接入領(lǐng)域的802.16、UWB和RFID等熱點(diǎn)技術(shù)的原理、特點(diǎn)，分析比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)應用場(chǎng)合。
1、前言
隨著(zhù)Internet的迅速發(fā)展和個(gè)人對數據通信需求的快速增長(cháng)，全球通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展呈現三大趨勢：無(wú)線(xiàn)化、寬帶化和IP化?；ヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展推動(dòng)了市場(chǎng)對寬帶網(wǎng)絡(luò )的需求，寬帶用戶(hù)數量在全球呈現出非常強勢的增長(cháng)態(tài)勢。在眾多的寬帶技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)技術(shù)尤其是移動(dòng)通信技術(shù)成為近年來(lái)通信技術(shù)市場(chǎng)的最大亮點(diǎn)，是構成未來(lái)通信技術(shù)的重要組成部分。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)滿(mǎn)足了用戶(hù)對在不同移動(dòng)狀態(tài)下獲取網(wǎng)絡(luò )信息的強烈需求，也符合當今社會(huì )人員流動(dòng)性大、工作生活節奏緊張的發(fā)展趨勢。另一方面，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò )部署迅速便捷的特點(diǎn)，對于缺乏線(xiàn)纜資源的新興運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是成功部署通信網(wǎng)絡(luò )，迅速為用戶(hù)提供語(yǔ)音和數據服務(wù)的最佳手段。
目前，以3.5GHz、5.8GHz和26GHz固定無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)為代表的固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)已經(jīng)在我國得到應用。與此同時(shí)，IEEE 802系列標準組已經(jīng)制定或正在制定802.16和802.15等一系列無(wú)線(xiàn)通信標準，一些無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)新熱點(diǎn)紛紛涌現并成為業(yè)界繼3G之后的又一關(guān)注重點(diǎn)，如802.16、UWB和RFID等。
2、802.16技術(shù)
IEEE針對特定市場(chǎng)需求和應用模式提出了一系列不同層次的互補性無(wú)線(xiàn)標準，其中IEEE802.16標準是針對無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)應用而提出的。IEEE 802.16標準又稱(chēng)為IEEE Wireless MAN空中接口標準，對工作于不同頻帶的無(wú)線(xiàn)接入系統空中接口進(jìn)行了規范。由于它所規范的無(wú)線(xiàn)系統覆蓋范圍在千米量級，因此802.16系統主要應用于城域網(wǎng)。根據使用頻帶低不同，802.16系統可分為應用于視距和非視距兩種；根據是否支持移動(dòng)特性，802.16標準又可分為固定寬帶無(wú)線(xiàn)接入空中接口標準(802.16d)和移動(dòng)寬帶無(wú)線(xiàn)接入空中接口標準(802.16e)。
802.16技術(shù)是無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，通過(guò)接入核心網(wǎng)向用戶(hù)提供業(yè)務(wù)，核心網(wǎng)通常采用基于IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )。802.16技術(shù)可以應用的頻段非常寬，包括10-66GHz頻段、11GHz以下許可頻段和11GHz以下免許可頻段，不同頻段下的物理特性各不相同。
(1)1O-66GHz許可頻段。該頻段的波長(cháng)較短，它只能實(shí)現視距傳播。典型的信道帶寬為25MHz或28MHz，當采用高階調制方式時(shí)數據速率可超過(guò)120Mbit/s。
(2)11GHz以下許可頻段。該頻段的波長(cháng)較長(cháng)，它能支持非視距傳播。使用這一頻段的系統會(huì )存在較強的多徑效應，需要采用一些增強的物理層技術(shù)，如功率控制、智能天線(xiàn)、ARQ、空時(shí)編碼技術(shù)等。
(3)11GHz以下免許可頻段。該頻段的傳播特性與11HzG以下的許可頻段基本相同，區別在于非許可頻段可能存在較大的干擾，需要采用動(dòng)態(tài)頻率選擇DFS等技術(shù)來(lái)解決干擾問(wèn)題。
在802.16標準中定義了單載波、OFDM、OFDMA共3種物理層實(shí)現方式。其中，單載波(SC)調制主要應用在1O-66GHz頻段，OFDM和0FDMA是802.16中最典型的物理層方式。OFDM、OFDMA方式具有較高的頻譜利用率，可以使802.16系統在相同的載波帶寬下提供更高的傳輸速率。同時(shí)，OFDM/OFDMA方式在抵抗多徑效應、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上也具有明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為Beyond 3G主要研究的技術(shù)之一。802.16技術(shù)在不同的無(wú)線(xiàn)參數組合下可以獲得不同的接入速率。以10MHz載波帶寬為例，若采用OFDM-64QAM調制方式，除去開(kāi)銷(xiāo)，則單載波帶寬可以提供約30Mbit/s的有效接入速率，由蜂窩或扇區內的所有用戶(hù)共享。IEEE 802.16標準適用的載波帶寬范圍從1.75MHz到20MHz不等，在20MHz信道帶寬、64QAM調制的情況下，傳輸速率可達74.81Mbit/s。
802.16標準在MAC層定義了較為完整的QoS機制，可以根據業(yè)務(wù)的需要提供實(shí)時(shí)、非實(shí)時(shí)的不同速率要求的數據傳輸服務(wù)。MAC層針對每個(gè)連接可以分別設置不同的QoS參數，包括速率、延時(shí)等指標。為了更好地控制上行數據的帶寬分配，標準還定義了UGS、rtPS、nrtPS和BE業(yè)務(wù)4種不同的上行帶寬調度模式。同時(shí)，802.16系統采用了根據連接的QoS特性和業(yè)務(wù)實(shí)際需要來(lái)動(dòng)態(tài)分配帶寬的機制，不同于傳統的移動(dòng)通信系統所采用的分配固定信道的方式，因而具有更大的靈活性，可以在滿(mǎn)足QoS要求的前提下盡可能地提高資源的利用率，能夠更好地適應TCP/IP協(xié)議族所采用的包交換方式。
802.16寬帶無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的典型應用包括Internet接入、局域網(wǎng)互聯(lián)、數據專(zhuān)線(xiàn)、窄帶業(yè)務(wù)或基站互聯(lián)等，各種應用的實(shí)現方式如下：
(1)Internet接入。針對有綜合布線(xiàn)的小區和大樓，在樓頂安裝802.16寬帶固定無(wú)線(xiàn)接入系統的遠端用戶(hù)側室外無(wú)線(xiàn)單元，并在建筑物內或小區內安裝用戶(hù)側室內單元和以太網(wǎng)交換機，利用現有綜合布線(xiàn)接入用戶(hù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)空中接口提供寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)。
(2)局域網(wǎng)互聯(lián)。對于大型企業(yè)，如果在地域內有多個(gè)企業(yè)分部，利用802.16寬帶固定無(wú)線(xiàn)接入系統可以方便實(shí)現總部和各分部之間的局域網(wǎng)連接。
(3)數據專(zhuān)線(xiàn)。以802.16寬帶綜合無(wú)線(xiàn)接入系統提供TDM傳輸，在終端站上提供E1接口。為進(jìn)一步提供64kbit/s和N×64kbit/s的業(yè)務(wù)，可在用戶(hù)端安裝小型復用器，提供傳統的數據傳送業(yè)務(wù)。
(4)窄帶業(yè)務(wù)和基站互聯(lián)。802.16提供E1接口，可以滿(mǎn)足GSM移動(dòng)基站的接入，并在將來(lái)支持3G網(wǎng)絡(luò )基站互連。通過(guò)802.16遠端設備+窄帶0NU，可以提供話(huà)音業(yè)務(wù)。
IEEE提出了802.16的寬帶無(wú)線(xiàn)接入的標準，而成立于2001年4月9日的WIMAX Forum(World Interoperability for Microwave Access Forum，全球微波接入互操作性論壇)旨在對基于IEEE 802.16標準和ETSI HiperMAN標準的寬帶無(wú)線(xiàn)接入產(chǎn)品進(jìn)行一致性和互操作性認證。WiMAX是一個(gè)由業(yè)界領(lǐng)先的通信產(chǎn)品及設備公司共同建立的非盈利組織，通過(guò)致力于制定一套基于802.16的測試規范和認證體系，使不同廠(chǎng)商之間的產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)認證后可以具有良好的互操作性，從而積極推廣和驗證寬帶無(wú)線(xiàn)接入設備的兼容性與互操作性。通過(guò)WiMAX認證的802.16產(chǎn)品會(huì )擁有“WiMAX(r) CERTIFIED”標識。
3、UWB技術(shù)
UWB(Ultra Wideband，超寬帶)技術(shù)是目前正被廣泛研究的一種新興無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，現在已經(jīng)成為高速無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)(WPAN)的首選技術(shù)。一方面，由于它具有高數據率(可達100Mbit/s-1Gbit/s)、低功耗和低費用等特點(diǎn)，為無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展開(kāi)辟了新的機遇；另一方面，由于它占用極寬的帶寬，與其他通信系統共享頻段，給干擾、兼容等相關(guān)領(lǐng)域的研究帶來(lái)了挑戰。UWB技術(shù)的標準化主要在致力于無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)(WPAN)標準化工作的IEEE 802.15框架內進(jìn)行。
UWB最初的定義是來(lái)自于20世紀60年代興起的脈沖通信技術(shù)，又稱(chēng)為脈沖無(wú)線(xiàn)電(Impulse Radio)技術(shù)。與在當今通信系統中廣泛采用的載波調制技術(shù)不同，這種技術(shù)用上升沿和下降沿都很陡的基帶脈沖直接通信，所以又稱(chēng)為基帶傳輸(Baseband Transmission)或無(wú)載波(Carrierless)技術(shù)。脈沖UWB技術(shù)的脈沖長(cháng)度通常在亞ns量級，信號帶寬經(jīng)常達數GHz，比任何現有的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)(包括以3G為代表的寬帶CDMA技術(shù))的帶寬都大得多，所以最終在1989年被美國國防部稱(chēng)為超寬帶技術(shù)。傳統脈沖UWB信號通常具有很小的(10-2～10-3)占空比，這決定了UWB設備的平均發(fā)射功率很低，甚至是現有的藍牙(Bluetooth)系統發(fā)射功率的1/100-1/1000。
如此低的發(fā)射功率帶來(lái)了諸多好處：
(1)UWB系統的發(fā)射功率可以降到背景噪聲的水平，因此可以與其他無(wú)線(xiàn)通信系統“安靜的共存”；
(2)極低的發(fā)射功率使UWB設備具有很低的能耗，功率放大器通?？梢员皇∪?，因此UWB設備具有很低的成本。
(3)極低的發(fā)射功率使UWB信號很難被監聽(tīng)，從而具有良好的保密性。
根據美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)數年前的定義，UWB系統應該是相對帶寬(帶寬與中心頻率之比)大于0.25或帶寬超過(guò)1.5GHz的系統。最近FCC又修正了對UWB技術(shù)的定義，規定相對帶寬大于0.2或帶寬超過(guò)500MHz的系統都可看作UWB系統。這種更寬泛的定義使某些傳統無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)也開(kāi)始被考慮作為UWB通信技術(shù)的候選方案。2003年，在IEEE 802.15.3a工作組征集提案時(shí)，Intel、TI和XtremeSpectrum(后被Motorola收購)分別提出了多頻帶(Multiband)、正交頻分復用(OFDM)、直接序列CDMA(DS-CDMA)3種方案，后來(lái)多頻帶方案與OFDM方案融合，從而形成了多頻帶OFDM(MB-OFDM)和DS-CDMA兩大方案競爭的格局。這兩種方案都在對傳統技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)后滿(mǎn)足了UWB技術(shù)的特征。MB-OFDM仍然基于128-OFDM傳輸，但每個(gè)子載波的頻寬由幾kHz增長(cháng)到4MHz。而DS-CDMA采用了超過(guò)1Gcps的碼片速率，與傳統CDMA技術(shù)幾百kcps的碼片速率有很大區別。MB-OFDM和DS-CDMA已經(jīng)成為UWB主流方案的兩大技術(shù)，與早期定義的UWB技術(shù)在本質(zhì)上是不同的，它們更適宜被看作OFDM技術(shù)和CDMA技術(shù)的超寬帶改進(jìn)型。
超寬帶系統應用中存在一個(gè)與其他通信系統的共存和兼容的重要問(wèn)題。由于超寬帶系統使用很寬的頻帶，因此與很多其他的無(wú)線(xiàn)通信系統頻段重疊。雖然從理論上說(shuō)超寬帶系統的發(fā)射功率譜密度很低，應能和其他系統“安靜地共存”，但在實(shí)際應用中超寬帶系統對其他系統的兼容性還需要實(shí)驗證明，特別是超寬帶系統的工作機理和特性還有很多不清楚的方面，比如超寬帶系統的帶外干擾問(wèn)題，即超寬帶設備也有可能對其工作頻段之外的無(wú)線(xiàn)系統產(chǎn)生一定的干擾，這部分干擾還很難用理論計算的方法準確估計。
4、RFID技術(shù)
RFID(Radio Frequency Identification，無(wú)線(xiàn)射頻識別)是一種非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性實(shí)現對被識別物體的自動(dòng)識別。RFID技術(shù)的應用最早可以追溯到第二次世界大戰時(shí)期英國的空軍基地，近年來(lái)隨著(zhù)微電子、計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)的應用范圍和深度也都獲得到了迅速發(fā)展。
RFID技術(shù)的發(fā)展得益于多項技術(shù)的綜合發(fā)展，包括芯片技術(shù)、天線(xiàn)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)技術(shù)、電磁傳播技術(shù)、數據交換與編碼技術(shù)等。一套典型的RFID系統由電子標簽、讀寫(xiě)器和信息處理系統組成。電子標簽與讀寫(xiě)器配合完成對被識別對象的信息采集功能；信息處理系統則根據需求承擔相應的信息控制和處理工作。與傳統的識別方式相比，RFID技術(shù)無(wú)需直接接觸、無(wú)需光學(xué)可視、無(wú)需人工干預即可完成信息輸入和處理，并且操作快捷方便，具有防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(cháng)、標簽上數據存儲量大、可以加密和更改等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應用于生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)監測、商品庫存管理、物流、零售、售后服務(wù)等領(lǐng)域。
根據工作頻率的不同，RFID系統大體分為中低頻段和高頻段兩類(lèi)，典型的工作頻率為135kHz以下、13.56MHz、433MHz、860-960MHz、2.45GHz和5.8GHz等。不同頻率RFID系統的工作距離不同，應用的領(lǐng)域也有差異。低頻段的RFID技術(shù)主要應用于動(dòng)物識別、工廠(chǎng)數據自動(dòng)采集系統等領(lǐng)域；13.56MHz的RFID技術(shù)已相對成熟，并且大部分以IC卡的形式廣泛應用于智能交通、門(mén)禁、防偽等多個(gè)領(lǐng)域，工作距離＜1m。較高頻段的433MHz RFID技術(shù)則被美國國防部用于物流托盤(pán)追蹤管理；而RFID技術(shù)中當前研究和推廣的重點(diǎn)是高頻段的860-960MHz的遠距離電子標簽，有效工作距離達到3-6m，適用于對物流、供應鏈的環(huán)節進(jìn)行管理；2.45GHz和5.8GHz RFID技術(shù)以有源電子標簽的形式應用在集裝箱管理、公路收費等領(lǐng)域。
目前RFID主要應用于封閉市場(chǎng)。例如，低頻RFID系統主要在門(mén)禁管理、動(dòng)物的跟蹤和管理、生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化及過(guò)程控制等領(lǐng)域應用，高頻RFID系統主要在車(chē)輛自動(dòng)識別、高速公路收費、大宗貨物跟蹤和監控等領(lǐng)域應用。下一階段將積極促進(jìn)RFID技術(shù)進(jìn)入開(kāi)放的物流領(lǐng)域，使用電子標簽逐步替代商品條形碼的作用，并與因特網(wǎng)結合形成物聯(lián)網(wǎng)。
縱觀(guān)當前全球RFID技術(shù)的開(kāi)發(fā)應用情況，美國在其國防部和沃爾瑪等大型連鎖企業(yè)積極推動(dòng)下，不論在RFID標準的建立、相關(guān)軟硬件技術(shù)的開(kāi)發(fā)、各種獨立應用，還是物流應用均走在世界的前列：在產(chǎn)業(yè)方面，TI、Intel等美國集成電路廠(chǎng)商目前都在RFID領(lǐng)域投入巨資進(jìn)行芯片開(kāi)發(fā)。Symbol等已經(jīng)研發(fā)出同時(shí)可以閱讀條形碼和RFID的掃描器，IBM、Microsoft等也在積極開(kāi)發(fā)相應的軟件及系統來(lái)支持RFID的應用。歐洲的英國和德國的零售企業(yè)也已經(jīng)開(kāi)展了RFID系統的試驗，很多歐洲企業(yè)都在積極進(jìn)行RFID芯片、讀寫(xiě)器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。日本已在圖書(shū)館管理、工業(yè)制造等領(lǐng)域開(kāi)始應用RFID技術(shù)，政府制定E-Japan和U-Japan計劃，指導企業(yè)對RFID在物流領(lǐng)域的應用進(jìn)行開(kāi)發(fā)、測試和應用試驗，鼓勵企業(yè)嘗試RFID在開(kāi)放系統中的應用。
5、結束語(yǔ)
802.16、UWB和RFID等技術(shù)是目前無(wú)線(xiàn)接入領(lǐng)域的熱點(diǎn)，它們分別在寬帶無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)、寬帶個(gè)人網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)識別等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，是業(yè)界目前的研究重點(diǎn)之一。雖然這些技術(shù)自身都有突出的技術(shù)優(yōu)勢，但距離成熟廣泛的商業(yè)應用仍有一定的距離，需要在技術(shù)研究、政策制定和產(chǎn)業(yè)鏈的形成方面繼續努力。
