《無線短距離通信應用技術（第2版）》全套教學課件

無線短距離通信應用技術《無線短距離通信應用技術》全套可編輯PPT課件內(nèi)容第1章無線短距離通信概述第2章

WI-FI技術及其應用第3章

ZigBee技術及其應用第4章藍牙技術及其應用第5章UWB技術和60GHz通信技術第6章無線短距離通信主動傳輸技術第7章無線短距離通信與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)第8章無線自組織網(wǎng)絡技術無線短距離通信概述引言短距離無線通信的特點及典型技術電波傳播模型引言無線通信系統(tǒng)模型引言無線通信的關鍵問題通信的兩大目標：可靠性、有效性不可再生的無線頻譜資源惡劣的無線信道環(huán)境：損耗、衰落、干擾、多普勒、多徑效應等節(jié)點的移動性、資源分配與管理無線通信的歷史1831Faraday發(fā)現(xiàn)電磁轉換現(xiàn)象1864Maxwell奠定了電磁場理論的基礎1886Hertz驗證了電磁波波動傳播特性1895Marconi演示長波傳輸?shù)臒o線電報1920Marconi發(fā)現(xiàn)短波及電離層反射現(xiàn)象1921美國底特律警察局首先將無線電臺裝于汽車上開創(chuàng)了移動通信的先河引言無線通信的歷史（續(xù)）1946年，出現(xiàn)了以基地臺為中心，覆蓋幾十公里半徑區(qū)域的大區(qū)制移動電話網(wǎng)1979年多區(qū)制蜂窩移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)80年代第一代模擬制的蜂窩系統(tǒng)90年代第二代全數(shù)字蜂窩移動系統(tǒng)、衛(wèi)星移動系統(tǒng)二十一世紀初第三代多媒體蜂窩移動系統(tǒng)如今第五代蜂窩移動系統(tǒng)已成為研究熱點引言無線與移動通信成為信息技術研究的熱點和焦點；短距離無線通信技術有了更為廣泛的應用空間；WIFI、藍牙、ZigBee、移動AdHoc網(wǎng)絡、超寬帶(UWB)以及短距離物聯(lián)網(wǎng)應用等各種熱點技術相繼出現(xiàn)；展現(xiàn)出各自巨大的應用潛力。引言短距離無線通信特點低功耗（LowPower）由于應用的便攜性和移動特性，低功耗是基本要求；另一方面，多種短距離無線通信應用可能處于同一環(huán)境之下，如WLAN和微波RFID，在滿足服務質(zhì)量的要求下，要求有更低的輸出功率，避免造成相互干擾。短距離無線通信特點低成本（LowCost）：

短距離無線通信與消費電子產(chǎn)品聯(lián)系密切，低成本是其能否推廣和普及的重要決定因素。此外，如RFID和WSN應用，需要大量使用或大規(guī)模敷設，成本成為技術實施的關鍵。短距離無線通信特點多為室內(nèi)環(huán)境下（IndoorEnvironments）應用：

與其它無線通信不同，由于作用距離限制，大部分短距離應用的主要工作環(huán)境是在室內(nèi)，特別是WPAN應用。短距離無線通信特點使用ISM頻段

考慮到產(chǎn)品和協(xié)議的通用性及民用特性，短距離無線通信技術基本上使用免許可證ISM（Industrial，ScientificandMedical）頻段。短距離無線通信特點電池供電（BatteryDrived）的收發(fā)裝置

短距離無線通信應用設備一般都有小型化、移動性要求。在采用電池供電后，需要進一步加強低功耗設計和電源管理技術的研究。典型的短距離無線通信技術ZigBee技術一種新興的低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡通信技術，用于近距離無線連接。

ZigBee適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務，如遙控、傳感器等，滿足工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)和醫(yī)用設備控制等領域的特定需求。例如，在無線傳感器環(huán)境中眾多傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，只需要很少的能量，以接力的方式將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器。

ZigBee標準規(guī)定了兩個物理層：一個采用2.4GHz波段及跳頻技術；另一個868/915MHz直接序列擴頻（相應的數(shù)據(jù)傳送率為20～40Kbps）。典型的短距離無線通信技術ZigBee技術功耗低—在待機模式下，兩節(jié)5號電池可用半年～2年；速率低－基本速率是250kb/s；當降低到28kb/s時，傳輸范圍可擴大到134米，并獲得更高的可靠性；成本低—Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，又無專利費，所以成本大為降低；網(wǎng)絡容量大—每個Zigbee網(wǎng)絡最多可支持255個設備；時延短—通常時延為15～30毫秒；安全性—Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128；有效覆蓋范圍10～75米之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率大小和各種不同應用模式而定，能夠覆蓋普通家庭或辦公室環(huán)境。典型的短距離無線通信技術ZigBee技術根據(jù)ZigBee聯(lián)盟的觀點，ZigBee家庭應用如下：

（1）空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制器,燈光、窗簾的自動控制；

（2）老年人與行動不便者的緊急呼叫器；

（3）電視與音響的萬用遙控器,無線鍵盤、鼠標、玩具等；

（4）煙霧偵測器；

（5）智慧型標簽。

典型的短距離無線通信技術IEEE802.11b（Wi-Fi）工作在2.4GHz，峰值傳輸速率為11Mbps，實際傳輸速率在5Mbps左右；直接序列擴頻，無需直線傳播。Wi-Fi技術典型的短距離無線通信技術Wi-Fi技術IEEE802.11標準主要是對物理層(PH)和媒質(zhì)訪問控制層(MAC)進行了規(guī)定，其中對MAC層的規(guī)定是重點。各廠商產(chǎn)品在同一物理層上可以互操作，邏輯鏈路控制層(LLC)是一致的，即MAC層以下對網(wǎng)絡應用是透明的。典型的短距離無線通信技術Wi-Fi技術對等解決方案對等解決方案是一種最簡單的應用方案，只要給每臺PC安裝一片無線網(wǎng)卡，即可相互訪問。如需與有線網(wǎng)絡連接，可以為其中一臺PC再安裝一片有線網(wǎng)卡，無線網(wǎng)中其余PC即利用這臺PC作為網(wǎng)關，訪問有線網(wǎng)絡或共享打印機等設備。典型的短距離無線通信技術Wi-Fi技術單接入點解決方案

接入點相當于有線網(wǎng)絡中的集線器。無線接入點可連接周邊無線終端，形成星形網(wǎng)絡結構，同時通過10Base-T端口與有線網(wǎng)絡相連，使整個無線網(wǎng)終端都能訪問有線網(wǎng)絡的資源，并可通過路由器訪問Internet。典型的短距離無線通信技術Wi-Fi技術多接入點解決方案

當網(wǎng)絡規(guī)模較大，超過了單個接入點的覆蓋半徑時，可以采用多個接入點分別與有線網(wǎng)絡相連，從而形成以有線網(wǎng)絡為主干的多接入點的無線網(wǎng)絡，所有無線終端可以通過就近的接入點接入網(wǎng)絡，訪問整個網(wǎng)絡的資源，從而突破無線網(wǎng)覆蓋半徑的限制。

UWB技術又被稱為脈沖無線電發(fā)射技術。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的定義，是指在3.1G-10.6G頻段內(nèi)占用10dB/帶寬大于500MHz的無線發(fā)射方案。UWB技術典型的短距離無線通信技術UWB技術曾被廣泛應用于雷達和遙感領域，作為商用無線通信技術目前正受到越來越多的關注。UWB技術即不同于傳統(tǒng)的窄帶無線傳輸技術，也不同于3G擴頻寬帶技術。傳統(tǒng)的窄帶或擴頻寬帶系統(tǒng)都需要使用載波將基帶信號調(diào)制到射頻上，而UWB技術不需載波，能直接調(diào)制脈沖信號，產(chǎn)生帶寬高達幾GHz的窄脈沖波形，其帶寬遠遠大于目前任何商業(yè)無線通信技術所占用的帶寬。UWB概述典型的短距離無線通信技術UWB吞吐量Highspeedatshortrange480Mb/sat~3mDoesnotpenetratewalls典型的短距離無線通信技術UWB信號的寬頻帶、低功率譜密度的特性，決定了UWB無線傳輸技術的以下優(yōu)勢：易于與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)，如GPS、蜂窩通信系統(tǒng)、地面電視等共用頻段，大大提高了頻譜利用率；易于實現(xiàn)多用戶的短距離高速數(shù)據(jù)通信；對多徑衰落具有魯棒性。典型的短距離無線通信技術適合UWB技術的實際應用包括：高速無線個域網(wǎng)；無線以太接口鏈路；智能無線局域網(wǎng)；戶外對等網(wǎng)絡；傳感、定位和識別網(wǎng)絡

目前，UWB在多媒體設備，家庭和個人網(wǎng)絡方面的應用前景已得到了專業(yè)界的普遍認可，UWB將促進智能網(wǎng)絡和設備的發(fā)展，形成真正以用戶為中心的無線世界。典型的短距離無線通信技術

UWB無線技術基于共用頻段思想，打破短距離無線通信頻率資源供不應求及不兼容的現(xiàn)狀，為頻譜管理和無線系統(tǒng)工程中存在的諸多問題提供有效的解決方案；

UWB技術能為無線個域網(wǎng)接入技術提供低功耗、高帶寬且易于實現(xiàn)的底層技術支撐，實現(xiàn)便攜設備和固定設備、個人電腦和娛樂設備的空中接口，建立可兼容的全IP網(wǎng)絡；

UWB系統(tǒng)能在短距離內(nèi)支持高達400Mb/s的信息傳輸率，并可通過減小傳輸速率來增加傳輸距離，實現(xiàn)精確的定位跟蹤；同時，UWB設備具有能支持有效多次反射路由機制的精確位置跟蹤功能，更有利于在動態(tài)節(jié)點的自組織網(wǎng)（adhoc）中實現(xiàn)定位。UWB概述典型的短距離無線通信技術UWB接口設備MeasuredUWBPulsetrainoutput典型的短距離無線通信技術60GHz通信技術60GHz無線通信技術概況60GHz無線通信的標準化 60GHz無線通信關鍵技術研究60GHz無線通信的應用典型的短距離無線通信技術電波傳播模型無線信道的傳輸損耗模型自由空間損耗模型

Lfs=10lg(4πd/λ)dB =32.45+20lg

dkm+20lg

fMHzdB

特點：Lfs

∝d2，Lfs

∝f2電波傳播模型無線信道的傳輸損耗模型（續(xù)）無線視距損耗模型無線視距 由于大氣的存在，電磁波的傳播路徑并非直線，而是一條向地球彎曲的弧線，曲率約為地球半徑的4倍。電波傳播模型無線信道的傳輸損耗模型無線視距損耗模型（續(xù)）無線視距（續(xù)） 對于理想平滑地面，無線視距路徑距離為：

無線電波比直線視距傳的更遠！電波傳播模型無線信道的傳輸損耗模型（續(xù)）無線視距損耗模型（續(xù)）地形對無線視距的影響 假設：不規(guī)則地形的平均起伏高度差為Δh

天線有效高度hae定義為天線高于地形平均海拔的高度 則：無線視距路徑距離的統(tǒng)計均值為：

不規(guī)則地形使無線視距路徑距離減小！無線短距離通信應用技術《無線短距離通信應用技術》內(nèi)容第1章無線短距離通信概述第2章WI-FI技術及其應用第3章

ZigBee技術及其應用第4章藍牙技術及其應用第5章UWB技術和60GHz通信技術第6章無線短距離通信主動傳輸技術第7章無線短距離通信與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)第8章無線自組織網(wǎng)絡技術Wi-Fi技術及應用IEEE802.11協(xié)議體系結構IEEE802.11基本結構模型物理層數(shù)據(jù)鏈路層IEEE802.11MAC幀的格式Wi-Fi技術Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化校園Wi-Fi網(wǎng)絡建設Wi-Fi技術的應用與發(fā)展IEEE802.11基本結構模型OSI參考模型IEEE802.11模型

IEEE802.11協(xié)議主要工作在ISO協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。IEEE802.11基本結構模型如圖所示，其中數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為LLC和MAC兩個子層。物理層物理層建立在傳輸介質(zhì)的基礎上，是系統(tǒng)和傳輸介質(zhì)的物理接口。物理層定義了通信設備與傳輸接口的機械、電氣、功能和過程特性，用以建立、維持和釋放物理連接。物理層的主要任務是實現(xiàn)通信雙方的物理連接，以比特流的形式傳輸數(shù)據(jù)信息，并向數(shù)據(jù)鏈路層提供透明的傳輸服務。IEEE

802.11物理層按照采用的相關技術可分為FHSS、DSSS等相關類型，如圖2.4所示。圖2.4

IEEE

802.11物理層技術物理層FHSS2.4GHz的頻段被劃分成75個1MHz的子頻道，接收方和發(fā)送方協(xié)商一個調(diào)頻的模式，數(shù)據(jù)則按照這個序列在各個子頻道上傳輸，每次在IEEE802.11網(wǎng)絡上進行的會話都可能采用了一種不同的跳頻模式，采用這種跳頻模式主要是為了避免兩個發(fā)送端同時采用同一個子頻段。FHSS系統(tǒng)中，為了避免干擾，發(fā)送方改變發(fā)射信號的中心頻率。信號頻率的變化（頻率跳躍）總是按照某種隨機的模式安排的，這種隨機模式只有發(fā)送方和接收方才理解。物理層DSSS直接序列擴頻技術DSSS將2.4GHz的頻段劃分成14個22MHz的通道，臨近的通道互相重疊，在這14個頻段內(nèi)，只有3個頻段是互相不覆蓋的，數(shù)據(jù)就是從這14個頻段中的一個進行傳輸而不需要進行頻道之間的跳躍。物理層OFDM

在OFDM系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)速率為Rt的高速數(shù)據(jù)信號變換成n路數(shù)據(jù)速率Ri（Ri=R1+R2+…+Rn）的低速數(shù)據(jù)信號，并調(diào)制在一組正交子載波上進行并行傳輸。在IEEE802.11a標準中，OFDM在20MHz頻段能夠提供傳輸速率高達54Mb/s的原始數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)實體間數(shù)據(jù)的可靠傳輸，利用物理層所建立起來的物理連接形成數(shù)據(jù)鏈路，將具有一定意義和結構的信息在實體間進行傳輸，同時為其上的網(wǎng)絡層提供有效的服務。數(shù)據(jù)鏈路層的功能有如下幾點。1）成幀和同步2）差錯控制3）流量控制4）鏈路管理數(shù)據(jù)鏈路層CSMA/CACSMA/CA協(xié)議利用ACK信號來避免沖突的發(fā)生，只有當客戶端收到網(wǎng)絡上返回的ACK信號后才確認送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確到達目的節(jié)點。CSMA/CA協(xié)議的工作流程如下：1)欲發(fā)送數(shù)據(jù)的工作站先檢測信道。2)如果沒有探測到網(wǎng)絡中正在傳輸數(shù)據(jù)，則附加等待一段時間，再隨機選擇一個時間片繼續(xù)探測，如果無線網(wǎng)絡中仍舊沒有活動的話，就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去.3)接收端收到數(shù)據(jù)后回送一個ACK數(shù)據(jù)包，如果這個ACK數(shù)據(jù)包被接收端收到，則這個數(shù)據(jù)發(fā)送過程完成。數(shù)據(jù)鏈路層RTS/CTS協(xié)議RTS/CTS協(xié)議是IEEE802.1l采用的一種用來減少由隱藏節(jié)點問題造成沖突的協(xié)議。RTS/CTS協(xié)議的工作過程如下。節(jié)點A向節(jié)點B發(fā)送RTS信號，表明節(jié)點A要向節(jié)點B發(fā)送若干數(shù)據(jù)，節(jié)點B收到RTS后，向所有節(jié)點發(fā)出CTS信號，表明已準備就緒，節(jié)點A可以發(fā)送，而其余欲向B發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點則暫停發(fā)送。數(shù)據(jù)鏈路層CRC校驗和包分片

在IEEE802.11協(xié)議中，每一個在無線網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包都被附加上校驗位CRC，以保證它在傳輸時沒有出現(xiàn)錯誤。這種二層校驗技術在IEEE802.3中是由上層協(xié)議完成的。漫游管理

當網(wǎng)絡環(huán)境存在多個AP，且它們的微單元互相有一定范圍的重合時，無線用戶可以在整個WLAN覆蓋區(qū)內(nèi)移動，無線網(wǎng)卡能夠自動發(fā)現(xiàn)附近信號強度最大的AP，并通過這個AP收發(fā)數(shù)據(jù)，保持不間斷的網(wǎng)絡連接，這種行為稱為無線漫游。IEEE802.11的MAC子層負責解決漫游管理。數(shù)據(jù)鏈路層MAC訪問模式IEEE802.11的MAC層提供了分布式協(xié)調(diào)功能DCF（DistributedCoordinationFunction）和點協(xié)調(diào)功能PCF（PointCoordinationFunction）兩種訪問模式。1）DCF提供競爭服務。發(fā)送數(shù)據(jù)之前，客戶端會檢查無線鏈路是否處于空閑狀態(tài)，若沒有空閑，則會隨機為每個幀選定一段規(guī)避時間來避免沖突發(fā)生。

2）PCF提供無競爭服務。由接入點AP全權控制傳輸媒介。接入點將一個接著一個詢問客戶端以獲取數(shù)據(jù)，還沒有被詢問到的客戶端沒有權利發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端只有在被詢問到的時候才能夠從接入點處收取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層電源管理IEEE802.11

MAC層有CAM（ContinuousAwareMode）和PSPM（PowerSavePollingMode）兩種電源管理模式。1）CAM模式：信號始終存在并耗費電源。2）PSPM模式：由接入點的特殊信號來調(diào)節(jié)客戶端設備處于睡眠或喚醒狀態(tài)?？蛻舳嗽O備將周期性地進入喚醒狀態(tài)，接收接入點傳來的Beacon信號。安全性管理IEEE802.11的MAC子層提供了一種稱為有線等效保密協(xié)議（WiredEquivalentPrivacy，WEP）的訪問控制和加密協(xié)議。IEEE802.11MAC幀的格式IEEE802.11的MAC幀的結構如圖2.5所示。一個完整的MAC幀包括幀頭（MACHeader）、幀體（FrameBody）、幀校驗序列（FCS）共同組成。1）MAC幀頭包括FrameControl（幀控制域），Duration/ID（持續(xù)時間/標識）、Address（地址域）、SequenceControl（序列控制域）等。2）幀體包含的信息根據(jù)幀的類型有所不同，主要封裝的是上層的數(shù)據(jù)單元，長度為0～2312B，IEEE802.11幀最大長度為2346B，F(xiàn)CS（校驗域）包含32位循環(huán)冗余碼。圖2.5

IEEE

802.11

MAC幀的結構IEEE802.11MAC幀的格式幀控制域幀控制域是MAC幀最主要的組成部分，IEEE

802.11

MAC幀控制域的構成如圖2.6所示。

圖2.6

IEEE802.11MAC幀控制域Duration/ID（持續(xù)時間/標識域）Duration/ID用于表明該幀和它的確認幀將會占用信道多長時間

IEEE802.11MAC幀的格式Address（地址域）Address包括源地址（SA）、目的地址（DA）、傳輸工作站地址（TA）、接收工作站地址（RA），其中SA與DA必不可少，AT和RA只對跨BSS的通信有用。SequenceControl（序列控制域）SequenceControl由代表MSDU（MACServerDataUnit）或MMSDU（MACManagementServerDataUnit）的12位序列號和表示MSDU與MMSDU的每一個片段的編號的4位片段號組成。IEEE802.11MAC幀的格式幀類型IEEE802.11中的MAC幀分為數(shù)據(jù)幀、管理幀和控制幀三類?？刂茙糜诟偁幤陂g的握手通信和正向確認、結束非競爭期等；管理幀主要用于STA與AP之間協(xié)商、關系的控制，如關聯(lián)、認證、同步等；數(shù)據(jù)幀用于在競爭期和非競爭期傳輸數(shù)據(jù)。1）IEEE802.11數(shù)據(jù)幀圖2.7IEEE

802.11數(shù)據(jù)幀的基本格式IEEE802.11MAC幀的格式Type代碼Subtype代碼幀名稱100000Data（數(shù)據(jù)）100001Data+F-ACK100010Data+F-Poll100011Data+F-ACK+F-Poll100100Nulldata（無數(shù)據(jù)：未傳輸數(shù)據(jù)）100101F-ACK（未傳輸數(shù)據(jù)）100110F-Poll（未傳輸數(shù)據(jù)）100111Data+F-ACK+F-Poll101000QosData101001QosData+F-ACK101010QosData+F-Poll101011QosData+F-ACK+F-Poll101100QosNull（未傳輸數(shù)據(jù)）101101QosF-ACK（未傳輸數(shù)據(jù)）101110QosF-Poll（未傳輸數(shù)據(jù)）101111QosF-ACK+F-Poll（未傳輸數(shù)據(jù)）表2.1常見的數(shù)據(jù)幀IEEE802.11MAC幀的格式Type代碼Subtype代碼幀名稱000000Associationrequest（關聯(lián)請求）000001Associationresponse（關聯(lián)響應）000010Reassociationrequest（重新關聯(lián)請求）000011Reassociationresponse（重新關聯(lián)響應）000100Proberequest（探測請求）000101Proberesponse（探測響應）001000Beacon（信標）001001ATIM（通知傳輸指示消息）001010Disassociation（取消關聯(lián)）001011Authentication（身份驗證）001100Deauthentication（解除身份驗證）表2.2常見的管理幀IEEE802.11MAC幀的格式幀類型

3）IEEE802.11控制幀IEEE802.11控制幀負責區(qū)域的清空、信道的取得及載波監(jiān)聽的維護，并于收到數(shù)據(jù)時予以肯定確認，借此提高工作站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在IEEE802.11中，常見的控制幀如表2.3所示。Type代碼Subtype代碼幀名稱011010PowerSave（PS）-Poll（省電-輪詢）011011

RTS（請求發(fā)送）011100

CTS（清除發(fā)送）011101ACK（確認）011110

F-End（無競爭周期結束）011111

F-End（無競爭周期結束）+F-ACK（無競爭周期確認）IEEE802.11MAC幀的格式幀類型2）IEEE802.11管理幀IEEE802.11管理幀負責監(jiān)督，主要用來加入或退出無線網(wǎng)絡及處理接入點之間關聯(lián)的轉移事宜。管理幀的基本格式如圖2.8所示。在IEEE802.11中，常見的管理幀如表2.2所示。圖2.8管理幀的基本格式Wi-Fi的物理層技術原理與協(xié)議IEEE

802.11的物理層主要定義了無線數(shù)據(jù)的傳輸方式和信號調(diào)制的方法。標準中定義的無線射頻傳輸方式都采用了擴頻技術，只是擴頻方式有區(qū)別，主要分為直接序列擴頻（DSSS）技術和跳頻擴頻（FHSS）技術。圖2.9

Wi-Fi的物理層傳輸過程Wi-Fi技術及應用IEEE802.11協(xié)議體系結構Wi-Fi技術Wi-Fi的物理層技術原理與協(xié)議擴頻通信技術Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化校園Wi-Fi網(wǎng)絡建設Wi-Fi技術的應用與發(fā)展擴頻通信技術擴頻通信技術的“擴”主要體現(xiàn)在頻譜的擴展上，它用來傳輸信息的射頻帶寬遠遠大于信息本身帶寬，射頻帶寬的擴展是通過擴頻碼調(diào)制的方式來實現(xiàn)的按照擴頻方式的不同，擴頻通信系統(tǒng)主要分為直接序列擴頻（DSSS）、跳頻擴頻（FHSS）、跳時（TH）及幾種方式的組合。直接序列擴頻（DSSS）技術

直接序列擴頻技術的原理是通過用高速率的碼序列與所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息碼序列模二加（波形相乘）后產(chǎn)生的復合碼序列去控制載波的相位，從而獲得直接序列擴頻信號，具體原理框圖如圖2.10所示。擴頻通信技術

1）IEEE802.11標準協(xié)議中定義DSSS系統(tǒng)通過采用11位的短PN碼并以11MHz對數(shù)據(jù)信號擴頻來實現(xiàn)。2）IEEE802.11b標準協(xié)議把Wi-Fi所在的2.4GHz頻段劃分成14個帶寬為22MHz（20dB所占的頻譜）的信道，每一個信道的間隔為5MHz，并且臨近的信道互相重疊。圖2.10

DSSS原理框圖擴頻通信技術3）IEEE802.11b通過采用CCK和DQPSK相結合的調(diào)制方式，使傳輸速率最高可以達到5.5Mb/s和11Mb/s，并且這兩種速率下的系統(tǒng)也是工作在2.4GHz波段。4）在這種調(diào)制方式之下，每個符號由8b的碼字組成，即d0，d1，d2，…，d7共8個連續(xù)數(shù)據(jù)比特。雖然5.5Mb/s和11Mb/s都采用了CCK的編碼調(diào)制方式，但各有特點，這里主要以11Mb/s系統(tǒng)進行介紹。5）系統(tǒng)的抗干擾性主要是通過解擴來處理的。在接收端，被擴頻的窄帶信號經(jīng)過相關解擴之后重新恢復成窄帶信號。而對于進入接收機的干擾信號，經(jīng)過相關解擴之后通過與偽隨機碼序列相乘可以得到寬帶信號。這樣再經(jīng)過在窄帶濾波器的濾波作用，多余的寬帶信號被濾除，只留下通帶內(nèi)較窄頻段的干擾信號及被解擴的窄帶信號。擴頻通信技術

6）在11Mb/s系統(tǒng)中，每兩個相鄰的連續(xù)數(shù)據(jù)比特為一組，所以8b數(shù)據(jù)共分為4組，每組獲得一個角頻率，共有4個角頻率（0，π，π

/2和-

π

/2）。具體的比特對應模型編碼和對應的角頻率如表2.4所示。表2.4比特對應模型編碼和對應角頻率比特模型（di，di+1）角頻率比特模型（di，di+1）角頻率00010π/201π11-π/2擴頻通信技術當輸入的數(shù)據(jù)信息是8bCCK碼字，即d

={d0，d1，d2，…，d7}時，采用11chip/s擴頻碼并經(jīng)過CCK調(diào)制之后，其碼字C為：擴頻通信技術跳頻擴頻（FHSS）技術跳頻擴頻技術可以利用頻率捷變（frequencyagility）的方法將數(shù)據(jù)擴展到頻譜為83MHz以上。頻率捷變的一個特點就是無線設備可以在可用的射頻頻段內(nèi)快速地改變發(fā)送的頻率。FHSS跳變的原理框圖如2.12圖所示。圖2.12

FHSS跳變的原理框圖擴頻通信技術1）IEEE802.11標準協(xié)議規(guī)定，F(xiàn)HSS跳頻模式下信號的接收和發(fā)射共占用79個信道，并且采用慢跳頻技術，相鄰信道之間的間隔為1MHz。2）在FHSS跳頻系統(tǒng)中，不同設備之間跳頻信號可以正確被接收的前提條件FHSS跳頻系統(tǒng)之間的同步性。

3）為了保持跳頻設備中頻率合成器的頻率同步，使信號在信道中跳變時始終保持線性的相位，F(xiàn)HSS跳頻擴頻系統(tǒng)主要選取了GFSK（高斯濾波頻移鍵控）的調(diào)制方式，并且采用非相干的FSK解調(diào)方法。Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）

DCF接入機制又稱為CSMA/CA機制，所以它是基于CSMA的基本算法，同時又以RTS/CTS的交換協(xié)議作為它的輔助媒體接入訪問方式。1）載波偵聽多址防碰撞機制（CSMA/CA）

載波偵聽多址防碰撞機制（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，CSMA/CA）是MAC層多址接入策略的一部分，其原理基礎就是載波偵聽。IEEE802.11定義了兩種載波偵聽的方式。物理載波偵聽檢測方式：基于物理層載波檢測的方式虛擬載波偵聽檢測方式：由MAC層提供，通過網(wǎng)絡分配矢

量（NAV）來實現(xiàn)。Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議

載波偵聽的檢測機制由兩個狀態(tài)組成：RTS/CTS協(xié)議中的NAV狀態(tài)；基于物理層載波偵聽無線信道給STA提供的數(shù)據(jù)發(fā)送的狀態(tài)。Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議

2）RTS/CTS協(xié)議通常使用RTS/CTS要占用一定的網(wǎng)絡資源，這樣就給網(wǎng)絡傳輸帶來了額外的負擔，所以RTS/CTS協(xié)議常用在需要大量傳輸數(shù)據(jù)的場合。圖2.13表示了RTS/CTS的工作模式。圖2.13

RTS/CTS工作模式Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議

RTS/CTS協(xié)議的傳輸系統(tǒng)中RTS/CTS的工作過程

網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)通信工作節(jié)點B發(fā)送一個RTS數(shù)據(jù)幀給接入點及其他通信工作節(jié)點。每個收到該消息的數(shù)據(jù)通信工作節(jié)點就把信息存放在它的網(wǎng)絡分配矢量NAV中。收到RTS幀的接入點就發(fā)送一個短消息CTS作為回應。Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議基本的接入方式是如果無線局域網(wǎng)內(nèi)的一個數(shù)據(jù)通信工作節(jié)點偵聽檢測到通信信道的狀態(tài)是空閑的，那么它會在選擇等待DIFS之后再次對信道進行檢測，如果這時通信信道仍然保持空閑，通信工作節(jié)點就會發(fā)送一個MPDU，接收工作節(jié)點就開始判斷所接收到的數(shù)據(jù)包是否正確，然后給發(fā)送數(shù)據(jù)信息的工作節(jié)點發(fā)送ACK確認幀，以告知對方數(shù)據(jù)傳送成功。圖2.14數(shù)據(jù)幀成功傳送的過程Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議點協(xié)調(diào)功能（PCF）

在PCF工作模式下，只有當無線局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信工作節(jié)點處于被接納的狀態(tài)時，它才可以進行數(shù)據(jù)信息的發(fā)送。每個數(shù)據(jù)通信的工作節(jié)點事先都按照一定優(yōu)先級方式設定了數(shù)據(jù)信息發(fā)送的順序PCF采用的是一種無競爭的接入方式，工作節(jié)點之間的通信主要采用的是輪詢的方式，即局域網(wǎng)內(nèi)每個數(shù)據(jù)通信的工作節(jié)點進行數(shù)據(jù)發(fā)送時要按照先后順序依次先進行輪詢，再確定該工作節(jié)點是否有數(shù)據(jù)要進行發(fā)送。Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議輪詢機制PCF工作模式下采用輪詢機制的最大優(yōu)點就可以有效地避免局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信的工作節(jié)點之間發(fā)送數(shù)據(jù)信息時發(fā)生沖突。圖2.15

PCF工作模式中的輪詢過程Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議超幀超幀由無競爭時間CFP和競爭時間CP兩部分組成的。圖2.16無競爭時間（CFP）與競爭時間（CP）交錯Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議PCF的特征：1）點協(xié)調(diào)功能PCF是可選的，它通過無線局域網(wǎng)內(nèi)的點協(xié)調(diào)器對每一個工作節(jié)點進行輪詢，并且被輪詢的工作節(jié)點允許不經(jīng)過信道的競爭來傳輸數(shù)據(jù)。2）點協(xié)調(diào)功能PCF提供的面向連接的服務，可以提供無競爭幀的傳輸。3）點協(xié)調(diào)功能PCF可以支持有限的QoS功能，同時還能提供實時的數(shù)據(jù)服務。4）點協(xié)調(diào)功能PCF采用的是集中控制的算法，無線局域網(wǎng)內(nèi)的點協(xié)調(diào)器起著中心控制的作用。Wi-Fi技術及應用IEEE802.11協(xié)議體系結構Wi-Fi技術Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化運營商接入網(wǎng)絡拓撲結構AC應用的網(wǎng)絡架構Wi-Fi業(yè)務方式Wi-Fi網(wǎng)絡質(zhì)量優(yōu)化建議校園Wi-Fi網(wǎng)絡建設Wi-Fi技術的應用與發(fā)展Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化ADSL接入LAN接入EPON接入圖2.17運營商接入網(wǎng)絡拓撲結構Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化AC應用的網(wǎng)絡架構圖2.18

FITAC+AP網(wǎng)絡架構Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化對比項目FATAPAC+AP技術模式傳統(tǒng)模式新生模式安全性傳統(tǒng)加密、認證方式，普通安全性

實現(xiàn)射頻環(huán)境監(jiān)控，高安全性網(wǎng)絡管理對每臺AP均需進行數(shù)據(jù)配置AP零配置，數(shù)據(jù)、升級批量下發(fā)，數(shù)據(jù)保密，安裝迅速，維護簡單用戶管理類似有線，根據(jù)AP接入的有線端口區(qū)分權限無線專門虛擬專用組網(wǎng)，根據(jù)用戶名區(qū)別，用戶數(shù)據(jù)提取，處理簡單WLAN

組網(wǎng)規(guī)模L2漫游，無法L3漫游，僅適合小規(guī)模組網(wǎng)可L2、L3漫游，CAPWAP隧道傳輸，拓撲無關性，適合大規(guī)模組網(wǎng)增值業(yè)務能力實現(xiàn)簡單數(shù)據(jù)接入可擴展語音、無線VPN，無線專網(wǎng)等增值業(yè)務表2.5FITAP和FATAPD對比Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化

AC+FITAP根據(jù)AC在城域網(wǎng)的部署位置不同，有兩種不同的組網(wǎng)方式。1）AC+FITAP的二層部署AC的二層部署指無線交換機僅僅作為二層設備來使用，并不作為無線用戶的網(wǎng)關，無線交換機可以將不同的用戶組分配到指定的VLAN。無線交換機將用戶的數(shù)據(jù)包進行兩層透傳。2）AC+FITAP的三層部署AC的三層部署指無線交換機作為認證計費點來使用，相對于BAS設備，無線交換機是無線用戶的網(wǎng)關。無線交換機在用戶通過認證后，將用戶的數(shù)據(jù)包通過三層轉發(fā)。Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化Wi-Fi業(yè)務實現(xiàn)流程Wi-Fi業(yè)務實現(xiàn)流程描述如下。1）STA首先SCAN無線設備的射頻信號，并取得連接；2）連接后，STA發(fā)起DHCPrequest，尋求獲取DHCP地址;3）BAS在確認經(jīng)過AP到達BAS端口的數(shù)據(jù)報文帶上的是Wi-Fi的端口號后，將核實用戶身份的報文發(fā)到SDX予以確認；4）SDX確認后，反饋合法用戶信息給BAS；5）BAS根據(jù)用戶通過身份驗證情況，給STA下發(fā)DHCPresponse，STA獲取DHCP地址；6）STA根據(jù)該地址，在網(wǎng)頁重定向到Wi-Fi的Portal認證頁面，進行radius認證；7）認證通過后，就可以上網(wǎng)。Wi-Fi技術及應用IEEE802.11協(xié)議體系結構Wi-Fi技術Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化運營商接入網(wǎng)絡拓撲結構AC應用的網(wǎng)絡架構通過網(wǎng)絡架構優(yōu)化實現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡質(zhì)量提升Wi-Fi業(yè)務方式Wi-Fi網(wǎng)絡質(zhì)量優(yōu)化建議校園Wi-Fi網(wǎng)絡建設Wi-Fi技術的應用與發(fā)展Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化Wi-Fi網(wǎng)絡質(zhì)量優(yōu)化建議PPPOE方式在上聯(lián)無線和有線物理鏈路暢通的情況下，對應用層邏輯鏈路沒有要求，即用戶在無線網(wǎng)卡由于網(wǎng)絡應用層面無法獲取地址的情況下，仍可以直接撥號上網(wǎng)，有較強的網(wǎng)絡健壯性。Portal方式需要做到：1）用戶需獲取一個用于重定向Portal的DHCP地址；2）Portal服務器能夠?qū)⒂脩糨斎氲娜我忭撁嬷囟ㄏ虻秸J證Portal頁面上；3）用戶能夠在Portal頁面上順利地輸入用戶名和密碼，并登錄。校園Wi-Fi網(wǎng)絡建設校園Wi-Fi網(wǎng)絡拓撲設計圖2.22校園Wi-Fi網(wǎng)絡拓撲圖Wi-Fi技術及應用IEEE802.11協(xié)議體系結構Wi-Fi技術Wi-Fi網(wǎng)絡架構和優(yōu)化校園Wi-Fi網(wǎng)絡建設校園Wi-Fi網(wǎng)絡拓撲設計校園Wi-Fi網(wǎng)絡的頻率規(guī)劃校園Wi-Fi網(wǎng)絡覆蓋指標校園Wi-Fi網(wǎng)絡AP覆蓋設計Wi-Fi技術的應用與發(fā)展校園Wi-Fi網(wǎng)絡建設校園Wi-Fi網(wǎng)絡的頻率規(guī)劃1）2.4GHz頻率規(guī)劃2.4GHz劃分為14個子信道，可工作的信道為13個，每個子頻道帶寬為22MHz。為了避免頻道之間的干擾，一般選用1、6和11信道。2）5.8GHz頻率規(guī)劃

5.8GHz頻段劃分為5個子信道，信道號為149、153、157、161和165，帶寬125MHz。每個子頻道帶寬20MHz，采用雙信道捆綁技術時可以達到40MHz。雖然5.8GHz使用的是互不交疊的信道，但在AP部署密集的情況下，應錯開相鄰信道，減少頻率的干擾。校園Wi-Fi網(wǎng)絡建設校園Wi-Fi網(wǎng)絡覆蓋指標覆蓋指標1）校區(qū)所有房間(面板AP除外)內(nèi)要求無線信號在室內(nèi)任何空間信號強度2.4G、5.8G同時不低于-60dBm，丟包率小于1%；2）室外環(huán)境無線信號在無線蜂窩覆蓋邊緣信號強度2.4G、5.8G同時不低于-75dBm。同時為了達到信號穩(wěn)定，同頻率、同信道的干擾信號強度不得高于-75dBm。3）目標覆蓋重點區(qū)域內(nèi)99%以上位置，用戶終端收到的下行信號不小于60dBm；4）在目標覆蓋區(qū)域內(nèi)，單用戶接入最大下行業(yè)務速率不小于AP理論帶寬的50%。校園Wi-Fi網(wǎng)絡建設容量設計1）校園Wi-Fi網(wǎng)絡在進行多終端接入設計時，每個802.11nAP須能支持并發(fā)30-50個用戶；2）在不加密的情況下，2.4GHz上行或下行單向吞吐量不低于75Mbps，5.8GHz上行或下行單向吞吐量不低于155Mbps。校園Wi-Fi網(wǎng)絡AP覆蓋設計校園Wi-Fi網(wǎng)絡AP覆蓋設計AP覆蓋設計1）在整體覆蓋的規(guī)劃上，要保證無線接入器AP信號的有效覆蓋，選擇合適的AP天線，并對AP進行相關配置。2）對于同時存在多個WLAN覆蓋的網(wǎng)絡區(qū)域，AP在部署時應盡量避免頻率之間的相互干擾。3）通過降低AP的發(fā)射功率來縮小AP信號的覆蓋范圍，減少同頻率之間相互干擾的問題。4）在覆蓋方案中選擇AP的廠家和型號時，應綜合考慮設備的覆蓋方案、支持的標準、性價比、系統(tǒng)整體間可能存在的頻率干擾等因素。校園Wi-Fi網(wǎng)絡AP覆蓋設計AP部署方式AP分為室外型AP和室內(nèi)型AP兩種。室內(nèi)型AP又可分為外置天線AP、內(nèi)置天線AP、天線加饋線式AP和面板式AP。針對室內(nèi)的覆蓋，當前無線網(wǎng)絡的AP部署方式主要分為放裝部署方式、室分部署方式、智分部署方式和面板式部署方式。校園Wi-Fi網(wǎng)絡AP覆蓋設計1)放裝部署方式AP和天線部署在走廊或者是房間里。這種方式的優(yōu)點是部署實施簡單且經(jīng)濟，適合于較為空曠的場景。2)室分部署方式AP放在走廊或者是弱電間里，在走廊里加裝功分器、耦合器、天線、饋線等多種中間設備。3)智分部署方式智分部署方式是將智分AP放在走廊，通過饋線延伸把天線部署在房間內(nèi)，這種方式既綜合了放裝和室分的優(yōu)點，又解決了放裝方式在房間內(nèi)信號衰減、室分方式部署和維護困難的問題。Wi-Fi技術的應用與發(fā)展Wi-Fi技術與智能家居系統(tǒng)圖2.22基于Wi-Fi技術的智能家居系統(tǒng)基于Wi-Fi技術的智能家居系統(tǒng)由Wi-Fi家庭局域網(wǎng)、家庭網(wǎng)關、無線路由器、Internet網(wǎng)絡、手機接入網(wǎng)絡（2G、3G、4G、5G等通信網(wǎng)絡）和控制終端組成，如圖2.22所示。Wi-Fi技術的應用與發(fā)展Wi-Fi技術在智能家居中的應用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1）網(wǎng)絡可視對講2）防盜報警3）家電智能控制4）遠程監(jiān)控5）信息服務Wi-Fi技術的應用與發(fā)展Wi-Fi聯(lián)合5G組網(wǎng)技術1）融合組合技術的難點2）無感知認證技術3）綠色通信的相關規(guī)定無線短距離通信應用技術《無線短距離通信應用技術》第1章無線短距離通信概述第2章

WI-FI技術及其應用第3章

ZigBee技術及其應用第4章藍牙技術及其應用第5章UWB技術和60GHz通信技術第6章無線短距離通信主動傳輸技術第7章無線短距離通信與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)第8章無線自組織網(wǎng)絡技術目錄第3章

ZigBee技術及其應用§3.2ZigBee協(xié)議體系§3.4ZigBee技術的應用§3.1ZigBee技術概述§3.3ZigBee網(wǎng)絡構成§3.1ZigBee技術概述ZigBee技術是一種低復雜度、低功耗、低速率、低成本、短距離的雙向無線通信技術。ZigBee的技術優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）功耗低。（2）成本低。（3）時延短。（4）網(wǎng)絡容量大。（5）可靠性高。（6）安全性高?！?.1ZigBee技術概述特性取值狀態(tài)頻段868MHz/915MHz和2.4GHz數(shù)據(jù)傳輸速率868MHz：20Kb/s915MHz：42Kb/s2.4GHz：250Kb/s調(diào)制方式868MHz/915MHz：BPSK2.4GHz：O-QPSK擴頻方式直接序列擴頻通信范圍10～100m通信延時15～30ms信道數(shù)目868MHz：1915MHz：102.4GHz：16尋址方式64bit

IEEE地址，16bit網(wǎng)絡地址信道接入CSMA/CA和時隙化的CSMA/CA網(wǎng)絡拓撲星形、樹形、網(wǎng)形功耗極低狀態(tài)模式激活、休眠§3.2ZigBee協(xié)議體系§3.2ZigBee協(xié)議體系1．物理層（PHY）物理層是由半雙工的無線收發(fā)器和其接口組成的，主要負責以下任務：

（1）控制無線收發(fā)器的激活與關閉；

（2）選擇信道頻率；（3）提供鏈路質(zhì)量指示（LQI）；

（4）對當前信道進行能量檢測（ED）；

（5）為CSMA-CA提供信道空閑評估；（6）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)?！?.2ZigBee協(xié)議體系2．媒體訪問控制層（MAC）媒體訪問控制層在相鄰節(jié)點之間建立一條可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒質(zhì)，負責控制對物理信道的訪問。主要實現(xiàn)以下功能：（1）協(xié)調(diào)器的MAC層負責產(chǎn)生信標（Beacon）；（2）與信標幀同步；（3）在兩個對等的MAC實體間提供一條可靠的鏈路；§3.2ZigBee協(xié)議體系2．媒體訪問控制層（MAC）（4）實現(xiàn)對個域網(wǎng)的關聯(lián)與解除關聯(lián)；（5）采用CSMA-CA機制控制信道訪問；（6）維護設備安全；（7）維護時隙保障（GTS）機制；（8）負責維護PIB中與MAC層相關的信息，存儲與MAC層相關的常量和屬性?！?.2ZigBee協(xié)議體系3．網(wǎng)絡層（NWK）（1）開始一個新網(wǎng)段，即發(fā)起一個新網(wǎng)絡；（2）配置新設備，如一個新的設備可以配置為ZigBee協(xié)調(diào)器或加入現(xiàn)有網(wǎng)絡；（3）通過接收器控制功能控制節(jié)點加入/離開網(wǎng)絡；（4）使用網(wǎng)絡層安全服務；（5）將幀路由至其目的地，只有ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器可以轉發(fā)消息；

§3.2ZigBee協(xié)議體系3．網(wǎng)絡層（NWK）（6）發(fā)現(xiàn)和維護設備間的路由，這個能力是為了更有效地路由消息；（7）發(fā)現(xiàn)單跳鄰居，鄰居間可以直接通信而不需要經(jīng)過任何其他設備的中繼服務；（8）儲存單跳鄰居的信息；（9）為加入網(wǎng)絡的設備分配地址，只有ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器可以分配地址?！?.2ZigBee協(xié)議體系4．應用層（APL）

應用層是協(xié)議棧的最高層，由三部分組成：應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和應用框架（AF）。

APS連接網(wǎng)絡層和應用層，是它們之間的接口。§3.2ZigBee協(xié)議體系4．應用層（APL）

ZDO負責設備的管理工作，包括定義設備在網(wǎng)絡中的角色（如屬于協(xié)調(diào)器、路由器還是終端設備）、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的設備、發(fā)起和響應綁定請求、在設備之間建立安全機制。AF應用框架是設備應用對象的工作環(huán)境，是應用層與APS層的接口。它負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應的目的端點。§3.2.1物理層

IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準：2.4GHz物理層和868MHz/915MHz物理層。它們都基于DSSS（直接序列擴頻），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率不同。2.4GHz頻段為全球統(tǒng)一的、開放的ISM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。ZigBee物理層的三個頻段總共劃分出了27個信道。通常情況下，一個ZigBee設備不能同時兼容這三個頻段。§3.2.1物理層工作頻段868MHZ915MHZ2.4GHz信道數(shù)（個）11016調(diào)試方式差分編碼的二進制相移鍵控調(diào)制16進制正交調(diào)制擴頻方式碼片長度為15的M序列直接擴頻碼片長度為8的M序列直接擴頻碼元率20kBaud40kBaud60.5kBaud速率20Kb/s40Kb/s250Kb/sZigBee物理層三個頻段性能特性對比§3.2.1物理層物理層幀格式同步頭物理幀頭物理層幀負荷4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)長度可變前導碼（Preamble）SFD幀長度（7b）保留位（1b）PSDU§3.2.1物理層物理層邏輯結構示意圖（1）PLME：PHY層管理實體，處理與物理層管理相關的原語。

（2）PHYPIB：PHY層PAN信息數(shù)據(jù)庫，存儲物理層PAN相關屬性。

（3）PD-SAP：PHY數(shù)據(jù)服務訪問點，物理層與MAC層的數(shù)據(jù)接口。任務是接收將要發(fā)送的MAC幀，向MAC層報告收到的MAC幀，為MAC層提供PHY數(shù)據(jù)服務。

§3.2.1物理層物理層邏輯結構示意圖（4）PLME-SAP：PLME服務訪問點，物理層與MAC層的管理接口。任務是接收MAC層的管理請求原語，向MAC層報告管理指示原語和確認原語，為上層MAC層提供PHY管理服務。

（5）RF-SAP：射頻服務訪問點，為PHY層提供射頻收發(fā)服務。

§3.2.2媒體接入控制層MAC層邏輯結構示意圖（1）MAC通用部分子層（MCPS）：實現(xiàn)MAC層一般功能。任務包括MAC幀的封裝、解封裝；執(zhí)行CSMA-CA算法共享物理信道。

§3.2.2媒體接入控制層MAC層邏輯結構示意圖（2）MLME：MAC層管理實體，處理除數(shù)據(jù)原語之外的所有管理原語，以實現(xiàn)標準規(guī)定的MAC層功能?！?.2.2媒體接入控制層MAC層邏輯結構示意圖（3）MACPIB：MAC層PAN信息數(shù)據(jù)庫，存儲MAC層PAN相關屬性。（4）MCPS-SAP：MCPS服務訪問點，MAC層與網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)接口。任務是接收網(wǎng)絡層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，向網(wǎng)絡層報告MAC層服務數(shù)據(jù)單元，為網(wǎng)絡層提供MAC層數(shù)據(jù)服務?！?.2.2媒體接入控制層MAC層邏輯結構示意圖（5）MLME-SAP：MLME服務訪問點，MAC層與網(wǎng)絡層的管理接口。接收發(fā)送數(shù)據(jù)原語以外的管理服務原語，為網(wǎng)絡層提供MAC管理服務?！?.2.2媒體接入控制層MAC幀結構字節(jié)：210/21/2/80/20/2/8可變2幀控制幀序列碼目的PAN標識符目的地址源PAN標識符源地址凈荷幀校驗地址域MAC幀頭MAC幀負載MAC幀尾§3.2.2媒體接入控制層位：0～234567～910～1112～1314～15幀類型加密位后續(xù)幀控制位應答請求同意PAN指示保留目的地址模式保留源地址模式MAC幀控制域結構§3.2.2媒體接入控制層

幀類型子域幀類型值（m2m1m0）描述000信標幀001數(shù)據(jù)幀010應答幀011MAC命令幀100～111保留§3.2.2媒體接入控制層

信標幀結構字節(jié)：214/100KMN2幀控制序列號地址域超幀描述字段GTS分配字段帶轉發(fā)數(shù)據(jù)目標地址信標幀負載幀校驗MAC幀頭MAC數(shù)據(jù)服務單元MAC幀尾§3.2.2媒體接入控制層

數(shù)據(jù)幀結構字節(jié)：21420N2幀控制序列號地址域數(shù)據(jù)幀負載幀校驗MAC幀頭MAC數(shù)據(jù)服務單元MAC幀尾§3.2.2媒體接入控制層

響應幀結構字節(jié)：212幀控制序列號幀校驗MAC幀頭MAC幀尾§3.2.2媒體接入控制層

MAC命令幀結構字節(jié)：214～201N2幀控制序列號地址域命令類型數(shù)據(jù)幀負載幀校驗MAC幀頭MAC數(shù)據(jù)服務單元MAC幀尾§3.2.2媒體接入控制層

成功的無應答數(shù)據(jù)傳輸流程§3.2.2媒體接入控制層

成功的有應答數(shù)據(jù)傳輸過程§3.2.2媒體接入控制層

信標使能傳輸模式的流程圖§3.2.2媒體接入控制層

非信標使能傳輸模式的流程圖§3.2.3網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層邏輯結構示意圖在ZigBee協(xié)議棧中，網(wǎng)絡層負責拓撲結構的建立和維護網(wǎng)絡連接，主要功能如下。（1）設備連接網(wǎng)絡與斷開網(wǎng)絡時采用的機制，以及幀信息傳送過程中采用的安全機制。（2）設備節(jié)點的路由發(fā)現(xiàn)、維護和轉交?！?.2.3網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層邏輯結構示意圖（3）發(fā)現(xiàn)一跳（one-hop）鄰近節(jié)點設備及存儲其相關節(jié)點信息。（4）提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并為應用層提供相應的服務接口?！?.2.3網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層幀結構2字節(jié)2字節(jié)2字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)0/80/80/1變長變長幀控制目的地址源地址廣播半徑域廣播序列號目的地址源地址多點傳送控制源路由幀幀的有效載荷網(wǎng)絡層幀報頭網(wǎng)絡層有效載荷§3.2.4應用層

應用層是ZigBee協(xié)議的最高層，通過該層可以控制整個協(xié)議棧的運行。ZigBee協(xié)議的應用層包括應用支持子層（APS）、應用層框架（AF）和ZigBee設備對象（ZDO）?！?.2.4應用層應用支持子層邏輯結構1．應用支持子層（APS）§3.2.4應用層應用支持子層幀格式1．應用支持子層（APS）應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式應用支持子層幀格式§3.2.4應用層2．應用層框架（AF）ZigBee應用層框架是應用設備和ZigBee設備連接的環(huán)境。在應用層框架中，應用對象通過APSDE-SAP發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而對應用對象的控制和管理則通過ZigBee設備對象（ZDO）公用接口來實現(xiàn)?！?.2.4應用層3．ZigBee設備對象（ZDO）

ZigBee設備對象位于應用層框架和應用支持子層之間，其描述的是一個基本的功能接口函數(shù)，這一功能接口函數(shù)在設備規(guī)范、APS和ZDO之間提供了函數(shù)接口，滿足所有應用操作對ZigBee協(xié)議棧的一般需求。ZDO提供了相關接口，使應用對象與協(xié)議棧的下一層相連，通過APSDE-SAP傳輸數(shù)據(jù)信息，通過APSME-SAP傳輸控制信息?！?.2.5ZigBee安全管理

ZigBee提供三級安全模式，包括非安全模式、接入控制列表（ACL）模式和安全模式，采用高級加密標準AES-128的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。安全模式對接收或發(fā)送的幀提供全部的四種安全服務：訪問控制、數(shù)據(jù)加密、幀完整性檢查和序列更新。MAC層、NWK層和APL層都有可靠的安全傳輸機制用于它們自己的數(shù)據(jù)幀§3.3ZigBee網(wǎng)絡構成利用ZigBee技術可以方便地組建廉價的低速率無線個域網(wǎng)。網(wǎng)絡中的成員按照所具備功能的不同劃分成三個不同的種類，即協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點。ZigBee網(wǎng)絡支持IEEE802.15.4定義的兩種類型的物理設備：全功能設備（FFD）、精簡功能設備（RFD）。§3.3.1ZigBee網(wǎng)絡成員協(xié)調(diào)器功能示意圖§3.3.1ZigBee網(wǎng)絡成員路由器功能示意圖§3.3.1ZigBee網(wǎng)絡成員終端設備功能示意圖§3.3.2ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結構ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構§3.3.3ZigBee網(wǎng)絡的建立不同的網(wǎng)絡拓撲結構其網(wǎng)絡建立流程是不一樣的。下面以網(wǎng)狀拓撲為例來分析ZigBee網(wǎng)絡的建立流程。組建一個完整的ZigBee網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)絡包括兩個步驟：網(wǎng)絡初始化；節(jié)點加入網(wǎng)絡。其中節(jié)點加入網(wǎng)絡又包括兩個步驟：通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)；通過已有父節(jié)點入網(wǎng)。§3.3.3ZigBee網(wǎng)絡的建立ZigBee節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡流程§3.3.3ZigBee網(wǎng)絡的建立組網(wǎng)算法流程圖§3.4ZigBee技術的應用

ZigBee技術應用領域主要包括家庭自動化、家庭安全、工業(yè)與環(huán)境監(jiān)控、個人醫(yī)療看護等行業(yè)中的低速率無線通信，以下是在不同領域的應用。家庭和樓宇網(wǎng)絡：空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制、照明系統(tǒng)的自動控制、窗簾的自動控制、家用電器的遠程控制、門禁系統(tǒng)控制等。工業(yè)控制：結合各種傳感器進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。商業(yè)：智慧型標簽等?！?.4ZigBee技術的應用公共場所：煙霧探測器等。農(nóng)業(yè)控制：收集包括土壤濕度、氮濃度、pH值等土壤信息和空氣濕度、氣壓等氣候信息。醫(yī)療：醫(yī)療傳感器實時地檢測患者、老人與行動不便者的血壓、體溫和心跳等信息，有助于醫(yī)生對患者的監(jiān)護和治療。本章小結

ZigBee技術是一種低復雜度、低功耗、低速率、低成本、短距離的雙向無線通信技術。ZigBee建立在IEEE802.15.4的無線通信協(xié)議標準之上。主要由IEEE802.15.4小組和ZigBee聯(lián)盟兩個組織負責標準規(guī)范的制定。ZigBee標準要解決的問題是設計一個維持最小流量的通信鏈路和低復雜度的無線收發(fā)信機。本章小結

IEEE802.15.4-2003標準定義了物理層和媒體訪問控制層。IEEE802.15.4定義的兩個物理層分別工作在868/915SMHz和2.4GHz兩個頻段上。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz的歐洲頻段和915MHz的美國與澳大利亞等國的頻段。高頻段則全球通用。本章小結

ZigBee聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡層、應用層架構。其中應用層包括應用支持子層、應用架構層及ZigBee的設備對象以及制造商定義的應用對象。每個層都有一套特定的服務方法和上一層連接。數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)的傳輸服務，而管理實體提供所有的服務類型。每個層的服務實體通過服務接入點和上一層相接，每個服務接入點提供大量服務方法來完成相應的操作。本章小結

ZigBee提供非安全模式、接入控制列表模式和安全模式三級安全模式，在安全模式采用高級加密標準AES-128的對稱密碼，可依據(jù)應用場景的不同靈活確定其安全屬性。本章小結

ZigBee網(wǎng)絡主要有三種組網(wǎng)方式：星型網(wǎng)絡、樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡。利用ZigBee技術可以靈活地組建廉價的低速率無線個域網(wǎng)。網(wǎng)絡中的成員按照所具備功能的不同劃分成三個不同的種類，即協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點。本章小結

Zigbee技術應用領域主要包括家庭自動化、家庭安全、工業(yè)與環(huán)境監(jiān)控、個人醫(yī)療看護等行業(yè)中的低速率的無線通信。短距離無線通信技術短距離無線通信技術第1章無線短距離通信概述第2章

WI-FI技術及其應用第3章

ZigBee技術及其應用第4章

藍牙技術及其應用第5章UWB技術和60GHz通信技術第6章無線短距離通信主動傳輸技術第7章無線短距離通信與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)第8章無線自組織網(wǎng)絡技術目錄第4章

藍牙技術及其應用§4.2傳統(tǒng)藍牙技術§4.4低功耗藍牙技術§4.1藍牙技術概述§4.3高速藍牙技術§4.5藍牙4.1§4.6藍牙技術的應用

§4.1藍牙技術概述

隨著通信網(wǎng)絡的發(fā)達，各種通信電纜五花八門，人們在覺得它們必不可少的同時，又傷透了腦筋，如電纜使用不便、連線頻出故障、各種電纜之間無法通用等一系列問題。為了取消連線，以較低成本實現(xiàn)設備間的無線通信，便誕生了藍牙技術，它是一種低功率短距離的無線連接技術標準的代稱?！?.1藍牙技術概述

藍牙技術具有以下主要特點:（1）工作頻率為2.4GHz及抗干擾性。藍牙技術工作在2.4GHz工業(yè)、科學、醫(yī)學ISM頻段，該頻段在世界范圍內(nèi)都可以自由使用，不存在“國界”障礙。為避免干擾，設計了小數(shù)據(jù)分組和快速確認跳頻方案，以確保鏈路穩(wěn)定?！?.1藍牙技術概述

藍牙技術具有以下主要特點:（2）使用方便，“即插即用”。嵌入藍牙技術的設備一旦搜尋到另一個藍牙設備，馬上就可以建立聯(lián)系，利用相關的控制軟件，即可進行數(shù)據(jù)的傳輸。（3）支持語音。（4）無需基站。藍牙系統(tǒng)網(wǎng)絡以藍牙模塊為節(jié)點，無須建立基站，就可以進行無線連接?！?.1藍牙技術概述

藍牙技術具有以下主要特點:（5）尺寸小、功耗低。藍牙工作或待機時所消耗的電能大約只相當于手機的3％～5％，工作于3～5V的低電壓，它具有四種功耗模式，能夠在通信量減少或通信結束時轉入到低功耗模式。§4.1藍牙技術概述

藍牙技術具有以下主要特點:（6）多路多方向鏈接。藍牙無線收發(fā)器的10m鏈接距離不限制在直線范圍內(nèi)，可穿透一般的障礙物。藍牙設備能自動尋找它周圍的藍牙設備，一旦找到就會自動連接，一個藍牙系統(tǒng)可同時連接多達7個設備，構成一個微微網(wǎng)。相鄰的微微網(wǎng)之間可以通過一個同時跨接兩個微微網(wǎng)的設備相連，使這種無線連接的范圍得以延伸?！?.1藍牙技術概述

藍牙技術具有以下主要特點:（7）保密性。藍牙傳輸具有全方位特性，因此它就有可能被任意方向的設備竊聽或破壞，所以藍牙的防竊聽能力就顯得格外重要。為此，藍牙在其基帶協(xié)議中加入了鑒權和加密措施。另外，藍牙采用的跳頻技術本身也具有一定的保密性能?！?.2傳統(tǒng)藍牙技術

傳統(tǒng)藍牙技術是基于藍牙2.1+EDR協(xié)議為基礎的藍牙技術。傳統(tǒng)藍牙協(xié)議棧結構§4.2.1藍牙無線規(guī)范

根據(jù)藍牙發(fā)射功率的電平值，可以把藍牙設備劃分為3個功率等級，如表所示:功率等級最大輸出功率正常輸出功率最小輸出功率123100mW(20dBm)2.5mW(4dBm)1mW(0dBm)—1mW(0dBm)—1mW(0dBm)0.25mW(-6dBm)—藍牙功率等級§4.2.2藍牙基帶規(guī)范基帶層位于藍牙協(xié)議棧的藍牙射頻層之上，與射頻層一起構成藍牙規(guī)范的物理層。藍牙設備發(fā)送數(shù)據(jù)時，基帶部分將來自高層協(xié)議的數(shù)據(jù)進行信道編碼，向下傳給射頻進行發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時，射頻解調(diào)恢復接收到的數(shù)據(jù)并上傳給基帶，基帶再對其進行解碼，向高層傳輸?！?.2.2藍牙基帶規(guī)范從本質(zhì)上看，基帶層作為一個鏈接控制器，描述了基帶鏈路控制器的數(shù)字信號處理規(guī)范，并與鏈路管理器協(xié)同工作，負責執(zhí)行連接建立和功率控制等鏈路層的任務?；鶐瞻l(fā)器在跳頻（頻分）的同時將時間劃分（時分），采用時分雙工（TDD）工作方式（交替發(fā)送和接收），基帶負責把數(shù)字信號寫入收發(fā)器并從收發(fā)器中讀取數(shù)據(jù)?！?.2.3其他幾個重要協(xié)議藍牙整體協(xié)議架構§4.2.3其他幾個重要協(xié)議1．鏈路管理協(xié)議（LMP）鏈路管理協(xié)議是藍牙協(xié)議棧中的一個重要組成部分。它主要完成三個方面的工作：①處理、控制和協(xié)商發(fā)送數(shù)據(jù)所使用的分組的大?。虎诠芾硭{牙單元的功率模式和在微微網(wǎng)中的狀態(tài)；③處理鏈路和密鑰的生成、交換與控制?！?.2.3其他幾個重要協(xié)議2．邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）L2CAP位于基帶協(xié)議之上，是數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，是一個為高層傳輸層和應用層協(xié)議屏蔽基帶協(xié)議的適配協(xié)議。L2CAP通過協(xié)議的復用、分段和重組及提取，向上層協(xié)議提供面向鏈接和無鏈接的數(shù)據(jù)服務。L2CAP允許高層協(xié)議和應用發(fā)送和接收高達64KB的數(shù)據(jù)分組，L2CAP還允許單信道的流控制和重傳。L2CAP只支持異步無鏈接（ACL）鏈路?！?.2.3其他幾個重要協(xié)議3．服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）是藍牙核心協(xié)議之一，是一個基于客戶/服務器結構的協(xié)議，應用程序依靠SDP發(fā)現(xiàn)哪些服務可用及這些服務的屬性。服務的屬性包括服務的類型及使用該服務必須具備的機制或協(xié)議等。服務器維護服務記錄列表，服務記錄列表描述與該