發(fā)布時間：2023-06-29 16:31:44
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的無線通信研究樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
關鍵詞：3G 無線通信系統(tǒng) 礦井通信
中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（a）-0051-01
針對小靈通于2011年底退網(wǎng)后面臨的技術、設備維護缺失的情況，近幾年雖然出現(xiàn)了部分可替代的無線移動通訊，但通訊網(wǎng)絡的質量和信息應用一直滯后于其他行業(yè)，為了切實發(fā)揮第三代移動通信對我國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的促進作用，為煤礦安全生產(chǎn)提供新的通信手段，開展3G無線通信系統(tǒng)的研究和應用勢在必行。
1 目前煤礦井下無線通訊主
1.1 井下無線通訊與急救系統(tǒng)
主要作為緊急救災時及時通知人員撤離的救災設備，由于受巖層穿透因地質結構不同而有遠近，達到的效果不同，因此，各煤礦企業(yè)推廣使用較少。
1.2 礦井泄漏通訊系統(tǒng)
對講機通過基地臺和泄漏電纜傳輸，實施一對N的通話功能。由于受通訊信道和泄漏電纜長度的限制，目前以大巷電機車的調度為主，不能將其作為覆蓋全礦井的無線通訊系統(tǒng)進行推廣。
1.3 礦井多功能無線通信系統(tǒng)
現(xiàn)有礦井內(nèi)的多功能無線通信系統(tǒng)主要分為兩個類型，一種是采用CDMA技術，另一種是采用基于城市無線PHS（小靈通）技術。該類型多功能無線通信系統(tǒng)針對礦區(qū)井下作業(yè)環(huán)境和安全生產(chǎn)要求，對有線電話用戶、無線電話用戶混合組網(wǎng)、統(tǒng)一編號，實現(xiàn)礦區(qū)移動用戶、固定用戶的統(tǒng)一調度和指揮，并實現(xiàn)礦區(qū)移動通信網(wǎng)與公眾移動通信網(wǎng)的匯接聯(lián)網(wǎng)。
在2005年我國誕生了第一套礦井無線通訊系統(tǒng)（礦井小靈通），目前很多大中礦井都建設了小靈通無線調度通信系統(tǒng)，對于加強煤礦安全生產(chǎn)管理，消除事故隱患起到了積極作用。在2009年1月我國3G牌照正式發(fā)放后，工信部明確要求，所有1900～1920 MHz頻段無線接入系統(tǒng)應在2011年底前完成清頻退網(wǎng)工作，以確保不對1880～1900 MHz頻段TD-SCDMA系統(tǒng)產(chǎn)生有害干擾。這意味著，很多礦井中目前使用的小靈通無線調度通信系統(tǒng)將伴隨著小靈通（PHS）無線市話網(wǎng)絡的整體退網(wǎng)在一年后停止使用。
2 3G無線通信系統(tǒng)應用背景
隨著國家發(fā)展3G移動通訊的需要，小靈通所占用的無線頻段已讓位給TD-SCDMA移動通信，按國家相關部門規(guī)定關于完成小靈通的清頻退網(wǎng)工作。目前小靈通核心技術制造商UT斯達康和中興通訊已停止生產(chǎn)小靈通相關設備，礦用小靈通設備供貨存在很大問題;并且到小靈通無線頻段的收回，使用小靈通也存在非法使用無線頻段的政策層面問題。由此可見，3G無線通信系統(tǒng)的研究與應用勢在必行。
3 3G無線通信系統(tǒng)目標與實施原則
煤礦井下3G無線移動寬帶網(wǎng)絡包括地面部分和井下兩個部分。地面局端設備采用了高性能的綜合接入控制器（EIAC）、它可以實現(xiàn)“小靈通”系統(tǒng)的語音通話交換功能，還可以實現(xiàn)調度電話功能。公網(wǎng)交換機（PBX）可以通過N0.7與EIAC相連，實現(xiàn)本系統(tǒng)與固定電話網(wǎng)的互通，井下無線基站控制箱通過2芯礦用通信光纜傳輸后與EIAC相連。井下無線基站通過2芯礦用通信電纜（U口）與礦用無線基站控制箱相連。礦用“小靈通”與基站之間采用基于RCR STD-28標準的無線鏈路。
系統(tǒng)夠架呈樹形結構，EIAC為一級目錄，可接入多臺地面和井下多臺基站。
在礦井主要工作場所，有針對性安裝無線基站。根據(jù)地形可采用定向天線（或泄露天線），全數(shù)字式系統(tǒng)：音質好、保密、安全、可靠。合理配置無線移動手機和簡易定位器，做到井下主要場所的無線信號的基本覆蓋。利用該無線移動通信系統(tǒng)研制推廣煤礦井下人員定位管理系統(tǒng)。具有小靈通基本通話功能基礎上，還具有調度系統(tǒng)功能。系統(tǒng)可以提供強大的排隊、調度、會議功能;實現(xiàn)廣播、調度緊急呼叫分機;調度群呼、組呼;強插、強拆;呼叫轉接、保留、切換、代答等功能。結合老區(qū)礦井的實際情況，研究基站布放的合理地點，以及信號覆蓋的合理范圍。
該系統(tǒng)建成后，除了為煤礦井下生產(chǎn)調度提供清晰可靠的通話業(yè)務外，還可以實現(xiàn)以下功能。
（1）解決井下動態(tài)視頻的傳送。利用無線移動寬帶通信網(wǎng)絡的強大平臺，結合3G手機的功能，解決井下動態(tài)視頻圖像的實時傳送，為安全生產(chǎn)調度提供實時的現(xiàn)場動態(tài)圖像。
（2）解決井下動態(tài)人員定位。利用無線移動寬帶通信網(wǎng)絡的定位功能，開發(fā)用于煤礦應用的人員定位系統(tǒng)，為緊急情況下的人員救護提供準確可靠的動態(tài)人員信息。
（3）解決瓦斯的實時報警。利用無線移動寬帶通信網(wǎng)絡的多媒體功能，開發(fā)用于煤礦瓦斯監(jiān)測的實時報警及圖像傳送。
（4）解決井下無線集群通信。利用無線移動寬帶網(wǎng)絡結合3G手機，解決井下無線集群通信。
4 3G無線通信系統(tǒng)效益分析
煤礦井下3G無線通信系統(tǒng)必將為全國煤炭行業(yè)乃至其他井下作業(yè)的非煤礦山行業(yè)的建設推廣創(chuàng)造良好條件，為井下無線通信業(yè)務的開展開辟新天地。該項目只需在井下部署一套基站，即可實現(xiàn)無線語音、人員定位、語音廣播等系統(tǒng)功能，省去了部署人員定位基站、語音廣播等基站的硬件投入，一個煤礦以60個基站計算，可直接節(jié)約硬件成本200余萬，在全國2萬多家30萬噸以上的煤礦推廣，可直接節(jié)約投資500億。該項目的不單單解決了語音通信問題，更關鍵的是它在井下建設了一條無線高速公路，在此基礎上可開展物聯(lián)網(wǎng)建設，進行人員定位建設、無線視頻建設、井下設備點檢、井下車輛控制、井下自動化信息傳遞、井下辦公等業(yè)務，實現(xiàn)信息化的集成，其隱形效益單礦在500萬以上，在煤炭行業(yè)推廣開來可產(chǎn)生上千億的間接效益，并且可以在其他非煤礦井進行推廣。該項目的建設，不但可以節(jié)省投資，實現(xiàn)信息集成，加強作業(yè)人員的協(xié)作，而且會對推動兩化進程，加快井下物聯(lián)網(wǎng)的建設，進而對實現(xiàn)工業(yè)化與信息化的兩化融合產(chǎn)生深遠意義。
參考文獻
[1] 張大超.基于無線通信的煤礦安全信息移動終端的實現(xiàn)[D].南京理工大學，2009.
[2] 雷燕.小靈通無線通信系統(tǒng)在煤礦井下的應用[J].煤礦機械，2006（1）：160-161.
【關鍵詞】無線；電網(wǎng)通信；技術分析
中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：1006-0278（2012）06-132-01
一、概述
電力通信網(wǎng)是為了保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行應運而生的。它同電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)、調度自動化系統(tǒng)被人們合稱為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的三大支柱。我國的電力通信網(wǎng)經(jīng)過幾十年風風雨雨的建設，已經(jīng)初具規(guī)模，通過衛(wèi)星、微波、載波、光纜等多種通信手段構建而成為立體交叉通信網(wǎng)。隨著無線通信技術的發(fā)展，無線通信系統(tǒng)的特性發(fā)生巨大的變化。鑒于采用無線通信網(wǎng)不依賴于電網(wǎng)網(wǎng)架，且抗自然災害能力較強，同時具有帶寬大、傳輸距離遠、非視距傳輸?shù)葍?yōu)點，非常適合彌補目前通信方式的單一化、覆蓋面不全的缺陷。本文簡單介紹一下無線通信傳輸體制的應用特點和優(yōu)缺點，并分析其在電力系統(tǒng)的應用前景。
二、無線技術介紹
（一）無線通信技術的概念
目前，無線通信及其應用已成為當今信息科學技術最活躍的研究領域之一。其一般由無線基站、無線終端及應用服務器等組成。
（二）無線通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀
無線通信技術按照傳輸距離大致可以分為以下四種技術，即基于IEEE802.15的無線個域網(wǎng)（WPAN）、基于IEEE802.11的無線局域網(wǎng)（WLAN）、基于IEEE802.16的無線城域網(wǎng)（WMAN）及基于IEEE802.20的無線廣域網(wǎng)（WWAN）。
總的來說，長距離無線接入技術的代表為：GSM、GPRS、3G；短距離無線接入技術的代表則包括：WLAN、UWB等。按照移動性又可以分為移動接入和固定接入。其中固定無線接入技術主要有：3.5GHz無線接入（MMDS）、本地多點分配業(yè)務（LMDS）、802.16d；移動無線接入技術主要包括：基于802.15的WPAN、基于802.11的WLAN、基于802.16e的WiMAX、基于802.20的WWAN。按照帶寬則又可分為窄帶無線接入和寬帶無線接入。其中寬帶無線接入技術的代表有3G、LMDS、WiMAX；窄帶無線接入技術的代表有第一代和第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)。
1.主流無線通信技術
從技術發(fā)展的趨勢可以看出，以OFDM+MIMO為核心的無線通信技術將成為未來無線通信發(fā)展的主流方向。而目前基于該技術的無線通信技術主要有：B3G、WiMAX、WiFi、WMN等4種技術。
2.其他無線通信技術
除了上述主流的無線通信技術外，目前已存在的無線通信技術還包括：IrDA、Bluetooth、RFID、UWB、集群通信等短距離通信技術及LMDS、MMDS、點對點微波、衛(wèi)星通信等長距離通信技術。
（1）IrDA：Infrared Data Association，是點對點的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通信距離一般在0～1m之間，傳輸速率最快可達16Mbps，通信介質為波長900納米左右的近紅外線。
（2）Bluetooth：Bluetooth工作在全球開放的2.4GHzISM頻段，使用跳頻頻譜擴展技術，通信介質為2.402GHz到2.480GHz的電磁波。
（3）RFID：Radio Frequency Identification，即射頻識別，俗稱標簽。它是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)。RFID由標簽、解讀器和天線三個基本要素組成。
（4）UWB：Ultra Wideband，即超寬帶技術。UWB通信又被稱為是無載波的基帶通信，幾乎是全數(shù)字通信系統(tǒng)，所需要的射頻和微波器件很少，因此可以減小系統(tǒng)的復雜性，降低。
三、無線技術綜合比較
目前無線通信領域各種技術的互補性日趨鮮明。這主要表現(xiàn)在不同的接入技術具有不同的覆蓋范圍、不同的適用區(qū)域、不同的技術特點、不同的接入速率。3G可解決廣域無縫覆蓋和強漫游的移動性需求，WLAN可解決中距離的較高速數(shù)據(jù)接入，而UWB可實現(xiàn)近距離的超高速無線接入。
首先，從標準化程度上看，本報告所涉及的技術中，僅僅WMN技術沒有成熟的標準體系，LMDS、MMDS、集群通信均有多種標準，只是沒有統(tǒng)一的國際標準，其余的技術均已經(jīng)完成標準化工作，并且都進行了試驗網(wǎng)建設和商業(yè)網(wǎng)建設。
從頻率上看，Wi-Fi技術、WMN均使用的是開放頻段，WiMax技術、3G技術等其他技術使用的是授權頻段。
從覆蓋范圍上看，Wi-Fi技術、WMN技術屬于局域網(wǎng)無線接入技術，僅覆蓋35m～100m；WiMax技術、3G技術、LMDS技術、MMDS技術、集群通信屬于城域網(wǎng)接入技術，覆蓋范圍在1km～54km不等，而衛(wèi)星通信、點對點微波則屬于廣域網(wǎng)技術，通常用于通信主干組網(wǎng)建設。
從傳輸速率上看，點對點微波和衛(wèi)星通信屬于干線傳輸技術，不同的情況速率變化較大，而其余的技術均為接入技術，僅僅是3G技術接入速率最小，僅為384k，而其余技術均為幾十M甚至上百M的速率。
從調制技術上看，其中WiFi技術、WiMax技術、WMN、3G技術均采用最新的調制技術OFDM，其余的技術均未采用OFDM調制技術。
從天線技術上看，僅僅3G和WiMax技術采用了MIMO技術，而其他技術均未采用MIMO技術；從傳輸環(huán)境上看，僅僅WiMax技術和3G技術支持非視距傳輸，其余技術均要求視距傳輸環(huán)境；從網(wǎng)絡安全和QoS機制上看，WiMax技術和3G技術在這方面做得比較優(yōu)秀、完善，其余的均存在較大的問題。
關鍵詞：無線通信；互調干擾；同頻干擾；抗干擾
1 抗干擾技術的研究背景
伴隨著無線通信應用范圍的不斷擴大，無線通信技術已經(jīng)融入到我們生活，然而通信條件卻受到各種因素的影響，有些地區(qū)的通信條件甚至可以用極端惡劣來形容，其中最常見的干擾有互調干擾、同頻干擾，對于通信工作者來說如何根據(jù)這些干擾所產(chǎn)生的機理，來采取有效的抗干擾措施，進而提高通信網(wǎng)絡的質量，增強通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，提高抑制提高抑制信道干擾的能力，同時增大了系統(tǒng)容量這是通信中的重要課題。
2 無線通信抗干擾技術研究現(xiàn)狀
2.1 當前無線通信網(wǎng)絡傳播環(huán)境
目前無線通信傳播環(huán)境非常復雜，原因有以下幾點：
第一，無線通信信號的傳播路徑復雜。不僅有視距傳播中的路徑損耗，而且傳播過程中要面臨著復雜的地理環(huán)境，比如城市高層建筑群、山地、丘陵等等所以就會導致接收端在接收無線信號時，往往是經(jīng)過可信道畸變的信號，并且疊加了各種的干擾，造成通信信號質量下降。第二，無線通信通道是對范圍內(nèi)的所有無線設備開放的，這就使的各種無線通信系統(tǒng)和無線通信設備共存其中。如果衰落或干擾強度很高，無線信號達到接收端時可能存在兩種狀態(tài)：（1）通信鏈路中的干擾信號相對于期望信號很大，使得接收信號相對于干擾很微弱。（2）由于路徑損耗和多徑衰落，接收信號本身已經(jīng)非常微弱。
2.2 互調干擾
2.2.1 互調干擾類型
互調干擾是指幾個不同頻率的信號通過非線性電路時，會產(chǎn)生與有用信號頻率相同或相近的頻率組合，而對通信系統(tǒng)構成的一種干擾，常見的互調干擾有，發(fā)射機互調干擾、接收機互調干擾、外部效應引起的互調干擾。
（1）發(fā)射機互調干擾。發(fā)射機互調干擾是指由于其他信道的發(fā)射信號或RF共用器件耦合到發(fā)射機末級與本機，發(fā)射信號在功放電路中相互調制而產(chǎn)生新的頻率組合，隨同有用信號一起發(fā)射出去，對接收機形成干擾。
（2）接收機互調干擾。在接收機的前端電路中，同時兩個偏離接收頻率的干擾信號同時侵入接收機時，由于高頻放大器和變頻器的非線性，使其調制而產(chǎn)生互調頻率，互調頻率落入接收機頻帶內(nèi)造成的干擾。
（3）外部效應引起的互調干擾。在發(fā)射端的傳輸電路中，常常會因為反饋線接頭、天線等接點的接觸效果不好，或者在傳輸過程中異種金屬的接觸導致非線性的干擾，在強射頻電場中起到檢波的作用從而產(chǎn)生互調干擾。由外部效應引起的互調干擾特性比較復雜，可能會因為氣候的變化而產(chǎn)生的干擾程度也不盡相同。
解決互調干擾的方法很多，傳統(tǒng)的解決方法是試探法。試探法是先給定幾種方案，然后用無線端口的響應情況從而測出互調干擾的量級，再通過測量實際的數(shù)據(jù)給子系統(tǒng)給予一定補償或者通過降低天線間耦合度方面進行完善，主要是通過改變天線的布局來實現(xiàn)。
2.2.2 減少發(fā)射機互調干擾采取的措施
（1）加強發(fā)射機和天線饋線的匹配度。（2）在發(fā)射機和天線之間，可通過插入單向隔離器或者是單向隔離器與腔體濾波期的組合器件降低干擾。（3）完善發(fā)射機末級功放的性能，提高發(fā)射機線性動態(tài)范圍。（4）在規(guī)劃和建設設計臺站時，應根據(jù)互調干擾的程度選用無三階互調工作頻率組。
2.2.3 減少接收機互調干擾采取的措施
（1）接收機輸入回路應有良好的選擇性，如采用多級調諧回路，以減少進入高效的強干擾。（2）高放和混頻器宜采用具有平方律特性的器件，如結型場效應管。（3）接收機前端加入衰減器，降低干擾信號電平。
2.2.4 減少外部效應引起的互調干擾
在施工和平日檢修過程中，應重點注意插件的接觸性，特別是發(fā)信機的高頻濾波器、射頻避雷器、天線等關鍵器件的接觸性，注意檢查系統(tǒng)外的異種金屬的干擾產(chǎn)生非線性干擾，注意保護設備的玩好性，暴露室外的設備應涂防銹涂料。
2.3 同頻干擾
凡是無用信號的載頻與有用信號的載頻相同，并對接收同頻道有用的信號的接收機造成干擾的都稱為同頻干擾。協(xié)調解決同頻干擾的方法也有多種，常用的有降低發(fā)射機功率、接收機靈敏度，降低天線高度或增益，更換工作頻率，相鄰發(fā)射臺的載頻采用2/3行頻（10KHz）偏置，可降低對同頻保護度要求等等。
3 無線通信系統(tǒng)抗干擾技術概述
在對無線通信系統(tǒng)抗干擾技術研究的過程中，其中最重要的問題就是如何衡量算法或系統(tǒng)的性能。一般情況下衡量算法性能的方法有以下三種：①首先進行理論分析，從而獲得算法和系統(tǒng)性能的理論表達式。此方法的優(yōu)點是，結果是通過理論分析得來的，準確率高，而且具有普遍意義。缺點是約束條件比較多，在復雜環(huán)境下不適用。②通過計算機仿真軟件進行仿真分析。優(yōu)點是操作起來簡單實用，能過模擬實際的通信環(huán)境，也可以降低成本，缺點是仿真時間長，仿真過程中隨機過程的場景模型不能很好的重現(xiàn)實際場景。③通過測試床或者實現(xiàn)硬件平臺，從而測得實際的數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計學分析。優(yōu)點大大降低時間，統(tǒng)計的數(shù)據(jù)量大，能過很好的重現(xiàn)實際通信場景，結果直觀。缺點成本高，測試周期比較長。一般結合算法或系統(tǒng)實現(xiàn)階段的驗證。
4 抗干擾技術的多核并行處理方法的系統(tǒng)模型建立
考慮基于稀疏矩陣的多核并行擾碼無線收發(fā)信機，圖1給出了其通信鏈路。發(fā)射機對比特流b（i）進行基于稀疏矩陣的多核并行加擾，具體步驟為：首先對輸入信號進行串并轉換，并將N路信號分別送入對應序號的處理器核；在單個處理器核內(nèi)，對輸入信號進行加擾處理；然后將N路并行擾碼輸出并串轉換得到d（i）。d（i）經(jīng)過調制，產(chǎn)生發(fā)射信號s（t）。發(fā)射信號經(jīng)過無線信道到達接收機。接收機對接收信號r（t）進行信道均衡，得到發(fā)射信號s（t）的估計值s（t）%；然后解調得到比特流d（i）的估計值d%（i）；最后經(jīng)過基于稀疏矩陣的多核并行解擾恢復出比特流b（i）的估計值b%（i）。
5 結束語
如今通信技術在迅猛發(fā)展，同樣通信環(huán)境也在日益嚴峻，通信網(wǎng)絡內(nèi)部和外部的干擾在不斷的變化，研究人員只有不斷創(chuàng)新技術水平采用先進的抗干擾技術，才能夠使得無線通信網(wǎng)絡的安全通暢可靠。
參考文獻
[1]曾一凡，李暉.擴頻通信原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.
關鍵詞：ZigBee技術；IEEE802.15.4；無線通信
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：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是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以滿足對小型廉價設備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制[1]。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通信技術的名稱[2]。Zigbee過去稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術。
2 ZigBee的技術特點
ZigBee是一種無線連接，可工作在2.14GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術，ZigBee具有如下特點[3]：
（1）低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。
（2）成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5―2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。
（3）時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應用。
（4）網(wǎng)絡容量大：一個星型結構的Zigbee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡，而且網(wǎng)絡組成靈活。
（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。
（6）安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。
3 ZigBee的協(xié)議模型
ZigBee是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準。在標準規(guī)范的制訂方面，主要是IEEE802.15.4小組與ZigBee聯(lián)盟兩個組織，兩者分別制訂硬件與軟件標準。在IEEE802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負責制訂MAC（媒體接入層）與PHY（物理層）規(guī)范。ZigBee建立在802.15.4標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱領。ZigBee協(xié)議棧的模型如圖1所示：
圖1 ZigBee協(xié)議棧模型圖
ZigBee的協(xié)議棧由高層應用規(guī)范、應用層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層組成[4]。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE負責物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準的制定。下面分別介紹應用層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層各部分的功能：
（1）、應用層主要負責把不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡上，具體功能包括：1）安全與鑒權；2）多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的匯聚；3）設備發(fā)現(xiàn)；4）業(yè)務發(fā)現(xiàn)。
（2）網(wǎng)絡層功能如下：1）通用的網(wǎng)絡層功能，包括拓撲結構的搭建和維護，命名和關聯(lián)業(yè)務，尋址、路由和安全；2）有自組織、自維護功能，最大程度減少消費者的開支和維護成本。
（3）IEEE802系列標準把數(shù)據(jù)鏈路層分成LLC和MAC兩個子層。其中LLC子層的主要功能包括：1）傳輸可靠性保障和控制；2）數(shù)據(jù)包的分段與重組；3）數(shù)據(jù)包的順序傳輸。MAC協(xié)議包括功能如下：1）設備間無線鏈路的建立、維護和結束；2）確認模式的幀傳送和接收；3）通道接入控制；4）幀校驗；5）預留時隙管理；6）廣播信息管理。
4 ZigBee的應用場合：
Zigbee主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)。根據(jù)設想，它的應用目標主要是：工業(yè)控制（如自動控制設備、無線傳感器網(wǎng)絡），醫(yī)護（如監(jiān)視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計量及報警），消費類電子設備的遙控裝置、PC外設的無線連接等領域。
一般而言，滿足如下一些特點的應用場合，是ZigBee應用極具優(yōu)勢的地方[5]：
（1）需要無線通信交換信息的低成本裝置；
（2）數(shù)據(jù)的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸?/p>
（3）功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長時間；
（4）需要多個（尤其是大量）設備組成無線通信網(wǎng)絡，主要進行監(jiān)測和控制的場合。
下面就ZigBee的可能應用的幾個領域舉例加以說明：
（1）工業(yè)領域：
通過ZigBee網(wǎng)絡自動收集各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與分析，以利工廠整體信息之掌握，例如火警的感測和通知，照明系統(tǒng)之感測，生產(chǎn)機臺之流程控制等，都可由ZigBee網(wǎng)絡提供相關信息，以達到工業(yè)與環(huán)境控制的目的。
（2）數(shù)字家庭領域：
ZigBee技術可以應用于家庭的照明、溫度控制等。ZigBee模塊可以安裝在燈泡、遙控器、玩具、門禁系統(tǒng)、空調系統(tǒng)和其它家電產(chǎn)品中。例如在燈泡中裝置ZigBee模塊，則人們要開燈，就不需要走到墻壁開關處，直接通過遙控器便可開燈。再如你家里的每一個成員都可以有一個私人的電子輪廓（可以是一個小小的符合ZigBee標準的器件），其他器件都可以通過檢測此輪廓而有所反應。現(xiàn)在，假如附近沒有其他輪廓或者你的輪廓具有最高優(yōu)先級，那么家里的燈光、溫度、音樂和網(wǎng)站都將自動按照你的喜好自動設置。
（3）智能交通領域：
如果沿著街道、高速公路及其他地方分布式地裝有大量的ZigBee終端設備，你就不用擔心迷路。安裝在汽車里的器件將告訴你，你當前所處的位置。全球定位系統(tǒng)（GPS）也能提供類似服務，但是這種新的分布式系統(tǒng)能向你提供更精確更具體的信息。使用這種系統(tǒng)，也可以跟蹤公共交通情況，你可以適時地趕上下一班車，而不至于在車站等上數(shù)十分鐘。基于Zigbee技術的系統(tǒng)還可以開發(fā)出許多其他功能，例如在不同街道根據(jù)交通流量動態(tài)調節(jié)紅綠燈，追蹤超速的汽車或被盜的汽車等。
（4）環(huán)境控制與醫(yī)療護理領域：
人類始終面臨著各種威脅生命的因素，如火災、水災和地震等，所以，人類也一直在構建挽救生命的系統(tǒng)。但目前已有的許多系統(tǒng)實際上不是非常有效的，有些太復雜、太昂貴，難以普及；有些因為電池迅速耗盡而很快不能工作；有些缺乏生命挽救系統(tǒng)最為關鍵的聯(lián)網(wǎng)能力。由于具備連接簡單器件（如傳感器和激活器等）的能力，ZigBee無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)能監(jiān)視各種事件，當需要時自動采取相應的行動。作為一個為低速率、低成本和低功耗應用而設計的全球標準，ZigBee無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)很有希望應用于上述情況。
5 與其他幾種無線通信技術的比較：
目前，市場上的近距離無線通信技術主要有藍牙、無線局域網(wǎng)WiFi和一些專用標準（如Ad hoc網(wǎng)等）的產(chǎn)品。一些大公司為開拓市場和應用領域，也在積極研究和制定一些新的無線組網(wǎng)通信技術標準，如超寬帶通信UWB和WiMax等。下面對這些技術作一些簡要介紹和比較[6]：
藍牙技術發(fā)展從1999年起已經(jīng)歷了多個年頭，一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。目前主要應用在無線耳機等不需要很高傳輸帶寬的領域，且互通性方面也存在問題。
WiFi在Intel的大力支持下，借迅馳處理器迅速占領市場；采用IEEE802.11b標準，使用2.4GHz直接序列擴頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mbps，并可根據(jù)信號強弱把傳輸率調整為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps帶寬；采用最新的802.11g時，速率可達54Mbps，是目前應用最廣的無線網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。
UWB是一種未來短距離寬帶無線傳輸技術。由于未采用通常無線收發(fā)中的載波調制技術，因此它不需要混頻、過濾和射頻/中頻轉換模塊，實現(xiàn)了低成本、低功耗和高帶寬性能。目前有兩大技術陣營競爭技術標準，預期的通信距離5～10m，速率甚至可高達1Gbps，非常適合于家用消費電子產(chǎn)品之間的大容量數(shù)據(jù)傳輸。
作為WiFi下一代技術的WiMax，被設想成一項無線城域網(wǎng)接入技術，在傳輸距離和速度方面均勝過WiFi，最高接入速率為70Mbps，信號傳輸半徑可達到50km。圖2是以上幾種無線通信技術的速率/距離比較。
從圖2中看出，主要的無線技術都集中在1Mbps以上的速率，新的標準還在追求更快的速率；而Zigbee恰恰是填補低速率端無線通信技術的空缺，與其他標準在應用上幾乎無交叉。在實際應用環(huán)境中，低速率、低成本的無線通信在自動控制、無線傳感器網(wǎng)絡、家居自動化等諸多領域更貼近日常生活，同樣具有廣泛的市場。從現(xiàn)今的市場看，每一種無線通信技術的產(chǎn)品都有各自的一些特點，或在距離、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段時間內(nèi)，雖然會有一些競爭，但仍會有多種無線通信技術的產(chǎn)品在市場上共存。
圖2 無線通信技術比較
6 結束語
本文闡述了ZigBee技術的概念、特點、協(xié)議模型以及相關應用，并與其他一些無線通信技術如藍牙、WiFi、UWB、WiMax做了對比。無線組網(wǎng)通信是當今工業(yè)控制、家庭自動化、計算機應用等方面技術發(fā)展的一個熱點，而低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡要求令ZigBee應運而生。ZigBee技術可以通過結合其他無線技術，實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡。這也顯示出ZigBee具有超強的生命力和優(yōu)勢，應用前景十分看好，值得廣大嵌入式應用的技術人員關注。相信隨著相關技術的發(fā)展和推進，ZigBee技術一定會得到更大的應用。
7 致謝
本文研究得到了國家自然科學基金重點項目（70531020）資助，在此謹表謝意。
參考文獻：
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收稿日期：2008-01-12
UWB技術，也稱為超寬帶無線通信技術，顧名思義其帶寬很寬，并且遠大于現(xiàn)在所采用的窄帶信號，是一種通過極短的脈沖信號進行通信的技術，由于其時域持續(xù)時間一般在納秒級別，故其帶寬可以達到數(shù)Hz甚至數(shù)GHz，所以在現(xiàn)代高速率傳輸?shù)沫h(huán)境中，超寬帶技術因其通信速率高，通信容量大等優(yōu)點從軍用技術轉為了民用技術，成為了現(xiàn)代短距離無線通信的關鍵技術之一。FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）將帶寬大于500MHz或相對帶寬大于20%的信號定義為超寬帶信號[1]，其中，相對帶寬定義為帶寬與中心頻率之比，亦即：其中fH指單個用戶發(fā)射的信號的上限頻率，而fL則指的是該信號的下限頻率。
2兩種技術方案比較
到目前為止，超寬帶無線技術主要有兩種技術方案：傳統(tǒng)UWB和基于傳統(tǒng)OFDM技術的多帶UWB（MB-OFDM-UWB）。傳統(tǒng)UWB方案采用的是發(fā)射傳輸脈沖信號來傳輸信息，亦即用戶利用多個窄帶脈沖信號來傳送其發(fā)射的同一個原始比特信息。由于脈沖持續(xù)時間較短，所以在頻域上來看，其信號帶寬很寬，進而可以實現(xiàn)無載波的調制，使發(fā)射端無需射頻等環(huán)節(jié)，減少了實際設備的復雜度，但是脈沖的可控性較差，因此會對其他一些通信設備造成干擾。目前，在超寬帶系統(tǒng)中，脈沖的調制方式有：PAM（也稱作脈沖振幅調制）、PPM（即脈沖位置調制）、OOK（二進制開關鍵控）以及BPSK（二進制相移鍵控），而由于PPM調制的功率效率較高以及PAM調制的性能優(yōu)勢，在UWB系統(tǒng)中一般采用PPM和PAM兩種調制方式。而由WiMedia提出的MB-OFDM-UWB技術方案則是采用多頻帶調制方式，采用單個子帶的OFDM信號作為發(fā)射信號，利用OFDM的高頻帶利用率，同時將多個頻率子帶并行發(fā)送，可以避開某些頻帶，實現(xiàn)方式更加靈活。但是該方案利用了正交頻分復用技術而放棄了超寬帶系統(tǒng)中典型的脈沖形式，導致其消耗功率要高于傳統(tǒng)的UWB方案，也缺少了傳統(tǒng)UWB的高保密性和穿透能力強的特點。所以在現(xiàn)在的研究中仍是傳統(tǒng)的UWB系統(tǒng)占主導地位。傳統(tǒng)UWB方案中很多技術方案和CDMA等3G技術方案具有一致性，比如信號擴頻碼的使用、調制方式以及檢測方法等，這里擴頻序列的使用主要時用于多址識別，這是較方案不同的一點，傳統(tǒng)的CDMA中擴頻碼除了多址識別更多的是要用來擴展頻譜，所以在UWB方案中擴頻碼的設計也是研究的方向和熱點。傳統(tǒng)超寬帶無線技術方案一般分為TH-UWB和DS-UWB兩種。所謂TH-UWB（跳時超寬帶）是指利用偽隨機噪聲序列原始數(shù)據(jù)重復編碼后的信息進行編碼，而編碼后的數(shù)據(jù)符號引起脈沖在時間軸上的偏移，也就是通過跳時碼來選擇要發(fā)送信號的碼片區(qū)間；而DS-UWB（直序超寬帶）則是編碼后的數(shù)據(jù)符號對基本脈沖的幅度進行正負極性的調制。由于現(xiàn)在的通信環(huán)境需要的是大容量，亦即實現(xiàn)多用戶傳輸，而在多用戶的環(huán)境下，若采用多用戶檢測方法，TH-UWB可以獲得更大的處理增益，所以重點介紹TH-UWB技術。
3跳時超寬帶技術
在跳時超寬帶系統(tǒng)中，由于脈沖調制方式的不同，又主要可以分為2種，即PPM-TH-UWB（基于脈沖位置調制的跳時超寬帶）和PAM-TH-UWB（基于脈沖振幅調制的跳時超寬帶）。其中PPM-TH-UWB是指在跳時超寬帶系統(tǒng)的基礎上利用PPM實現(xiàn)信號在時間軸上的移動，具體實現(xiàn)為：當發(fā)送信號為1時，會產(chǎn)生PPM移位，反之，當發(fā)送信號為0時則沒有PPM移位，這直接導致發(fā)送的數(shù)據(jù)信息是通過PPM位移來區(qū)分的。而PAM-TH-UWB則是在TH的基礎上改變窄帶脈沖的幅度，當假設發(fā)送信號為1時脈沖的極性為正，則當發(fā)送為0時則與其相反，即脈沖在極性上是相反的，同樣在該系統(tǒng)中發(fā)送的數(shù)據(jù)比特是靠脈沖的幅度極性來區(qū)分的。在二進制TH-UWB系統(tǒng)中，PPM調制與PAM調制在系統(tǒng)性能上不相上下，而且一般的研究都是可以進行通用的，但是隨著調制進制的增加，PAM調制的跳時系統(tǒng)性能將越來越差，誤碼率也越來越大，反之PPM調制下的跳時系統(tǒng)性能則良好，所以在工程中較多使用PPM調制下的跳時系統(tǒng)，這里也主要介紹PPM調制下的跳時超寬帶系統(tǒng)。（1）其中，p(t)為用于超寬帶系統(tǒng)中的高斯脈沖波形，一般采用高斯脈沖的二階導；Ts表示幀長，也指幀周期；cj表示偽隨機序列，在此，0≤c≤M-1,Mj表示M進制Tc；為碼片長度，則有Ts=MTc；NS表示每個比特信息由多少個脈沖組成，Tb表示傳輸信息比特時間，則有Tb=NSTS，cjTc表示由跳時序列引起的位移，aj表示PPM調制引起的位移，是一個常數(shù)，aj表示經(jīng)過重復編碼器后的二進制序列。通常PPM調制引起的位移控制在一個碼片時間內(nèi)?？傊?，PPM-TH-UWB技術利用了脈沖信號占空比很小的特點，將每一個信息比特時間劃分成L個脈沖持續(xù)時間（也指幀周期），然后將每一個幀周期劃分成N個碼片時間（碼片時間為最小的時間單位），接著每個用戶利用各自對應的獨立的隨機跳時序列在N個碼片時間中選擇一個作為脈沖發(fā)射位置，以此類推，最后發(fā)送到無線信道。在接收端則利用與期望用戶相同的跳時碼進行跟蹤接收。若跳時碼之間的正交性沒有破壞，則脈沖之間不會發(fā)生沖突，從而避免了多用戶干擾。但是在無線信道環(huán)境中，信號必然會經(jīng)過多徑衰落，從而在接收端引起各個用戶的偽隨機序列正交性嚴重破壞，造成多用戶干擾，導致即使在系統(tǒng)的信噪比很高的情況下，系統(tǒng)性能仍然會受到嚴重的影響，故在TH-UWB系統(tǒng)中研究多用戶檢測算法也是未來的一個發(fā)展方向。
4UWB應用領域與未來發(fā)展方向
FCC定義了三種UWB系統(tǒng)：成像系統(tǒng)、通信與測量系統(tǒng)、車載雷達系統(tǒng)[3]。這導致了UWB系統(tǒng)的應用領域非常廣泛，宏觀上來說，主要有三個方面：通信、定位、雷達成像。在通信方面，UWB是一種短距離高速無線傳輸?shù)募夹g，有良好的抗多徑干擾性能，所以在礦井、巷道等通信環(huán)境較差的受限空間中有廣泛的應用。同時UWB有望取代USB線纜，實現(xiàn)高速無線數(shù)據(jù)傳輸。在定位方面，由于較高的分辨率，UWB具有很高的定位精度，能夠實現(xiàn)精確測量。例如在軍用系統(tǒng)中，可以用來探測地雷，也可制成成像雷達，從而定位隱藏的敵人；在民用中主要應用在汽車防碰雷達系統(tǒng)（車載UWB雷達）上。在雷達方面，主要以穿墻雷達為主。UWB信號由于具有超寬的頻譜，因此可以提高信號穿透障礙物的能力，例如UWB穿墻成像技術是利用窄帶脈沖信號穿過一定厚度的墻壁，通過設置在成像設備上的信息屏幕，獲取墻壁另一側的物體（運動）信息，誤差很低[4]。UWB技術由于是使用脈沖來作為信息載體的，沒有使用正弦信號作為載波，所以并不需要中頻處理，簡化了系統(tǒng)的模型，實現(xiàn)方便簡單，而且由于發(fā)送的是占空比很低的脈沖信號，所以使得所需的發(fā)射功率不需要很大，實現(xiàn)低功率傳輸。同時由于UWB信號的平均功率很小，帶寬很寬，所以發(fā)射信號常常被隱藏在噪聲等信號中難以檢測，實現(xiàn)保密、低截獲/檢測率傳輸。UWB技術的優(yōu)勢使得其在無線通信方面有很廣闊的發(fā)展前景。UWB技術大大提高無線頻譜資源利用率的優(yōu)點使得無線通信變得更加敏捷。當下主要有兩個大的方向，一是認知超寬帶系統(tǒng)（是將認知技術和超寬帶技術相互結合的產(chǎn)物）；二是基于協(xié)作模式的UWB定位技術。與其他國家相比，我國在UWB技術的研究上起步較晚，仍處于需要進一步研發(fā)的狀態(tài)，所以促進UWB技術的全面發(fā)展，有助于我國在該研究領域獲得自主知識產(chǎn)權等具有很大的意義。
5結語
本文介紹了UWB超寬帶無線通信系統(tǒng)的定義及技術方案，并詳細分析了TH-UWB技術以及UWB的應用領域與發(fā)展方向。可見超寬帶無線通信系統(tǒng)的優(yōu)勢彌補了現(xiàn)代無線通信在民用上的不足。盡管UWB的發(fā)展充滿了坎坷，但是其在軍事、公共安全等領域有著巨大的應用潛力，更甚者有望取代藍牙等作為新一代的短距離無線通信技術被用于人們生活的各個領域。
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關鍵詞：無線通信技術；物理層安全技術
中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）04-0017-02
1 引言
無線通信技術的快速發(fā)展和廣泛應用，豐富了人們的日常工作和生活，尤其在軍事通信應用領域，極大地提高了戰(zhàn)場的通信能力和作戰(zhàn)水平。然而，由于無線通信信道的固有的廣播性、開放性以及傳輸鏈路的不穩(wěn)定性，使得無線通信系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的有線通信系統(tǒng)更加容易受到非法用戶的偵查、截獲和監(jiān)聽，帶來傳輸數(shù)據(jù)失泄密問題。近幾年來，發(fā)生的“棱鏡門”、“小米移動云泄密”、“金雅拓SIM卡竊密”等事件，無不印證著信息安全在無線通信領域的重要性。因此，設計安全、高效且可靠的無線通信系統(tǒng)在涉及國家安全、戰(zhàn)場通信、商業(yè)機密等應用場景中，將起著舉足輕重的作用，安全通信技術的創(chuàng)新和發(fā)展是增強國防現(xiàn)代化水平，提高國與國之間競爭力的重要途徑，得到了國際社會的密集關注和重視。
傳統(tǒng)的安全技術采用以密鑰管理、數(shù)字簽名、身份認證等技術為主的密碼學體制，其安全機制建立在計算密碼學方法的基礎上，借鑒計算機網(wǎng)絡中上層協(xié)議的設計來保證信息的安全。傳統(tǒng)的安全技術主要依靠破解生成密鑰需要極高的計算復雜度來保證加密算法的有效性，然而，隨著計算能力的提高和信息傳輸場景的多樣化，傳統(tǒng)的密鑰體制日益受到挑戰(zhàn)，其局限主要表現(xiàn)在以下幾方面：1） 隨著計算機性能的大幅提升，特別是量子計算機的出現(xiàn)，以計算復雜度為理論基礎設計的現(xiàn)代密碼學加密算法存在著安全隱患；2） 由于無線網(wǎng)絡中信息傳播的廣播特性和系統(tǒng)中終端設備的移動性，使得密鑰的在線分發(fā)、維護和管理更加困難；3）隨著傳統(tǒng)網(wǎng)絡呈現(xiàn)出的多樣性、異構性以及用戶與用戶之間交流、用戶與基站之間交流的頻繁性等特點，傳統(tǒng)的加密方式無法發(fā)揮有效的作用。因此，探索一種新的安全傳輸技術來克服傳統(tǒng)安全技術的不足，構建更加科學完善的密碼體制是一個極具研究價值的課題。
近期，物理層安全技術（Physical Layer Security， PLS）的提出，為無線通信安全問題的解決開辟了新的方向，其核心思想是從信息論的角度而非僅僅通過增加計算復雜度來保證網(wǎng)絡的信息安全。物理層安全技術利用無線傳輸鏈路的動態(tài)特性，依靠信號處理、天線、編碼調制等物理層手段，在避免竊聽方獲取信息的同時，提供給通信方可靠的、安全可量化的通信，是解決無線通信系統(tǒng)中安全問題的一個新思路，具有廣闊的研究和應用前景。
2 物理層安全技術
物理層安全的研究主要從兩個方面進行著手：一是基于信號處理的物理層安全，二是基于安全編碼的物理層安全。物理層安全編碼是實現(xiàn)安全傳輸?shù)幕A，其通過主竊信道之差，從信息論的角度，來避免信息的竊聽，在主信道傳輸質量優(yōu)于竊聽信道傳輸質量時，可以從理論上確保完美的安全傳輸；另一方面，通過信號處理手段，可以有效利用無線通信系統(tǒng)的各種資源來進一步地提高主竊鏈路的差異性，為安全編碼的實現(xiàn)提供堅實的基礎。本文著重從信號處理的角度，對物理層安全相關的技術進行介紹和展望，其主要包括多天線分集技術、協(xié)作干擾技術和全雙工技術等等。
2.1 多天線分集技術
隨著無線多入多出（MIMO）技術的應用，終端往往具有多根發(fā)送和接收天線。多天線技術主要利用空間自由度來實現(xiàn)安全。對于發(fā)送端的多天線技術，主要有最大比傳輸（MRT）、空時編碼傳輸（OSTBC）和發(fā)送天線選擇（TAS）等方案。最大比魘浼際跤殖莆波束成型技術，其通過對多跟發(fā)射天線進行系數(shù)的加權處理，增強接收端的信號強度；空時編碼技術則利用發(fā)端多天線帶來的空間維度和信息傳輸?shù)臅r間維度來提高信息傳輸?shù)陌踩煽啃?；發(fā)送天線選擇技術通過選擇最優(yōu)的一根發(fā)射天線，使得接收端收到的瞬時信噪比最大，而該最優(yōu)天線對于竊聽用戶端而言卻是隨機的，從而使得主信道質量優(yōu)于竊聽信道質量。在這三種技術中，由于發(fā)送天線選擇僅僅需要單個射頻鏈路，其復雜度最低，因而得到了廣泛的研究。文獻[1]分析了發(fā)送天線相關時，利用天線選擇來實現(xiàn)物理層安全的性能；文獻[2]中研究了信道信息反饋不完全情況下的安全性能分析；文獻[3]則考慮在無線瞬時攜能多入單出系統(tǒng)中，天線選擇和信道信息反饋不完全情況下的安全傳輸，從上述文獻中可以看到，天線選擇技術可以有效地提高系統(tǒng)的物理層安全傳輸能力。
對于接收端的天線分集，由于每根天線均收到信號的一個副本，可以利用多天線技術如最大比合并（MRC）、選擇合并（SC）和等增益合并（EGC）等相關技術來提高終端的接收能力，從而提高合法鏈路的傳輸質量。
圖 1所示為多入多出無線通信系統(tǒng)中，發(fā)端和收端天線數(shù)目對系統(tǒng)安全傳輸能力的示意圖，從圖中可以看到，隨著發(fā)端天線選擇數(shù)目的增加，系統(tǒng)安全傳輸能力明顯提高，而終端天線數(shù)目的增加則進一步地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>
2.2 協(xié)作干擾技術
協(xié)作干擾技術是實現(xiàn)物理層安全傳輸?shù)闹匾侄沃?，在不影響合法終端正常通信的前提下，通過在傳輸信道的零空間上疊加人工噪聲和干擾信號來擾亂竊聽節(jié)點對信號的接收。人工噪聲或者干擾信號可以分別在發(fā)送端[4]、接收端[5]和協(xié)作終端[6]上進行疊加。文獻[4]在多入單出無線通信系統(tǒng)中，利用發(fā)端天線在傳輸信息的同時，發(fā)送干擾信號來提高傳輸?shù)陌踩阅?，并研究了系統(tǒng)功率分配的優(yōu)化問題和傳輸方案的安全吞吐量。文獻[5]在放大轉發(fā)中繼系統(tǒng)中，利用目的節(jié)點發(fā)送干擾來實現(xiàn)安全通信，并通過干擾功率分配的優(yōu)化，實現(xiàn)最優(yōu)的安全傳輸；文獻[6]中考慮不完全信道狀態(tài)信息的條件下，研究了多天線協(xié)作干擾機輔助的安全傳輸性能。
通過以上文獻可以發(fā)現(xiàn)，協(xié)作干擾技術惡化了竊聽信道傳輸質量，同時也避免了對合法用戶的干擾，能夠有效地滿足信息的安全可靠傳輸。從圖 2中也可以發(fā)現(xiàn)，隨著主竊鏈路差異的增大，安全傳輸能力不斷提高，而干擾機和發(fā)送天線數(shù)目的增加都可以提高系統(tǒng)的安全性。
2.3 基于信道估計的物理層安全技術
前面所述的多天線技術和協(xié)作干擾技術，都是利用主竊鏈路信號的差異來實現(xiàn)安全，這些技術都是在信號傳輸階段起作用；而信號傳輸之前往往需要先對信道狀態(tài)信息進行估計?？梢?，通過干擾、限制竊聽用戶對信道狀態(tài)信息的估計能力，可以惡化竊聽用戶在數(shù)據(jù)傳輸階段的有效信噪比以及對信息的破譯能力，因此，差異化信道估計（DCE）也是實現(xiàn)物理層安全的重要手段之一。當前針對DCE的研究主要有反饋與再訓練DCE方案[7]和雙向訓練方案[8]。
文獻[7]中在多入多出信道中，設計了合法用戶與竊聽用戶之間差異化信道質量的估計方案，該方案中通過巧妙地將人工噪聲合理地加入到訓練信號的零空間中，并優(yōu)化合法用戶的信道估計性能，限制竊聽用戶的估計能力，提升了系統(tǒng)的傳輸安全性。該方案的不足在于信道估計過程需要多個階段的反饋與在訓練，使得數(shù)據(jù)幀報頭過長，效率低下；為此，文獻中[8]對文獻[7]的方法進行了改進，提出了雙向訓練的方案，其利用目的節(jié)點而不是基站來發(fā)送初始訓練信號，竊聽用戶收到的信號僅僅包含合法用戶到竊聽用戶之間的信息，而不是基站到竊聽用戶之間的信息，從而巧妙地避免了竊聽端對初始訓練階段的估計。
3 總結與展望
本文比較了傳統(tǒng)安全傳輸技術與物理層安全技術的差異性，研究了物理層中的多天線分集技術、協(xié)作干擾技術和基于信道估計的物理層安全技術。隨著研究的不斷深入，物理層安全技術仍然有很大的提升空間，首先，物理層安全技術實現(xiàn)的基礎是安全編碼，如何設計優(yōu)異的碼字對于提升安全通信能力非常重要；其次，多天線靈活的天線配置，為安全傳輸提供了額外的自由度，合理地設計天線和發(fā)送功率的配置，可以進一步地優(yōu)化系統(tǒng)的安全傳輸能力；最后，當前研究主要是針對被動竊聽的場景，而對于主動竊聽和攻擊模式時，現(xiàn)有的安全傳輸方案往往比較脆弱，探索跨層聯(lián)合傳輸方案來保障無線通信系統(tǒng)的安全傳輸，將具有非常重要的研究意義和現(xiàn)實價值。
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【關鍵詞】無線傳感器 GPRS 數(shù)據(jù)收集 數(shù)據(jù)分析
1 無線傳感網(wǎng)絡在日常生活中的應用
1.1 Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡
Zigbee網(wǎng)絡是當代最熱的物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)的終端，因而具有操作簡單，使用方便，價格低廉，可靠安全的特點。Zigbee是一種無線自組網(wǎng)技術，同時IEEE802.15.4系列標準由Zigbee聯(lián)盟制定。它提供SMT與DIP接口，可直接連接TTL接口設備，使其數(shù)據(jù)能很好的傳輸；低功耗的特性使得它的最低功耗小于1mA；并且有六路I/O口，輸入輸出更方便。它主要應用于自動控制與遠距離監(jiān)控方面，能讓很多設備嵌入，更好的組建一個無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。簡而言之，Zigbee是一種價格低廉，功耗低的無線短距離組網(wǎng)技術。
1.2 無線傳感技術在動物監(jiān)護方面的應用
無線傳感網(wǎng)絡是新興的傳感網(wǎng)絡，引領者數(shù)據(jù)傳輸?shù)母镄?。當今大?shù)據(jù)時代的到來，為它的發(fā)展和應用提供了更加廣闊的空間。它在交通業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及環(huán)境監(jiān)測方面等都有很好的應用。最近幾年在動物監(jiān)護方面的應用也日益廣泛。由于它不需要布線，可以省去很多的人力、物力，減少資金的投入；對于地域的要求也存在靈活性，能很好的實現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)通信，安裝方便也是它的一大特性。
2 無線傳感系統(tǒng)對藏羚羊的監(jiān)測與控制
2.1 系統(tǒng)的組成
在這個無線傳感系統(tǒng)中，包含監(jiān)控中心的上位PC機、熱釋電紅外傳感器、反射式光電傳感器、無線節(jié)能監(jiān)控結點、報警系統(tǒng)等組成。首先無線傳感技術能實時監(jiān)控藏羚羊的狀態(tài)，無線通信技術能實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時的傳遞到PC機上，同時把指令信息傳遞給個個基站的PC機和無線傳感器，讓無線傳感器能重置，開始新的數(shù)據(jù)傳遞。從而實現(xiàn)監(jiān)控中心對其它基站和藏羚羊的網(wǎng)絡化管理。對于無線傳感模塊，用的是TI公司的CC2431芯片為主控芯片，還有無線傳感器射頻發(fā)射和接收設備組成。在藏羚羊的身上安裝熱釋紅外傳感器和反射式光電傳感器可以很好的監(jiān)測藏羚羊的體溫、心率和位置，能夠使得監(jiān)控中心的人們能夠追蹤藏羚羊每年的遷徙和一些生活習性，還有盜獵的人如果獵殺藏羚羊，可以通過熱釋電紅外線傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)及時定位藏羚羊的位置信息，能更好的保護藏羚羊。
其次，無線遠程通信模塊解除了距離對于無線傳輸數(shù)據(jù)的限制，能夠更穩(wěn)定、完整地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息和監(jiān)控中心的指令。
2.2 監(jiān)控中心對于數(shù)據(jù)的收集和分析
藏羚羊由于活動范圍廣，我們可以通過無線傳感器傳輸數(shù)據(jù)到上位PC機，這些數(shù)據(jù)制作成一個表，記錄藏羚羊經(jīng)?；顒拥姆秶瑥亩玫貙嵤┍Ｗo措施。通過移動GPRS網(wǎng)絡為用戶提供透明TCP無線遠距離數(shù)據(jù)傳輸或者透明UDP無線遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋１O(jiān)控中心在接到數(shù)據(jù)以后要完成數(shù)據(jù)備份，以防止系統(tǒng)故障造成的數(shù)據(jù)丟失，多數(shù)據(jù)的傳遞要完成同步，進而對數(shù)據(jù)很好地收集和分析；它同時能完成高速、穩(wěn)定、可靠的TCP/UDP透明數(shù)據(jù)傳輸功能。
3 工作原理
欲監(jiān)測和保護藏羚羊，就要建立一個完善的控制管理系統(tǒng)。首先藏羚羊自身的體溫和心跳的信息轉化成虛擬信息傳遞到無線傳感器，經(jīng)過A/D轉換把虛擬信息轉化為數(shù)字信息，運用GPRS技術傳遞到一些基站，這些基站通過信息的整合后，傳遞給監(jiān)控中心，該系統(tǒng)根據(jù)藏羚羊的心跳和體溫來判斷其位置和是否安全。傳感器設置最高的體溫和最低的體溫，最大的心跳頻率和最小的心跳頻率；CC2431完成信息的轉換，GPRS無線通信完成數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)信息進行收集和分析，給出一些判斷。
熱釋電紅外傳感器和反射式光電傳感器有四種測量信號報警上限信號Ps，報警下限信號Px，正常上限信號Pu，正常下限信號Pd。這四個測量信號把藏羚羊的安全分為三個區(qū)域。
安全區(qū)：Pd
警戒區(qū)：P>Ps ；
危險區(qū)：P
（1）若藏羚羊的心跳和體溫大于正常下限小于報警上限或者大于報警下限小于正常下限，說明藏羚羊在正常的活動，它們是安全的；
（2）若藏羚羊的心跳和體溫大于它的報警上限，這說明藏羚羊有兩種可能，一種是藏羚羊大規(guī)模的遷徙；另一種是受到盜獵人的追趕，在拼命地逃生。
（3）若藏羚羊的心跳和體溫小于報警下限，這說明藏羚羊有危險，盜獵人獵殺了藏羚羊死以后溫度下降，這時需要最近的藏羚羊保護人員采取相應的措施保護它。
通過傳感器傳遞的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)藏羚羊保護的及時性和有效性，同時減少了資金的投入、能源的消耗。因為藏羚羊是恒溫動物，它會根據(jù)外部的溫度調節(jié)自身的體溫一直維持在相對穩(wěn)定地范圍內(nèi)，這樣不管是白天還是夜晚都能夠無偏差的監(jiān)測藏羚羊的安全情況。還能夠通過藏羚羊的活動路線和范圍，使得人們對于藏羚羊的遷徙和生活范圍有更精確地了解和認識，也有利于在遷徙的過程中和生活的范圍內(nèi)，實施一些人為的保護措施。
4 結論
本文運用了當代最先進的無線通信系統(tǒng)來監(jiān)測和研究藏羚羊，對于藏羚羊的保護起到了關鍵的作用。無線通信系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡化管理，不用布線，就能完成傳感器到監(jiān)控中心PC計算機的數(shù)據(jù)信息傳輸，由于其能實現(xiàn)復雜、高效的監(jiān)控，因此增加了應用的范圍。伴隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，無線通信系統(tǒng)能更廣泛的應用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、運輸業(yè)等。無線通信系統(tǒng)的推廣和應用，對于未來的科研和社會效益都能帶來巨大的優(yōu)勢。
參考文獻
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作者簡介
張金良（1987-），男，河南省駐馬店市人。大學2013級碩士研究生。研究方向為計算機網(wǎng)絡與信息安全。
關鍵詞：LTE；地面無線通信；民航通信；調度
1 研究背景
民用機場地面通訊發(fā)展，經(jīng)歷了兩個階段。從原始的手勢通訊指揮，過渡到電子通訊指揮。上世紀90年代，模擬集群系統(tǒng)開始興起。當時語音集群業(yè)務已經(jīng)可以滿足通信組內(nèi)快速通信的需求，在指揮調度中發(fā)揮重要作用，90年代中期，模擬集群技術已經(jīng)在我國的軍隊、公安、交通等多個領域廣泛應用。2001年，我國建設了第一張TETRA網(wǎng)絡，隨后TETRA在中國取得了很好的發(fā)展。但是，隨著社會的發(fā)展，行業(yè)用戶對多媒體調度、多任務并發(fā)、實時數(shù)據(jù)處理等實時綜合業(yè)務需求愈加強烈，迫切需要新一代的無線通信接入技術來滿足多媒體調度的需求。
2 LTE地面無線通信技術介紹
2.1 LTE地面無線通信技術概況
LTE無線通信技術英文名稱是Long Term Evolution，長期演進技術。是基于UMTS/HSPA和EDGE/GSM的新一代的通信網(wǎng)絡技術。LTE通信技術是基于IP的網(wǎng)絡結構，是原來的GPRS核心分組網(wǎng)的替代物。同時，由于LTE的兼容特性，可以向UMTS、CDMA2000和GSM等較舊的網(wǎng)絡提供數(shù)據(jù)和語音的無縫切換，所以LTE也被叫做核心分組網(wǎng)演進。LTE之所以可以提升無線網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)傳輸能力和數(shù)據(jù)傳輸速度，主要得益于LTE借助新調制方法和新技術。LTE通信技術主要可以分為TDD和FDD兩種制式。LTE可以提供高速移動的通信需求，得益于LTE支持廣播流和多播技術。LTE的頻譜增效是3G增強技術的2-3倍，因為LTE是以MIMO（多入多出技術）和OFDM（正交頻分復用技術）為基礎的。LTE-Advanced（LTE增強技術）是國際電信聯(lián)盟認可的第四代移動通信標準。
2.2 LTE地面無線通信技術的基本架構
LTE地面無線通信技術的結構主要分為兩個網(wǎng)元，演進型分組核心網(wǎng)（EPC，Evolved Packet Core）和演進型Node B（eNode B，Evolved Node B）。LTE地面無線通信系統(tǒng)只存在分組域。其中，eNode B主要負責接入網(wǎng)，也稱作演進型UTRAN（E-UTRAN，Evolved UTRAN）；移動管理實體（MME，Mobility Management Entity）負責信令處理；演進型分組核心網(wǎng)（EPC，Evolved Packet Core）負責核心網(wǎng)；服務網(wǎng)管（S-GW，Serving Gateway）主要負責數(shù)據(jù)處理，如圖1所示。
2.3 LTE地面無線通信技術接口協(xié)議
LTE地面無線通信技術的空中接口是E-UTRAN，有以下一些基本特性：
（1）支持TD（時分雙工）和FDD（頻分雙工）通信，同時支持無線連接的時分半雙工通信。
（2）強化支持高速移動的移動通信，可以支持終端在高達
500km＼h的移動速度下在不同頻段下使用網(wǎng)絡服務。
（3）節(jié)省電力，LTE上傳技術采用SC-FDMA，下載技術采用
OFDMA技術。
（4）延遲低，LTE地面無信通信技術支持較短的建立連接和交
接的準備時間，最佳狀態(tài)下，小IP包甚至低于5ms延遲。
（5）數(shù)據(jù)傳輸速度高，在E-UTRAN技術、20Mhz頻段和4×4天線的配合下，峰值上傳速率高達75Mbit/s，峰值下載速率高達299Mbit/s。
LTE地面無線通信技術的控制平面協(xié)議：
LTE地面無線通信技術的控制平面主要負責QoS保證、最后的資源釋放、無線連接的建立、用戶無線資源的管理，見圖2：
NAS（Non-Access Stratum，非接入層）、MAC（Media Access Control，媒體接入控制子層）、RLC（Radio Link Control，無線鏈路控制子層）、PDCP（Packet Date Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚子層）、RRC（Radio Resource Control，無線資源控制子層）等共同組成LTE地面無線通信技術控制平面協(xié)議棧。其中，NAS（非接入子層）和RRC（無線資源控制子層）實現(xiàn)了控制平面的主要功能。NAS（非接入層）控制協(xié)議實體主要負責非接入層的控制和管理，位于MME（移動管理實體）和UE（終端）里。實現(xiàn)了以下功能：安全控制、產(chǎn)生LTE-IDLE狀態(tài)下的尋呼信息、鑒權和承載管理等。
3 LTE地面無線通信系統(tǒng)在民航通信業(yè)務中的應用
3.1 地面無線通信系統(tǒng)的安全性
APN專線安全接入：
APN指一種網(wǎng)絡接入技術，決定了終端上網(wǎng)時通過哪種接入方式來訪問網(wǎng)絡。APN具體結構和業(yè)務走向圖如圖3所示。P-GW和單位CE（單位4G接入路由器）置入同一MPLS VPN內(nèi)，使網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)三層互通，之后P-GW和單位CE（單位4G接入路由器）之間建立GRE隧道，此時P-GW和單位CE（單位4G接入路由器）邏輯上相當于直連。P-GW為用戶分配地址，P-GW將LTE終端地址路由到用戶接入路由器，下一跳為單位CE（單位4G接入路由器）的GRE接口，單位CE設置回指路由，下一跳為P-GW的GRE隧道口。實現(xiàn)LTE終端和用戶接入路由器的互聯(lián)互通，之后再在兩個互聯(lián)互通的IP之間實現(xiàn)業(yè)務或者業(yè)務通過硬件級的IPSEC加密。（此部署根據(jù)情況自行配置）
3.2 地面無線通信系統(tǒng)在安全生產(chǎn)中的應用
3.2.1 地面多媒體調度應用方案概述
此方案為基于LTE無線通信系統(tǒng)部署的調度平臺。如圖4所示，核心機房部署有調度平臺服務器、交換機，運營商路由器。用戶手中的LTE終端通過運營商的LTE網(wǎng)絡與核心機房的服務器進行通信，服務器建立地域A與地域B之間的通信鏈路，地域A與地域B之間進而建立通信。出于安全性的考慮，機房與用戶之間的通信還可以通過APN專線進行安全通信。核心機房集中對地域A以及地域B的用戶進行管理，地域A與地域B的通信數(shù)據(jù)保存在核心機房服務器上。
由此可見，基于LTE地面無線通信調度系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：
（1）終端功能多樣化，智能化、IP化。地面調度不僅有語音功能，而且還可以滿足新形勢下的新業(yè)務需要，語音調度、視頻調度以及數(shù)據(jù)傳輸可以同時進行；
（2）可以實現(xiàn)終端加密和空中加密，通過通訊審計，將語音、視頻保存在核心機房。杜絕無法審計或審計無法朔源的情況發(fā)生；
（3）可通信范圍更加廣闊，只要有運營商信號的地方就可以進行通信，目前運營商的信號覆蓋已經(jīng)相當廣泛；
（4）可拓展性強，除了多媒體調度應用之外，核心服務器還可以開發(fā)其他相關應用供用戶使用。
3.2.2 系統(tǒng)健壯性
處于系統(tǒng)健壯性方面的考慮，在核心機房，可以部署冗余備份。例如，雙服務器熱備份，同時部署兩臺交換機，實現(xiàn)業(yè)務高可用性。與此同時，對于運營商的選擇，可以同時選擇兩家運營商互為鏈路備份保障，從而保障系統(tǒng)可以安全可靠運行。
