第4章無線個(gè)域網(wǎng)

1、第4章 無線個(gè)域網(wǎng)內(nèi)容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)4.3 藍(lán)牙技術(shù)4.4 ZigBee技術(shù)4.1 概述n 手機(jī)、PC機(jī)、汽車、音響、電視、微波爐、電冰箱等消費(fèi)類產(chǎn)品非常普及，人們希望有一種短距離、低成本、小功耗的無線通信方式，實(shí)現(xiàn)不同功能單一設(shè)備的互聯(lián)，提供小范圍內(nèi)設(shè)備的自組網(wǎng)機(jī)制，并通過一定的安全接口完成自組小網(wǎng)與廣域大網(wǎng)的互通。 n 無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network，WPAN，簡(jiǎn)稱無線個(gè)域網(wǎng))技術(shù)就是一種滿足上述應(yīng)用需求的小范圍無線連接、微小網(wǎng)自主組網(wǎng)的通信技術(shù)。 無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù) n藍(lán)牙(Blue Tooth) n紅外線通信（

2、IrDA） n家庭射頻（HomeRF） n超寬帶（UWB） nZigbee n近場(chǎng)通信（NFC）藍(lán)牙技術(shù)n藍(lán)牙技術(shù)是一種支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的短距離無線通信技術(shù)。極大地推動(dòng)了WPAN的發(fā)展。n藍(lán)牙最基本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是微微網(wǎng)（Piconet），由主設(shè)備單元和從設(shè)備單元組成。主設(shè)備單元負(fù)責(zé)提供時(shí)鐘同步信號(hào)和跳頻序列，在一個(gè)微微網(wǎng)中，所有設(shè)備均采用同一跳頻序列。一個(gè)微微網(wǎng)中從設(shè)備單元最多可有7個(gè)。IrDA技術(shù)nIrDA技術(shù)是目前幾種技術(shù)中市場(chǎng)份額最大的，已安裝了至少5000萬個(gè)單元。采用紅外線作為通信媒介，支持各種速率的點(diǎn)到點(diǎn)的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，主要應(yīng)用在嵌入式的系統(tǒng)和設(shè)備中。HomeRF

3、nHomeRF由HomeRF任務(wù)組開發(fā)，是在家庭區(qū)域內(nèi)在PC和用戶電子設(shè)備文章實(shí)現(xiàn)無線數(shù)字通信的開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。工作在2.4GHz頻段，支持語(yǔ)音和數(shù)據(jù)，有效范圍50m，傳輸速率為1M或2Mb/s。UWBnUWB是一種新技術(shù)，其概念類似于雷達(dá)，在很寬的頻段內(nèi)傳送短脈沖，將信息調(diào)制到脈沖的時(shí)間和頻率上。其高性能和低功耗的優(yōu)點(diǎn)使得它將成為未來市場(chǎng)上強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者之一。無線USB（WUSB）就使用了UWB無線通信技術(shù)，使物理層數(shù)據(jù)速率達(dá)到了480Mb/s，而且功能低，范圍可達(dá)10m。ZigBeenZigBee是一種新興的短距離、低功率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)提案。n它有

4、自己的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微波的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。n低功耗、接力傳輸，通信效率高。近場(chǎng)通信（NFC）n 近場(chǎng)通信（NFC）是一個(gè)超短距離的無線通信技術(shù)，它是用磁場(chǎng)感應(yīng)使得兩個(gè)設(shè)備物理接觸的，在幾厘米范圍內(nèi)的設(shè)備通信。是一項(xiàng)實(shí)現(xiàn)消費(fèi)電子設(shè)備之間互聯(lián)的技術(shù)而出現(xiàn)，從無連接識(shí)別技術(shù)（如RFID）和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合發(fā)展而來，目標(biāo)是通過自動(dòng)連接和配置實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)連接。n NFC與標(biāo)準(zhǔn)RF無線通信的本質(zhì)區(qū)別在于：RF信號(hào)是在收發(fā)設(shè)備之間傳送，標(biāo)準(zhǔn)的RF通信，如Wi-Fi，被稱為“遠(yuǎn)場(chǎng)”通信，因?yàn)橥ㄕ摼嚯x與它的天線尺寸關(guān)系較大；近場(chǎng)通信是兩個(gè)設(shè)備文章的直接磁場(chǎng)或者電場(chǎng)的耦合來實(shí)現(xiàn)的，而不是通過無

5、線電波在自由空間的傳播。內(nèi)容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)4.3 藍(lán)牙技術(shù)4.4 ZigBee技術(shù)4.2 IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn) IEEE 802.15工作組是IEEE針對(duì)無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)而成立的，開發(fā)有關(guān)短距離范圍的WPAN標(biāo)準(zhǔn)。 4.2.1 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成n 802.15.1是以既有藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，制定藍(lán)牙無線通信規(guī)范的一個(gè)正式標(biāo)準(zhǔn)。n 802.15.2工作組目的是要802.11和802.15開發(fā)共存的推薦規(guī)范。n 802.15.3工作組的興趣在開發(fā)對(duì)比于802.11設(shè)備是低成本和低功耗的設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)上。該工作組關(guān)注于高數(shù)據(jù)率的WPAN的開發(fā)。應(yīng)用實(shí)例見教材。n 80

6、2.15.3a的目標(biāo)是要在使用同樣的MAC層上提供比802.15.3更高的數(shù)據(jù)率。110Mb/s或更高。n 802.15.4工作組則開發(fā)了一個(gè)非常低成本、非常低功耗的比802.15.1數(shù)據(jù)率要低的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。研究可維持多個(gè)月到多年的電池壽命且復(fù)雜性很低的低數(shù)據(jù)率的解決方案。 IEEE802.15協(xié)議體系結(jié)構(gòu) WLAN與WPAN 內(nèi)容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)4.3 藍(lán)牙技術(shù)4.4 ZigBee技術(shù)n IEEE802.15.1的基礎(chǔ)，源于1994年愛立信公司的一項(xiàng)研究，旨在在移動(dòng)電話及其附件之間探求一種新的低功耗、低成本的空中接口。n 1998年5月，4家公司聯(lián)合成立藍(lán)牙特殊

7、利益集團(tuán)(SIG) n 1999年7月SIG公布藍(lán)牙規(guī)范1.0版 n 1999年12月公布藍(lán)牙規(guī)范1.0b版n 2001年4月公布1.1版n 2003年11月公布1.2版本n 2004年8月公布2.0版本 n 短距離無線藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)嵌入到了許多消費(fèi)裝置中，從筆記本電腦、手機(jī)到汽車都可以看到藍(lán)牙的蹤影。很多操作系統(tǒng)都增加了對(duì)藍(lán)牙的支持。藍(lán)牙進(jìn)入企業(yè)的首要渠道來自手機(jī)、筆記本電腦和PAD。4.3.1 藍(lán)牙技術(shù)的誕生與發(fā)展藍(lán)牙技術(shù)優(yōu)點(diǎn) (1)可以隨時(shí)隨地用無線接口代替有線電纜連接；(2)具有很強(qiáng)的移植性，可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合，如WAP、GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))、DECT(歐規(guī)數(shù)字無繩通信)等，引入

8、身份識(shí)別后可以靈活地實(shí)現(xiàn)漫游；(3)低功耗，對(duì)人體傷害?。?4)藍(lán)牙集成電路簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)現(xiàn)容易，易于推廣。 藍(lán)牙技術(shù)工作在2.4GHz，能達(dá)到1Mb/s的數(shù)據(jù)速率。理論上可在30m范圍內(nèi)提供2Mb/s的數(shù)據(jù)速率，實(shí)際上達(dá)不到。藍(lán)牙支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。藍(lán)牙最基本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是Picnet，也叫微微網(wǎng)。是一種個(gè)人網(wǎng)絡(luò)，不能代替LAN，只是用來簡(jiǎn)化或代替人個(gè)區(qū)域中的電纜連接。匹克網(wǎng)由主設(shè)備和從設(shè)備構(gòu)成。4.3.3 藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)文檔構(gòu)成n 核心規(guī)范(core specifications):描述了從無線電接口到鏈路控制的不同層次藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。n 概要規(guī)范(profile specif

9、ications):考慮使用藍(lán)牙技術(shù)支持不同的應(yīng)用。每個(gè)概要規(guī)范討論在核心規(guī)范中定義的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)特定的應(yīng)用模型(Usage Model)。 4.3.4 藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)核心協(xié)議(core protocol)形成五層棧(1)無線電(radio)：確定包括頻率、跳頻的使用、調(diào)制模式和傳輸功率在內(nèi)的空中接口細(xì)節(jié)。(2)基帶(baseband)：考慮一個(gè)微微網(wǎng)中的連接建立、尋址、分組格式、計(jì)時(shí)和功率控制。(3)鏈路管理器協(xié)議(link manager protocol，LMP)：負(fù)責(zé)在藍(lán)牙設(shè)備和正在運(yùn)行的鏈路管理之間建立鏈路。包括諸如認(rèn)證、加密及基帶分組大小的控制和協(xié)商等安全因素。(4)邏輯鏈路控制

10、和自適應(yīng)協(xié)議(logical link control and adaptation protocol，L2CAP)：使高層協(xié)議適應(yīng)基帶層。L2CAP提供無連接和面向連接服務(wù)。(5)服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(service discovery protocol，SDP)：詢問設(shè)備信息、服務(wù)與服務(wù)特征，使得在兩個(gè)或多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間建立連接成為可能。4.3.5 應(yīng)用模型 大量應(yīng)用模型定義在藍(lán)牙的概要規(guī)范文檔中。本質(zhì)上，一個(gè)應(yīng)用模型是一套實(shí)施特定的基于藍(lán)牙的應(yīng)用的協(xié)議。每個(gè)概要文件定義了支持一特定應(yīng)用模型的協(xié)議和協(xié)議特性。（）文件傳遞支持目錄、文件、文檔、圖像和流媒體格式的傳遞。也包括了在遠(yuǎn)程設(shè)備中瀏覽文件夾的功

11、能。（2） 橋接Interent，一臺(tái)PC可以無線連接到一部移動(dòng)電話或無繩Modem上，提供撥號(hào)連網(wǎng)和傳真的功能。（3）Lan接入，使得一個(gè)微微網(wǎng)上的設(shè)備可以接入LAN。（4）同步，為諸如電話簿等信息提供了設(shè)備與設(shè)備之間的同步。（5）三合一電話，實(shí)現(xiàn)此應(yīng)用模型的電話手機(jī)可以作為一臺(tái)連接到話音基站的無強(qiáng)電話、作為一部與其他電話相連的內(nèi)部通信設(shè)備和作為一部監(jiān)察電話。（6）頭戴式設(shè)備，耳機(jī)作為一個(gè)遠(yuǎn)程設(shè)備的音頻輸入和輸出接口。文件傳輸文件傳輸應(yīng)用OBEXRFCOMML2CAPSDP撥號(hào)聯(lián)網(wǎng)M odem傳真或驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用A T 命令RFCOM ML2CA PSDPPPPLAN接入LAN接入應(yīng)用例如IPR

12、FCOMML2CAPSDPPPP同步同步應(yīng)用IrMCRFCOMML2CAPSDPOBEX無繩電話或內(nèi)部通信無繩電話或基站應(yīng)用TCS BIN音頻L2CAPSDP耳機(jī)HS網(wǎng)關(guān)或基站應(yīng)用AT命令RFCOMML2CAPSDP音頻4.3.6 藍(lán)牙應(yīng)用n 藍(lán)牙為3個(gè)使用短距離無線連接的通用應(yīng)用領(lǐng)域提供支持：n （1）數(shù)據(jù)和語(yǔ)音接入點(diǎn)n （2）電纜替代n （3）自組網(wǎng)絡(luò)n 應(yīng)用實(shí)例：n 手機(jī)與計(jì)算機(jī)相連n 作無繩電話使用n 數(shù)據(jù)共享，辦公更方便n 無線免提n Internet接入n 同步資料n 影像傳遞n 鍵盤、鼠標(biāo)、家庭網(wǎng)絡(luò)、高速無線內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、電子名牌等。4.3.7 微微網(wǎng)和散布式網(wǎng)絡(luò)(網(wǎng)絡(luò)模式) n 藍(lán)

13、牙中的基本聯(lián)網(wǎng)單元是一個(gè)微微網(wǎng)，它由一臺(tái)主設(shè)備和17臺(tái)活躍的從設(shè)備組成。 n 一個(gè)微微網(wǎng)中的設(shè)備也可作為另一個(gè)微微網(wǎng)的一部分存在，并在每個(gè)微微網(wǎng)中，起從設(shè)備或主設(shè)備功能,這種形式的重疊被稱為散布式網(wǎng)絡(luò)(scatternet)。 n 微微網(wǎng)/散布式網(wǎng)絡(luò)模式的優(yōu)點(diǎn)在于：它允許大量設(shè)備共享相同的物理區(qū)域，并有效地利用帶寬。散布式網(wǎng)絡(luò)共享物理區(qū)域和總帶寬，微微網(wǎng)共享邏輯信道和數(shù)據(jù)傳遞。主/從關(guān)系 無線網(wǎng)絡(luò)的配置 4.3.8 藍(lán)牙規(guī)范的五層核心協(xié)議 1.藍(lán)牙無線電規(guī)范2.藍(lán)牙基帶規(guī)范3.藍(lán)牙鏈路管理器規(guī)范4.藍(lán)牙邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議5.藍(lán)牙服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議1.藍(lán)牙無線電規(guī)范拓 撲一個(gè)邏輯的星形結(jié)構(gòu)中，高

14、達(dá)7條并行鏈路調(diào)制GFSK數(shù)據(jù)速率的峰值/Mb/s1RF帶寬220kHz(-3dB)，1MHz(-20dB)RF波段2.4GHz,ISM波段RF載波23/79載波的間隔/MHzl傳輸功率/W0.1微微網(wǎng)的接入FH-TDD-TDMA頻跳率/跳/s1600分布式網(wǎng)絡(luò)的接入FH-CDMA國(guó)際上藍(lán)牙的頻率分配 區(qū) 域調(diào)節(jié)范圍/GHzRF信道美國(guó)、歐洲的大部分國(guó)家和其他國(guó)家中的大部分2.42.4835f2.402+nMHz,n0,78日本2.4712.497f=2.473+nMHz,n0,22西班牙2.4452.475f=2.449+nMHz,n0,22法國(guó)2.44652.4835f=2.454+nMH

15、z,n0,22 藍(lán)牙利用波段中的2.4GHz波段。在大多數(shù)國(guó)家，此帶寬足以定義79個(gè)1MHz的物理信道 2. 藍(lán)牙基帶規(guī)范n基帶規(guī)范是最為復(fù)雜的藍(lán)牙文檔之一，在此只簡(jiǎn)要介紹一些關(guān)鍵成分。n藍(lán)牙基帶層在物理層之上，管理物理信道和鏈路，包括藍(lán)牙設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、鏈路連接與管理及功率控制。n微微網(wǎng)中，用時(shí)分利用方式來劃分設(shè)備的接入信道。主從設(shè)備之間可以建立兩種基本的物理鏈路類型，即面向連接（SCO）和異步無連接（ACL），SCO主要用來傳遞語(yǔ)音數(shù)據(jù)，ACL連接主設(shè)備和所有的從設(shè)備。 3.藍(lán)牙鏈路管理器規(guī)范n 鏈路管理協(xié)議(LMP)管理主站與從站間的無線電鏈路的各個(gè)方面。n 協(xié)議涉及主站和從站的LMP實(shí)體間

16、表現(xiàn)為L(zhǎng)MP PDU(protocol data unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)形式的報(bào)文的交換。報(bào)文總是作為單個(gè)分組發(fā)送，該分組帶有一位標(biāo)識(shí)報(bào)文類型的負(fù)載首部，和一個(gè)包含與此報(bào)文相關(guān)的附加信息的負(fù)荷實(shí)體。 n 為L(zhǎng)MP定義的過程被分為24個(gè)功能區(qū)，其中每個(gè)都涉及一個(gè)或多個(gè)報(bào)文的交換。 4.藍(lán)牙邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議n 與IEEE 802規(guī)范中的邏輯鏈路控制(LLC)相同，L2CAP(logical link control and adaptation protocol，邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議)在共享媒介網(wǎng)絡(luò)的實(shí)體間提供一個(gè)鏈路層協(xié)議。n L2CAP為流和差錯(cuò)控制提供大量服務(wù)，它依賴于更低層(

17、基帶層)。 n L2CAP使用ACL鏈路，它不支持SCO鏈路。 5.藍(lán)牙服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議n 在藍(lán)牙規(guī)范提出之前，服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議已經(jīng)存在。n 在藍(lán)牙設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)中，本地設(shè)備發(fā)現(xiàn)、利用遠(yuǎn)端設(shè)備所提供的服務(wù)和功能，并向其它藍(lán)牙設(shè)備提供自身的服務(wù)，這是網(wǎng)絡(luò)資源共享的途徑，也是服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議要解決的問題。n 服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議提供了服務(wù)注冊(cè)的方法和訪問服務(wù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的途徑。n SIG針對(duì)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)靈活、動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，開發(fā)了藍(lán)牙專用的服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議。 內(nèi)容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)4.3 藍(lán)牙技術(shù)4.4 ZigBee技術(shù)4.4 ZigBee技術(shù)n 2000年12月，IEEE成立了802.15.4工作組

18、,致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。n ZigBee是這種技術(shù)的商業(yè)化命名，名稱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ZigBee形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息n 在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)指定物理層和MAC層的協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作。4.4 ZigBee技術(shù)4.4.1 ZigBee的特點(diǎn)4.4.2 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)體系4.4.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)4.4.4 ZigBee協(xié)議架構(gòu)4.4.5 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型4.4.6 ZigBee技術(shù)應(yīng)用4.4.1 ZigBee的特點(diǎn)（1）極低的系統(tǒng)功耗（2）較低的系統(tǒng)成本（3）安全的數(shù)據(jù)傳輸（4）靈活的工作頻段（5）靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（6）超大的網(wǎng)絡(luò)容量4.4.2 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)體系4.4.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)ZigBee CoordinatorZigBee RouterZigBee End DeviceMesh網(wǎng)Cluster Tree串Star星ZigBee CoordinatorZigBee RouterZigBee End DeviceMesh網(wǎng)Cluster Tree串Star星Star星4.4.4 ZigB