第4章無線個域網(wǎng)

1、第4章 無線個域網(wǎng)內(nèi)容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15標準4.3 藍牙技術4.4 ZigBee技術4.1 概述n 手機、PC機、汽車、音響、電視、微波爐、電冰箱等消費類產(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，實現(xiàn)不同功能單一設備的互聯(lián)，提供小范圍內(nèi)設備的自組網(wǎng)機制，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 無線個人區(qū)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network，WPAN，簡稱無線個域網(wǎng))技術就是一種滿足上述應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。 無線個域網(wǎng)技術 n藍牙(Blue Tooth) n紅外線通信（

2、IrDA） n家庭射頻（HomeRF） n超寬帶（UWB） nZigbee n近場通信（NFC）藍牙技術n藍牙技術是一種支持點到點、點到多點語音和數(shù)據(jù)業(yè)務的短距離無線通信技術。極大地推動了WPAN的發(fā)展。n藍牙最基本的網(wǎng)絡結構是微微網(wǎng)（Piconet），由主設備單元和從設備單元組成。主設備單元負責提供時鐘同步信號和跳頻序列，在一個微微網(wǎng)中，所有設備均采用同一跳頻序列。一個微微網(wǎng)中從設備單元最多可有7個。IrDA技術nIrDA技術是目前幾種技術中市場份額最大的，已安裝了至少5000萬個單元。采用紅外線作為通信媒介，支持各種速率的點到點的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務，主要應用在嵌入式的系統(tǒng)和設備中。HomeRF

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

4、自己的無線通信標準，在數(shù)千個微波的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。n低功耗、接力傳輸，通信效率高。近場通信（NFC）n 近場通信（NFC）是一個超短距離的無線通信技術，它是用磁場感應使得兩個設備物理接觸的，在幾厘米范圍內(nèi)的設備通信。是一項實現(xiàn)消費電子設備之間互聯(lián)的技術而出現(xiàn)，從無連接識別技術（如RFID）和網(wǎng)絡技術融合發(fā)展而來，目標是通過自動連接和配置實現(xiàn)簡單的點到點連接。n NFC與標準RF無線通信的本質區(qū)別在于：RF信號是在收發(fā)設備之間傳送，標準的RF通信，如Wi-Fi，被稱為“遠場”通信，因為通論距離與它的天線尺寸關系較大；近場通信是兩個設備文章的直接磁場或者電場的耦合來實現(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標準4.3 藍牙技術4.4 ZigBee技術4.2 IEEE802.15標準 IEEE 802.15工作組是IEEE針對無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)而成立的，開發(fā)有關短距離范圍的WPAN標準。 4.2.1 標準構成n 802.15.1是以既有藍牙標準為基礎，制定藍牙無線通信規(guī)范的一個正式標準。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)對比于802.11設備是低成本和低功耗的設備的標準上。該工作組關注于高數(shù)據(jù)率的WPAN的開發(fā)。應用實例見教材。n 80

6、2.15.3a的目標是要在使用同樣的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)了一個非常低成本、非常低功耗的比802.15.1數(shù)據(jù)率要低的設備標準。研究可維持多個月到多年的電池壽命且復雜性很低的低數(shù)據(jù)率的解決方案。 IEEE802.15協(xié)議體系結構 WLAN與WPAN 內(nèi)容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15標準4.3 藍牙技術4.4 ZigBee技術n IEEE802.15.1的基礎，源于1994年愛立信公司的一項研究，旨在在移動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)合成立藍牙特殊

7、利益集團(SIG) n 1999年7月SIG公布藍牙規(guī)范1.0版 n 1999年12月公布藍牙規(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 短距離無線藍牙技術已經(jīng)嵌入到了許多消費裝置中，從筆記本電腦、手機到汽車都可以看到藍牙的蹤影。很多操作系統(tǒng)都增加了對藍牙的支持。藍牙進入企業(yè)的首要渠道來自手機、筆記本電腦和PAD。4.3.1 藍牙技術的誕生與發(fā)展藍牙技術優(yōu)點 (1)可以隨時隨地用無線接口代替有線電纜連接；(2)具有很強的移植性，可應用于多種通信場合，如WAP、GSM(全球移動通信系統(tǒng))、DECT(歐規(guī)數(shù)字無繩通信)等，引入

8、身份識別后可以靈活地實現(xiàn)漫游；(3)低功耗，對人體傷害?。?4)藍牙集成電路簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，易于推廣。 藍牙技術工作在2.4GHz，能達到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，實際上達不到。藍牙支持點對點和點對多點的通信。藍牙最基本的網(wǎng)絡結構是Picnet，也叫微微網(wǎng)。是一種個人網(wǎng)絡，不能代替LAN，只是用來簡化或代替人個區(qū)域中的電纜連接。匹克網(wǎng)由主設備和從設備構成。4.3.3 藍牙標準文檔構成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牙協(xié)議體系結構的細節(jié)。n 概要規(guī)范(profile specif

9、ications):考慮使用藍牙技術支持不同的應用。每個概要規(guī)范討論在核心規(guī)范中定義的技術，以實現(xiàn)特定的應用模型(Usage Model)。 4.3.4 藍牙協(xié)議體系結構核心協(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、調制模式和傳輸功率在內(nèi)的空中接口細節(jié)。(2)基帶(baseband)：考慮一個微微網(wǎng)中的連接建立、尋址、分組格式、計時和功率控制。(3)鏈路管理器協(xié)議(link manager protocol，LMP)：負責在藍牙設備和正在運行的鏈路管理之間建立鏈路。包括諸如認證、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、和自適應協(xié)議(logical link control and adaptation protocol，L2CAP)：使高層協(xié)議適應基帶層。L2CAP提供無連接和面向連接服務。(5)服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議(service discovery protocol，SDP)：詢問設備信息、服務與服務特征，使得在兩個或多個藍牙設備間建立連接成為可能。4.3.5 應用模型 大量應用模型定義在藍牙的概要規(guī)范文檔中。本質上，一個應用模型是一套實施特定的基于藍牙的應用的協(xié)議。每個概要文件定義了支持一特定應用模型的協(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。也包括了在遠程設備中瀏覽文件夾的功

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

12、FCOMML2CAPSDPPPP同步同步應用IrMCRFCOMML2CAPSDPOBEX無繩電話或內(nèi)部通信無繩電話或基站應用TCS BIN音頻L2CAPSDP耳機HS網(wǎng)關或基站應用AT命令RFCOMML2CAPSDP音頻4.3.6 藍牙應用n 藍牙為3個使用短距離無線連接的通用應用領域提供支持：n （1）數(shù)據(jù)和語音接入點n （2）電纜替代n （3）自組網(wǎng)絡n 應用實例：n 手機與計算機相連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、家庭網(wǎng)絡、高速無線內(nèi)部網(wǎng)絡、電子名牌等。4.3.7 微微網(wǎng)和散布式網(wǎng)絡(網(wǎng)絡模式) n 藍

13、牙中的基本聯(lián)網(wǎng)單元是一個微微網(wǎng)，它由一臺主設備和17臺活躍的從設備組成。 n 一個微微網(wǎng)中的設備也可作為另一個微微網(wǎng)的一部分存在，并在每個微微網(wǎng)中，起從設備或主設備功能,這種形式的重疊被稱為散布式網(wǎng)絡(scatternet)。 n 微微網(wǎng)/散布式網(wǎng)絡模式的優(yōu)點在于：它允許大量設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/從關系 無線網(wǎng)絡的配置 4.3.8 藍牙規(guī)范的五層核心協(xié)議 1.藍牙無線電規(guī)范2.藍牙基帶規(guī)范3.藍牙鏈路管理器規(guī)范4.藍牙邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議5.藍牙服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議1.藍牙無線電規(guī)范拓 撲一個邏輯的星形結構中，高

14、達7條并行鏈路調制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)絡的接入FH-CDMA國際上藍牙的頻率分配 區(qū) 域調節(jié)范圍/GHzRF信道美國、歐洲的大部分國家和其他國家中的大部分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2.44652.4835f=2.454+nMH

15、z,n0,22 藍牙利用波段中的2.4GHz波段。在大多數(shù)國家，此帶寬足以定義79個1MHz的物理信道 2. 藍牙基帶規(guī)范n基帶規(guī)范是最為復雜的藍牙文檔之一，在此只簡要介紹一些關鍵成分。n藍牙基帶層在物理層之上，管理物理信道和鏈路，包括藍牙設備的發(fā)現(xiàn)、鏈路連接與管理及功率控制。n微微網(wǎng)中，用時分利用方式來劃分設備的接入信道。主從設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主要用來傳遞語音數(shù)據(jù)，ACL連接主設備和所有的從設備。 3.藍牙鏈路管理器規(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方面。n 協(xié)議涉及主站和從站的LMP實體間

16、表現(xiàn)為LMP PDU(protocol data unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)形式的報文的交換。報文總是作為單個分組發(fā)送，該分組帶有一位標識報文類型的負載首部，和一個包含與此報文相關的附加信息的負荷實體。 n 為LMP定義的過程被分為24個功能區(qū)，其中每個都涉及一個或多個報文的交換。 4.藍牙邏輯鏈路控制和自適應協(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協(xié)議)在共享媒介網(wǎng)絡的實體間提供一個鏈路層協(xié)議。n L2CAP為流和差錯控制提供大量服務，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.藍牙服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議n 在藍牙規(guī)范提出之前，服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議已經(jīng)存在。n 在藍牙設備的無線網(wǎng)絡中，本地設備發(fā)現(xiàn)、利用遠端設備所提供的服務和功能，并向其它藍牙設備提供自身的服務，這是網(wǎng)絡資源共享的途徑，也是服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議要解決的問題。n 服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議提供了服務注冊的方法和訪問服務發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的途徑。n SIG針對藍牙網(wǎng)絡靈活、動態(tài)的特點，開發(fā)了藍牙專用的服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議。 內(nèi)容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15標準4.3 藍牙技術4.4 ZigBee技術4.4 ZigBee技術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的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。n ZigBee是這種技術的商業(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 在標準化方面，IEEE802.15.4工作組主要負責指定物理層和MAC層的協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟負責高層應用、測試和市場推廣等方面的工作。4.4 ZigBee技術4.4.1 ZigBee的特點4.4.2 ZigBee標準體系4.4.3 ZigBee網(wǎng)絡的結構4.4.4 ZigBee協(xié)議架構4.4.5 ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點類型4.4.6 ZigBee技術應用4.4.1 ZigBee的特點（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)絡結構（6）超大的網(wǎng)絡容量4.4.2 ZigBee標準體系4.4.3 ZigBee網(wǎng)絡的結構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