管理；6）广播信息管理。
4 ZigBee的应用场合：
Zigbee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想，它的应用目标主要是：工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络），医护（如监视和传感），家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警），消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。
一般而言，满足如下一些特点的应用场合，是ZigBee应用极具优势的地方[5]：
（1）需要无线通信交换信息的低成本装置；
（2）数据的交换量较小、传输的速率要求不高；
（3）功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间；
（4）需要多个（尤其是大量）设备组成无线通信网络，主要进行监测和控制的场合。
下面就ZigBee的可能应用的几个领域举例加以说明：
（1）工业领域：
通过ZigBee网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息之掌握，例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等，都可由ZigBee网络提供相关信息，以达到工业与环境控制的目的。
（2）数字家庭领域：
ZigBee技术可以应用于家庭的照明、温度控制等。ZigBee模块可以安装在灯泡、遥控器、玩具、门禁系统、空调系统和其它家电产品中。例如在灯泡中装置ZigBee模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控器便可开灯。再如你家里的每一个成员都可以有一个私人的电子轮廓（可以是一个小小的符合ZigBee标准的器件），其他器件都可以通过检测此轮廓而有所反应。现在，假如附近没有其他轮廓或者你的轮廓具有最高优先级，那么家里的灯光、温度、音乐和网站都将自动按照你的喜好自动设置。
（3）智能交通领域：
如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量的ZigBee终端设备，你就不用担心迷路。安装在汽车里的器件将告诉你，你当前所处的位置。全球定位系统（GPS）也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能向你提供更精确更具体的信息。使用这种系统，也可以跟踪公共交通情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在车站等上数十分钟。基于Zigbee技术的系统还可以开发出许多其他功能，例如在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。
（4）环境控制与医疗护理领域：
人类始终面临着各种威胁生命的因素，如火灾、水灾和地震等，所以，人类也一直在构建挽救生命的系统。但目前已有的许多系统实际上不是非常有效的，有些太复杂、太昂贵，难以普及；有些因为电池迅速耗尽而很快不能工作；有些缺乏生命挽救系统最为关键的联网能力。由于具备连接简单器件（如传感器和激活器等）的能力，ZigBee无线网络通信系统能监视各种事件，当需要时自动采取相应的行动。作为一个为低速率、低成本和低功耗应用而设计的全球标准，ZigBee无线网络通信系统很有希望应用于上述情况。
5 与其他几种无线通信技术的比较：
目前，市场上的近距离无线通信技术主要有蓝牙、无线局域网WiFi和一些专用标准（如Ad hoc网等）的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如超宽带通信UWB和WiMax等。下面对这些技术作一些简要介绍和比较[6]：
蓝牙技术发展从1999年起已经历了多个年头，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域，且互通性方面也存在问题。
WiFi在Intel的大力支持下，借迅驰处理器迅速占领市场；采用IEEE802.11b标准，使用2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mbps，并可根据信号强弱把传输率调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽；采用最新的802.11g时，速率可达54Mbps，是目前应用最广的无线网络传输协议。
UWB是一种未来短距离宽带无线传输技术。由于未采用通常无线收发中的载波调制技术，因此它不需要混频、过滤和射频/中频转换模块，实现了低成本、低功耗和高带宽性能。目前有两大技术阵营竞争技术标准，预期的通信距离5～10m，速率甚至可高达1Gbps，非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据传输。
作为WiFi下一代技术的WiMax，被设想成一项无线城域网接入技术，在传输距离和速度方面均胜过WiFi，最高接入速率为70Mbps，信号传输半径可达到50km。图2是以上几种无线通信技术的速率/距离比较。
从图2中看出，主要的无线技术都集中在1Mbps以上的速率，新的标准还在追求更快的速率；而Zigbee恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉。在实际应用环境中，低速率、低成本的无线通信在自动控制、无线传感器网络、家居自动化等诸多领域更贴近日常生活，同样具有广泛的市场。从现今的市场看，每一种无线通信技术的产品都有各自的一些特点，或在距离、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段时间内，虽然会有一些竞争，但仍会有多种无线通信技术的产品在市场上共存。
图2 无线通信技术比较
6 结束语
本文阐述了ZigBee技术的概念、特点、协议模型以及相关应用，并与其他一些无线通信技术如蓝牙、WiFi、UWB、WiMax做了对比。无线组网通信是当今工业控制、家庭自动化、计算机应用等方面技术发展的一个热点，而低功耗、低成本的无线网络要求令ZigBee应运而生。ZigBee技术可以通过结合其他无线技术，实现无所不在的网络。这也显示出ZigBee具有超强的生命力和优势，应用前景十分看好，值得广大嵌入式应用的技术人员关注。相信随着相关技术的发展和推进，ZigBee技术一定会得到更大的应用。
7 致谢
本文研究得到了国家自然科学基金重点项目（70531020）资助，在此谨表谢意。
参考文献：
[1]林山霖.ZigBee技术发展现状.零组件杂志,2004(155).
[2][EB/OL]
[3]雷震洲. 面向低速率应用的全球标准ZigBee.现代电信科技,2004(12).
[4]齐丽娜,干宗良.一种新的无线技术ZigBee[J].电信快报,2004,(9):12-14.
[5]原弈,苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件, 2004,21(6):89-91.
[6]赵景宏, 李英凡, 许纯信.ZigBee技术简介[J].电力通信系统,2006(165).
收稿日期：2008-01-12
【关键词】 无线通信技术 MIMO技术 原理
一、MIMO无线通信技术原理
MIMO无线通信技术是科研人员将天线分集和空时处理技术相结合的一种新型技术，具有天线分集和智能天线二者优越性，因其收发段都是多天线单元，且运用最新的无线传输和信号处理技术，通过多径传播有效利用空间资源，建立起了空间并行的数据传输通道，突破了Shannon临界值（最大信息传送速率C公式：C=Blog2（1+S/N）。其中B为信道带宽，S为信号功率，N为噪声功率）。相比智能天线的抑制多径传播的算法而导致的系统容量随着最小天线数目对数增长。
MIMO系统对无线信道多途径传播进行了有效利用：如图1：信息S被沿着多个路线分流，在调制和射频前端处理后再次以相同的频率分别从发射装置发射出去，经过多径信道的传递从不同的分流路径进入接收装置，然后对接收到的信号进行处理。现对于抑制多径传播的智能接收天线而言，利用空时编码方案进行发射和接收分集，获得比起常规系统有显著的复用和分集增强信息强度效益，同时高效的并行信息通道也显著提升了信道容量，毫无疑问，MIMO成了最有升值空间的技术，肩负着提升信息传输速率的重要任务。
二、MIMO技术的优缺点
首先，分流数据的高效。发送端的分流数据一起发送，各个发射信号处于统一频带，在不耗费带其它带宽前提下节约了宝贵的带宽资源；同时可以保持发射端的功率处于恒定状态从而实现最优功率的匹配，不造成系统的发射功率负担的增加。其次，对信息干扰的有效处理。MIMO系统将三大通道整体化处理（多径信道、发射端通道以及接收端通道）优化，可以将空时两域的干扰进行对消处理达到最优处理效果。再次，对空域的高效利用。与以前的天线分集技术中的定向信道相比，MIMO系统建构起了基于空间的矩阵信道，开拓了化域空间资源，在MIMO对各据点的天线单元的空域抽样时，出现的空间信道方向不完全正交的情况可通过极化域进行完善。
MIMO面临的限制。相对于在LOS条件下，MIMO天线的优势不能发挥，因为其分散的天线单元只能在丰富散射的环境中才能最高效地工作，在直视传播环境下，其获得不同接收信号的低相关性的概率会低很多，因此很难发挥出优势。MIMO系统由于需要分流数据和多天线单元进行配置，对硬件设备要求高，而相关的分流数据信号处理技术也需要得到完善，这就要求当代网络与移动终端的配置更为复杂，商业运用成本较大。
三、MIMO技术的发展动态
MIMO关键技术主要涉及信息传输技术和信道建模技术，因多天线技术则取决于前二者技术的解决，因此主要介绍前二者技术研究动态。MIMO系统容量理论上虽大，但是传输系统的实际方案正在建构。由于MIMO系统的传输方案研究主要有两个方向，空时编码方案和复用方案，空时编码方案提出将发射分集、编码与调制结合成一体，延时发射分集的信号规范为一种空时格形码，从而达到分集最大化；而复用方案的实质是将单路的强信号干扰通过多路分流来降低最终的信噪比从而实现数据率最大化目的。目前结合二者方案的优点的传输误码率与速率的折衷方案是最新的趋势。同时MIMO信道模型也正处于建构之中。决定MIMO信道空时处理性的关键因素在于空时特性，研究指出在有丰富的散射传播的环境以及收发天线单元的多径相互独立，信道矩阵才能发挥效率，因此基于对空时特性进行描述的信道模型成了目前MIMO技术探索的重要领域。两大技术的解决关系着未来无线通信系统的模式的建构。
参 考 文 献
[1] 常永宇，章健. MIMO技术在无线通信系统中的应用[J]. 现代电信科技. 2004（12）
关键词：无线通信；GMSK
大型游乐设施逐渐朝着“更快、更高、更刺激”的方向发展。而随之带来的危险性也在逐渐增加。目前大型游乐设施上都布满了各种传感器，用于游乐设施的实时检测监控。在游乐设施信号测量系统中，以往的数据传输方式常常采用有线传输方式，以保证数据的准确性、可靠性、稳定性。然而在一些特殊的场合，高温、野外及条件比较恶劣的环境中，待测系统中的某些参数（如温度、压力、电压、电流等）需要实时传输出来给控制中心，传统有线方式的应用受到限制。在对大型游乐设施运行过程进行分析的基础上，提出基于无线数据传输单元的游乐设施远程安全监控预警系统，结合PLC与GSM网络等手段，系统多个监控单元分工合作，实现对游乐设施的安全监控与安全预警功能。该系统能够有效预报设备故障，减少事故发生率，提高设备的安全运行水平。
1系统组成
无线通信系统由发送单元与接收单元两部分组成，如图1所示。在发射单元，传感器采集到得模拟量数据（电压、电流、温度、压力等）传递给A/D转换器，数据处理模块将A/D转换器转换后的数字信号编码得到字节序列，再经过发射模块形成调制信号并送入信道，然后通过无线模块发送出去。在接收端，首先接收模块对接受到的调制信号进行解调，在数据处理模块恢复出字节序列，在电平转换模块中进行数据分析储存，并转化为系统参量在显示模块中实时显示出来。当系统参量超过正常范围时，中心通讯管理软件发出报警信号，现场工作人员通知操作员进行检修或停止工作。传感器测得的模拟信号经过A/D转换器转换为8位数字信号，在数据处理模块中，经FIR数字滤波器滤掉其中高频分量，然后将8位数字量作为直接数字频率合成器DDS相位累加器的输入信号，用DDS来产生高分辨率、载频可编程、频偏可调的频率时变信号，传输给发送模块通过差分编码，单边带调制器进行GMSK正交调制，实现调频基带信号向高频的搬移，搬移后携带信息高频向空间辐射，进行无线通信。数据处理模块如图2所示。采用ALTERACycloneIIEP2C5T144C8芯片，CycloneII系列FPGA支持Altera公司的NiOSII嵌入式软核处理器。该芯片具有40万系统门，8064个逻辑单元内嵌18K位块RAM，包含4个时钟管理模块和8个全局时钟网络，配置芯片（EPCS1），有源晶振及下载调试接口。整个芯片划分为FIR滤波器模块、DDS（直接数字频率合成器）模块、时钟逻辑模块、采样控制模块、储存控制模块等电路。时钟模块单元提供时序工作节拍，设计中采用100MHz的频率输出，以保证测控中同步脉冲的实时性。存储单元完成数据的暂存与管理，采用“乒乓原理”实现大批量数据的写入、读出及管理功能。数据处理模块中的FPGA芯片是发射单元的核心，用FPGA实现软件无线电发射机，不仅降低了产品成本，减少了设备体积，满足了系统的需求，而且比专用芯片具有更大的灵活性和可控性。由于FPGA芯片不能处理模拟量信号，来自传感器的模拟量经A/D转换芯片转换成相应的数字量才能输入到FPGA中进行处理。该系统采用AD公司的AD9283芯片，AD9283是8位的A/D转换器，输入为-0.5~0.5V的模拟信号，内部采用流水线结构，工作电压为3.3V，A/D转换器的时钟由系统时钟分频电路提供。经过编辑的数字量信号送入发射模块进行GMSK（高斯滤波最小相移键控）编码，GMSK具有良好的频谱特性以及误码性能，目前已广泛应用于GSM在内的众多无线通信系统中。发送模块与接收模块原理如图3所示。发送模块主要由并串转换、差分编码和GMSK调制三个子模块组合而成，首先将输入的字节序列经过并串转换变为比特序列，再经过差分编码以及GMSK调制，形成GMSK调制信号。接受模块主要由GMSK解调、差分解码和串并转换以及帧同步三个子模块组成，分别实现发送端GMSM调制和并串转换的逆过程。
2无线系统的软件设计
系统软件设计包括发射机通讯软件和接收机FPGA的实时控制软件。硬件描述采用VHDL语言，其主要特点在于，能形式化抽象表示电路的行为和结构，支持逻辑设计中层次与范围的描述，可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述，具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性，支持电路描述由高层到底层的综合转换，硬件描述与实现工艺无关，便于文档管理，易于理解和设计重用。上位机通讯管理软件设计主要实现对数据的处理及管理。下位机软件是一个实时控制程序，每秒采集新的数据，并将其发送出去。控制程序流程如图4所示。无线数据传输系统可以连接不同的传感器，远距离接受测试信号。以江苏省特种设备安全监督检验研究院真空造浪系统为例，由于油温、油压力、电压、电流直接影响液压系统的工作，开环系统对油温变化非常敏感，为提高系统性能，设置传感器监控系统，采集到的信号通过无线传输给计算机，通过显示界面将系统测量到的参数显示出来，如图5所示。
3结语
本文完成了基于无线通信的远程游乐设施监控系统设计，以无线的方式将传感器采集的数据实时显示在监控系统中，便于对运行的游乐设施的技术状态进行分析，以判断其运行是否正常，并可对异常情况进行追踪，确切掌握设备的实际特性，有助于判断需要修复或更换的零部件和电子元器件，充分利用设备和零件的潜力，节约维修费用，减少停机损失。
作者:司晓霞 韩喆 单位:1.江苏省特种设备安全监督检验研究院 2.中国船舶科学研究中心
参考文献
[1]冀保峰.现代无线通信系统[M].北京：水利水电出版社，2016.
[2]崔莉，鞠海玲，苗勇，等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展，2005(1)：163-174.
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[4]刘颖.同步数字传输技术[M].北京：科学出版社，2012.
关键词 铁路；GSM-R；网络优化
中图分类号：U285 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0056-01
1 GSM-R无线通信网的组成及优势分析
1.1 GSM-R无线通信网涵义
GSM-R的中文全称为铁路移动通信系统，是一种以公共无线通信系统GSM为平台，专门满足铁路运营所开发设计的数字化无线通信系统。GSM-R可将铁路列车的自动控制信息传输与调度通信纳入到无线通信平台，有利于实现铁路通信信号一体化管理。GSM-R作为列车自动控制系统和信号系统的传输平台，能够满足列车运行时速不超过500千米的无线通信要求，同时具备较强的安全性能。
1.2 GSM-R无线通信网的组成
GSM-R无线通信网主要由基站、交换机、无线通信设备、手机等设施设备组成。交换机是GSM-R的核心部分，不论是主CPU处理器还是功能模块中的CPU处理器都是双备份配置，增加了系统硬件结构的可靠性；基站能够沿铁路线覆盖，即使在自然环境恶劣、无人值班的条件下也能正常运行；适用于GSM-R网络的手机与普通手机类似，只不过在语音通话功能的基础上增加了专用的调度通信功能，可以实现图像和数据信息的无线传输。
1.3 GSM-R无线通信网的应用优势
1）实现对列车运行的全程监控。GSM-R系统结合GPS卫星定位系统、机车车载计算机能够实现对列车控制信息的实时传送，利用卫星定位、电子地图等先进技术实时监控列车的运行位置和状态，以确保列车运行安全。同时，GSM-R系统作为铁路专用的调度通信系统，能够满足调度通信安全性、封闭性、实时性的要求。
2）提高通信系统的可靠性。由于GSM-R系统采用的是小区规划和独特算法，从而使其避免了高速所引起的信号失真问题。此外，GSM-R系统采取了双备份模式，使得两套信号控制系统可以重叠、交错运行，即使一套系统出现故障，另一套系统也会保持通信正常。
2 GSM-R无线通信网冗余覆盖方案及网络优化研究
2.1 GSM-R无线子系统冗余覆盖
由于高铁的GSM-R需要为列车控制系统提供相应的电路数据信息，所以系统的可靠性至关重要，而无线部分则是整个系统可靠性的关键。为此，可以通过引入冗余来提高系统的可用度。从防止设备发生单点故障的角度上讲，在对GSM-R无线网进行设计时应当充分考虑以下情况：其一，若是有源通信设备因故障瘫痪，则会导致GSM-R系统服务中断，所以应当充分考虑故障发生后的备用手段，并且还应在最短的时间内使其恢复正常运行。由于沿线上存在很多维护不方便的设备，如基站、电源设备等等，故此可设计为自动恢复到备用工作方式；其二，对于漏缆等无源设备，应当在设计中完善对其的监测，当这些设备出现性能劣化时，应当自动告警，这样便于及时维修；其三，机房、铁塔等基础设施一旦损坏，将会直接造成GSM-R系统的服务中断。为此，在选择站址时，应当尽可能避开容易发生自燃灾害的区域，同时还应预留一定的余量，防雷接地系统必须可靠，并加强对基础设施的监测维护。
由于GSM-R无线子系统是系统当中最为薄弱的环节，针对上述情况，可采用以下3种冗余覆盖方式。
1）单层交织。该方式具体是指相邻的两个基站场强相互覆盖至相邻基站的所在地。从本质上讲，这种方式相当于给基站加密，可以在正常通信时有效提高切换门限电平，从而确保当某个基站出现故障时，GSM-R网络仍然可以正常工作。
2）同站址双层覆盖。具体是指在同一个站址内设置两全独立的基站，并分别接入不同的基站控制器。设置时可以让双层一同承担所有的业务，也可以设置成一套主用，另一套备用，通信过程则可锁定在一层网络中执行，当某一个基站控制器出现故障时，这种方式也能确保GSM-R网络正常工作。
3）双层交织。具体是指设置两套独立交织的无线网络，并且无线子系统也完全独立，两层网络可以共同承担所有的业务，也可由其中一层承担所有的业务，这样可以确保某个基站出现故障时，GSM-R网络仍能正常工作。
从技术经济性的角度讲，上述3种冗余覆盖方式各具优缺点，实际工程中，可以按照列车控制方式、线路自然状态、列车时速以及对业务安全性的需求等方面进行综合考虑，进而选出最合适的方案。
2.2 GSM-R无线网络优化
优化GSM-R无线网的最终目的是为了确保通信系统的整体运营质量，具体优化过程如下。
1）监测调查。该环节主要是对优化对象进行监测，具体内容如下：确定监测目标和监测范围、对网络性能报表进行调查、确定优化目标；利用计数器测出观测周期及统计报表。
2）数据采集与分析。具体包括以下数据：网元管理系统统计数据、GSM-R接口数据、干扰信息、DT数据等等。数据分析可从以下几个方面着手：干扰源、掉话率、无线接通率、切换失败率。
3）制定优化方案。GSM-R系统需要进行优化调整的内容如下：提高交换机的处理性能、增大容量、对信道数进行优化调整、对基站和天线位置进行变更、对参数和频率进行优化设置等等。需要注意的是，在优化过程中，应当结合实际情况随时对优化方案进行适当调整，以此来确保能够达到最佳的优化效果。
3 结论
总而言之，在铁路运营中，GSM-R无线通信网的应用大幅度提高了列车的安全性，有效避免了各类问题的发生。在未来一段时期，应当不断对GSM-R无线通信网各方面性能进行完善，使其作用得以最大程度地发挥，为铁路安全运营提供可靠保障。
参考文献
[1]何文娟.列车运行控制系统中GSM-R无线通信的应用研究[J].电信工程技术与标准化，2010（12）.
