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(yīng)用場(chǎng)合。
1、前言
隨著Internet的迅速發(fā)展和個(gè)人對(duì)數(shù)據(jù)通信需求的快速增長(zhǎng)，全球通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)三大趨勢(shì)：無線化、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(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)的需求，寬帶用戶數(shù)量在全球呈現(xiàn)出非常強(qiáng)勢(shì)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在眾多的寬帶技術(shù)中，無線技術(shù)尤其是移動(dòng)通信技術(shù)成為近年來通信技術(shù)市場(chǎng)的最大亮點(diǎn)，是構(gòu)成未來通信技術(shù)的重要組成部分。無線通信技術(shù)滿足了用戶對(duì)在不同移動(dòng)狀態(tài)下獲取網(wǎng)絡(luò)信息的強(qiáng)烈需求，也符合當(dāng)今社會(huì)人員流動(dòng)性大、工作生活節(jié)奏緊張的發(fā)展趨勢(shì)。另一方面，無線通信技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)部署迅速便捷的特點(diǎn)，對(duì)于缺乏線纜資源的新興運(yùn)營(yíng)商來說，無線通信技術(shù)是成功部署通信網(wǎng)絡(luò)，迅速為用戶提供語音和數(shù)據(jù)服務(wù)的最佳手段。
目前，以3.5GHz、5.8GHz和26GHz固定無線接入技術(shù)為代表的固定寬帶無線接入技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)得到應(yīng)用。與此同時(shí)，IEEE 802系列標(biāo)準(zhǔn)組已經(jīng)制定或正在制定802.16和802.15等一系列無線通信標(biāo)準(zhǔn)，一些無線接入技術(shù)新熱點(diǎn)紛紛涌現(xiàn)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(duì)特定市場(chǎng)需求和應(yīng)用模式提出了一系列不同層次的互補(bǔ)性無線標(biāo)準(zhǔn)，其中IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)無線城域網(wǎng)應(yīng)用而提出的。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)又稱為IEEE Wireless MAN空中接口標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)工作于不同頻帶的無線接入系統(tǒng)空中接口進(jìn)行了規(guī)范。由于它所規(guī)范的無線系統(tǒng)覆蓋范圍在千米量級(jí)，因此802.16系統(tǒng)主要應(yīng)用于城域網(wǎng)。根據(jù)使用頻帶低不同，802.16系統(tǒng)可分為應(yīng)用于視距和非視距兩種；根據(jù)是否支持移動(dòng)特性，802.16標(biāo)準(zhǔn)又可分為固定寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)(802.16d)和移動(dòng)寬帶無線接入空中接口標(biāo)準(zhǔn)(802.16e)。
802.16技術(shù)是無線接入技術(shù)，通過接入核心網(wǎng)向用戶提供業(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(yīng)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(zhǎng)較短，它只能實(shí)現(xiàn)視距傳播。典型的信道帶寬為25MHz或28MHz，當(dāng)采用高階調(diào)制方式時(shí)數(shù)據(jù)速率可超過120Mbit/s。
(2)11GHz以下許可頻段。該頻段的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，它能支持非視距傳播。使用這一頻段的系統(tǒng)會(huì)存在較強(qiáng)的多徑效應(yīng)，需要采用一些增強(qiáng)的物理層技術(shù)，如功率控制、智能天線、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(qū)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)來解決干擾問題。
在802.16標(biāo)準(zhǔn)中定義了單載波、OFDM、OFDMA共3種物理層實(shí)現(xiàn)方式。其中，單載波(SC)調(diào)制主要應(yīng)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(tǒng)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(yīng)、頻率選擇性衰落或窄帶干擾上也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為Beyond 3G主要研究的技術(shù)之一。802.16技術(shù)在不同的無線參數(shù)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(diào)制方式，除去開銷，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(qū)內(nèi)的所有用戶共享。IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)適用的載波帶寬范圍從1.75MHz到20MHz不等，在20MHz信道帶寬、64QAM調(diào)制的情況下，傳輸速率可達(dá)74.81Mbit/s。
802.16標(biāo)準(zhǔn)在MAC層定義了較為完整的QoS機(jī)制，可以根據(jù)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(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。MAC層針對(duì)每個(gè)連接可以分別設(shè)置不同的QoS參數(shù)，包括速率、延時(shí)等指標(biāo)。為了更好地控制上行數(shù)據(jù)的帶寬分配，標(biāo)準(zhǔn)還定義了UGS、rtPS、nrtPS和BE業(yè)務(wù)4種不同的上行帶寬調(diào)度模式。同時(shí)，802.16系統(tǒng)采用了根據(jù)連接的QoS特性和業(yè)務(wù)實(shí)際需要來動(dòng)態(tài)分配帶寬的機(jī)制，不同于傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)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(yīng)TCP/IP協(xié)議族所采用的包交換方式。
802.16寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用包括Internet接入、局域網(wǎng)互聯(lián)、數(shù)據(jù)專線、窄帶業(yè)務(wù)或基站互聯(lián)等，各種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)方式如下：
(1)Internet接入。針對(duì)有綜合布線的小區(qū)和大樓，在樓頂安裝802.16寬帶固定無線接入系統(tǒng)的遠(yuǎn)端用戶側(cè)室外無線單元，并在建筑物內(nèi)或小區(qū)內(nèi)安裝用戶側(cè)室內(nèi)單元和以太網(wǎng)交換機(jī)，利用現(xiàn)有綜合布線接入用戶，通過無線空中接口提供寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)。
(2)局域網(wǎng)互聯(lián)。對(duì)于大型企業(yè)，如果在地域內(nèi)有多個(gè)企業(yè)分部，利用802.16寬帶固定無線接入系統(tǒng)可以方便實(shí)現(xiàn)總部和各分部之間的局域網(wǎng)連接。
(3)數(shù)據(jù)專線。以802.16寬帶綜合無線接入系統(tǒng)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)，可在用戶端安裝小型復(fù)用器，提供傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)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，可以滿足GSM移動(dòng)基站的接入，并在將來支持3G網(wǎng)絡(luò)基站互連。通過802.16遠(yuǎn)端設(shè)備+窄帶0NU，可以提供話音業(yè)務(wù)。
IEEE提出了802.16的寬帶無線接入的標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)基于IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)和ETSI HiperMAN標(biāo)準(zhǔn)的寬帶無線接入產(chǎn)品進(jìn)行一致性和互操作性認(rèn)證。WiMAX是一個(gè)由業(yè)界領(lǐng)先的通信產(chǎn)品及設(shè)備公司共同建立的非盈利組織，通過致力于制定一套基于802.16的測(cè)試規(guī)范和認(rèn)證體系，使不同廠商之間的產(chǎn)品在經(jīng)過認(rèn)證后可以具有良好的互操作性，從而積極推廣和驗(yàn)證寬帶無線接入設(shè)備的兼容性與互操作性。通過WiMAX認(rèn)證的802.16產(chǎn)品會(huì)擁有“WiMAX(r) CERTIFIED”標(biāo)識(shí)。
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線通信技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)成為高速無線個(gè)人網(wǎng)(WPAN)的首選技術(shù)。一方面，由于它具有高數(shù)據(jù)率(可達(dá)100Mbit/s-1Gbit/s)、低功耗和低費(fèi)用等特點(diǎn)，為無線通信的發(fā)展開辟了新的機(jī)遇；另一方面，由于它占用極寬的帶寬，與其他通信系統(tǒng)共享頻段，給干擾、兼容等相關(guān)領(lǐng)域的研究帶來了挑戰(zhàn)。UWB技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化主要在致力于無線個(gè)人網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)化工作的IEEE 802.15框架內(nèi)進(jìn)行。
UWB最初的定義是來自于20世紀(jì)60年代興起的脈沖通信技術(shù)，又稱為脈沖無線電(Impulse Radio)技術(shù)。與在當(dāng)今通信系統(tǒng)中廣泛采用的載波調(diào)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，所以又稱為基帶傳輸(Baseband Transmission)或無載波(Carrierless)技術(shù)。脈沖UWB技術(shù)的脈沖長(zhǎng)度通常在亞ns量級(jí)，信號(hào)帶寬經(jīng)常達(dá)數(shù)GHz，比任何現(xiàn)有的無線通信技術(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(guó)國(guó)防部稱為超寬帶技術(shù)。傳統(tǒng)脈沖UWB信號(hào)通常具有很小的(10-2～10-3)占空比，這決定了UWB設(shè)備的平均發(fā)射功率很低，甚至是現(xiàn)有的藍(lán)牙(Bluetooth)系統(tǒng)發(fā)射功率的1/100-1/1000。
如此低的發(fā)射功率帶來了諸多好處：
(1)UWB系統(tǒng)的發(fā)射功率可以降到背景噪聲的水平，因此可以與其他無線通信系統(tǒng)“安靜的共存”；
(2)極低的發(fā)射功率使UWB設(shè)備具有很低的能耗，功率放大器通常可以被省去，因此UWB設(shè)備具有很低的成本。
(3)極低的發(fā)射功率使UWB信號(hào)很難被監(jiān)聽，從而具有良好的保密性。
根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)數(shù)年前的定義，UWB系統(tǒng)應(yīng)該是相對(duì)帶寬(帶寬與中心頻率之比)大于0.25或帶寬超過1.5GHz的系統(tǒng)。最近FCC又修正了對(duì)UWB技術(shù)的定義，規(guī)定相對(duì)帶寬大于0.2或帶寬超過500MHz的系統(tǒng)都可看作UWB系統(tǒng)。這種更寬泛的定義使某些傳統(tǒng)無線通信技術(shù)也開始被考慮作為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(fù)用(OFDM)、直接序列CDMA(DS-CDMA)3種方案，后來多頻帶方案與OFDM方案融合，從而形成了多頻帶OFDM(MB-OFDM)和DS-CDMA兩大方案競(jìng)爭(zhēng)的格局。這兩種方案都在對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)后滿足了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(zhǎng)到4MHz。而DS-CDMA采用了超過1Gcps的碼片速率，與傳統(tǒng)CDMA技術(shù)幾百kcps的碼片速率有很大區(qū)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(tǒng)應(yīng)用中存在一個(gè)與其他通信系統(tǒng)的共存和兼容的重要問題。由于超寬帶系統(tǒng)使用很寬的頻帶，因此與很多其他的無線通信系統(tǒng)頻段重疊。雖然從理論上說超寬帶系統(tǒng)的發(fā)射功率譜密度很低，應(yīng)能和其他系統(tǒng)“安靜地共存”，但在實(shí)際應(yīng)用中超寬帶系統(tǒng)對(duì)其他系統(tǒng)的兼容性還需要實(shí)驗(yàn)證明，特別是超寬帶系統(tǒng)的工作機(jī)理和特性還有很多不清楚的方面，比如超寬帶系統(tǒng)的帶外干擾問題，即超寬帶設(shè)備也有可能對(duì)其工作頻段之外的無線系統(tǒng)產(chǎn)生一定的干擾，這部分干擾還很難用理論計(jì)算的方法準(zhǔn)確估計(jì)。
4、RFID技術(shù)
RFID(Radio Frequency Identification，無線射頻識(shí)別)是一種非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其基本原理是利用射頻信號(hào)和空間耦合(電感或電磁耦合)傳輸特性實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。RFID技術(shù)的應(yīng)用最早可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期英國(guó)的空軍基地，近年來隨著微電子、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)的應(yīng)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(xiàng)技術(shù)的綜合發(fā)展，包括芯片技術(shù)、天線技術(shù)、無線技術(shù)、電磁傳播技術(shù)、數(shù)據(jù)交換與編碼技術(shù)等。一套典型的RFID系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、讀寫器和信息處理系統(tǒng)組成。電子標(biāo)簽與讀寫器配合完成對(duì)被識(shí)別對(duì)象的信息采集功能；信息處理系統(tǒng)則根據(jù)需求承擔(dān)相應(yīng)的信息控制和處理工作。與傳統(tǒng)的識(shí)別方式相比，RFID技術(shù)無需直接接觸、無需光學(xué)可視、無需人工干預(yù)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(zhǎng)、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、可以加密和更改等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)線自動(dòng)監(jiān)測(cè)、商品庫存管理、物流、零售、售后服務(wù)等領(lǐng)域。
根據(jù)工作頻率的不同，RFID系統(tǒng)大體分為中低頻段和高頻段兩類，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(tǒng)的工作距離不同，應(yīng)用的領(lǐng)域也有差異。低頻段的RFID技術(shù)主要應(yīng)用于動(dòng)物識(shí)別、工廠數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)等領(lǐng)域；13.56MHz的RFID技術(shù)已相對(duì)成熟，并且大部分以IC卡的形式廣泛應(yīng)用于智能交通、門禁、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(guó)國(guó)防部用于物流托盤追蹤管理；而RFID技術(shù)中當(dāng)前研究和推廣的重點(diǎn)是高頻段的860-960MHz的遠(yuǎn)距離電子標(biāo)簽，有效工作距離達(dá)到3-6m，適用于對(duì)物流、供應(yīng)鏈的環(huán)節(jié)進(jìn)行管理；2.45GHz和5.8GHz RFID技術(shù)以有源電子標(biāo)簽的形式應(yīng)用在集裝箱管理、公路收費(fèi)等領(lǐng)域。
目前RFID主要應(yīng)用于封閉市場(chǎng)。例如，低頻RFID系統(tǒng)主要在門禁管理、動(dòng)物的跟蹤和管理、生產(chǎn)線自動(dòng)化及過程控制等領(lǐng)域應(yīng)用，高頻RFID系統(tǒng)主要在車輛自動(dòng)識(shí)別、高速公路收費(fèi)、大宗貨物跟蹤和監(jiān)控等領(lǐng)域應(yīng)用。下一階段將積極促進(jìn)RFID技術(shù)進(jìn)入開放的物流領(lǐng)域，使用電子標(biāo)簽逐步替代商品條形碼的作用，并與因特網(wǎng)結(jié)合形成物聯(lián)網(wǎng)。
縱觀當(dāng)前全球RFID技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用情況，美國(guó)在其國(guó)防部和沃爾瑪?shù)却笮瓦B鎖企業(yè)積極推動(dòng)下，不論在RFID標(biāo)準(zhǔn)的建立、相關(guān)軟硬件技術(shù)的開發(fā)、各種獨(dú)立應(yīng)用，還是物流應(yīng)用均走在世界的前列：在產(chǎn)業(yè)方面，TI、Intel等美國(guó)集成電路廠商目前都在RFID領(lǐng)域投入巨資進(jìn)行芯片開發(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等也在積極開發(fā)相應(yīng)的軟件及系統(tǒng)來支持RFID的應(yīng)用。歐洲的英國(guó)和德國(guó)的零售企業(yè)也已經(jīng)開展了RFID系統(tǒng)的試驗(yàn)，很多歐洲企業(yè)都在積極進(jìn)行RFID芯片、讀寫器產(chǎn)品的開發(fā)。日本已在圖書館管理、工業(yè)制造等領(lǐng)域開始應(yīng)用RFID技術(shù)，政府制定E-Japan和U-Japan計(jì)劃，指導(dǎo)企業(yè)對(duì)RFID在物流領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)、測(cè)試和應(yīng)用試驗(yàn)，鼓勵(lì)企業(yè)嘗試RFID在開放系統(tǒng)中的應(yīng)用。
5、結(jié)束語
802.16、UWB和RFID等技術(shù)是目前無線接入領(lǐng)域的熱點(diǎn)，它們分別在寬帶無線城域網(wǎng)、寬帶個(gè)人網(wǎng)和無線識(shí)別等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(shì)，但距離成熟廣泛的商業(yè)應(yīng)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(xù)努力。
