第7章無線低速網(wǎng)絡(luò)

第7章無線低速網(wǎng)絡(luò)"KingHaraldbadethesememorialstobemadeafterGorm,hisfather,andThyra,hismother.TheHaraldwhowonthewholeofDenmarkandNorwayandturnedtheDanestoChristianity.”-TheJellingstones2第6章介紹了無線網(wǎng)絡(luò)的分類及特點(diǎn)，并以Wi-Fi和WiMAX技術(shù)為例重點(diǎn)介紹了無線寬帶網(wǎng)絡(luò)協(xié)議802.11和802.16數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和MAC層協(xié)議的特點(diǎn)和技術(shù)。3內(nèi)容回顧7.1低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述7.2紅外線通信7.3藍(lán)牙7.4802.15.4/ZigBee7.5體域網(wǎng)7.6容遲網(wǎng)絡(luò)4本章內(nèi)容記錄和測(cè)量日常生活中的運(yùn)動(dòng)量。將測(cè)量的卡路里、步數(shù)、體溫、血氧等數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙技術(shù)傳送到智能手機(jī)上。用戶還可以以社區(qū)的形式與好友進(jìn)行分享。5無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用舉例（一）智能腕帶采集人體的生命體征數(shù)據(jù)，如：ECG、EEG、心率、血壓、體溫等數(shù)據(jù)以及身體健康數(shù)據(jù)，如：測(cè)量的時(shí)間、卡路里、步數(shù)、體溫等數(shù)據(jù)。要求的數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，一般低于10kbps。6無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)用舉例（二）無線體域網(wǎng)應(yīng)用需求牽引技術(shù)發(fā)展“長尾效應(yīng)”人類20%需求是高帶寬，比如視頻服務(wù)等；人類還存在80%泛在需求，比如查詢冰箱狀態(tài)，個(gè)人生命體征監(jiān)測(cè)等。需要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中各種各樣的物體進(jìn)行操作的前提就是先將他們連接起來，低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)互通的前提。物聯(lián)網(wǎng)背景下連接的物體，既有智能的也有非智能的。7為什么需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)物體特征多樣性低成本低帶寬低功耗低通信半徑低計(jì)算能力8為什么需要低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議？紅外(InfraredCommunication)藍(lán)牙(Bluetooth)通信協(xié)議IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議體域網(wǎng)(BodyAreaNetwork)協(xié)議容遲網(wǎng)絡(luò)(Delay/DisruptionTolerantNetwork)協(xié)議9常見無線低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議10無線短距低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

簡(jiǎn)單對(duì)比協(xié)議名稱頻段距離耗電速率紅外3.4KGHZ(波長875nm左右)1米左右極低幾十kbps到1Gbps藍(lán)牙8002-2.480GHz幾米至百米一般1Mbps，也能支持幾十兆速率ZigBee802.15.4868.0-868.6MHz(歐洲)902-928MHz(北美)2.4-2.4835GHz(通用)幾十米~百米較低20kbps、40kbps、250kbps體域網(wǎng)802.15.6400MHz、900MHz2.4GHz1米較低可達(dá)10MHzWi-Fi2.4GHz，3.6GHz，5GHz百米量級(jí)高高速Wi-Fi大于百兆量級(jí)7.1低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述7.2紅外線通信7.3藍(lán)牙7.4802.15.4/ZigBee7.5體域網(wǎng)7.6容遲網(wǎng)絡(luò)11本章內(nèi)容紅外通信技術(shù)利用紅外線傳輸數(shù)據(jù)，比藍(lán)牙技術(shù)出現(xiàn)更早，是一種較早的無線通信技術(shù)。特點(diǎn)紅外通信采用的是875nm左右波長的光波通信，通信距離一般為1米左右。設(shè)備體積小、成本低、功耗低、不需要頻率申請(qǐng)等優(yōu)勢(shì)缺點(diǎn)設(shè)備之間必須互相可見對(duì)障礙物的衍射較差12紅外（Infrared）1995年，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(IrDA)就紅外通信的通信標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致，約有120家以上的廠商支持紅外通信標(biāo)準(zhǔn)。1996年底，IrDA1.1標(biāo)準(zhǔn)頒布，紅外數(shù)據(jù)通信最大傳輸率達(dá)4Mbps。截止到2006年，紅外通信技術(shù)已經(jīng)擁有每年一億五千萬套的設(shè)備安裝量，并保持每年40%的高速增長。紅外通信主要應(yīng)用于家電遙控器、汽車防盜、游戲等領(lǐng)域。由于通信距離、速率和可見性等限制，紅外通信慢慢的被更低頻率的藍(lán)牙和Wi-Fi所取代。紅外設(shè)備在通信過程中不能移動(dòng)使得該技術(shù)很難用于外部設(shè)備，比如說鼠標(biāo)、耳機(jī)上。13紅外通信技術(shù)的發(fā)展2008年，KDDI公司在WirelessJapan2008上演示了數(shù)據(jù)傳輸距離為1Gbps的紅外線通信規(guī)格“Giga-IR”。此外，紅外通信技術(shù)在手機(jī)移動(dòng)支付的應(yīng)用潛力也不可小覷。14紅外通信技術(shù)的發(fā)展紅外適配器遙控器攝像頭紅外功能手機(jī)7.1低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述7.2紅外線通信7.3藍(lán)牙7.4802.15.4/ZigBee7.5體域網(wǎng)7.6容遲網(wǎng)絡(luò)15本章內(nèi)容藍(lán)牙(Bluetooth)名字來源于10世紀(jì)丹麥國王HaraldBlatand－英譯為HaroldBluetooth。1994年，瑞典愛立信公司研發(fā)了一種基于個(gè)人操作空間(personaloperatingspace,POS)的短距無線通信技術(shù)，并用Blatand國王的名字命名。16藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)生藍(lán)牙標(biāo)志由Scandinavian公司設(shè)計(jì)。標(biāo)志保留了它名字的傳統(tǒng)特色，包含了古北歐字母“H”，看上去非常類似一個(gè)星號(hào)和一個(gè)“B”，在標(biāo)志上仔細(xì)看兩者都能看到。17藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)生藍(lán)牙Logo1998年，藍(lán)牙技術(shù)由藍(lán)牙特別興趣小組(BluetoothSpecialInterestGroup)成立，成員包括愛立信、IBM、Intel、東芝和諾基亞等國際通信巨頭。1998年3月，藍(lán)牙技術(shù)成為IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙技術(shù)的物理層采用跳頻擴(kuò)頻結(jié)合的調(diào)制技術(shù)，頻段范圍是2.402GHz-2.480GHz，通信速率一般能達(dá)到1Mbps左右。藍(lán)牙設(shè)備有兩種可能的角色，分別為主設(shè)備和從設(shè)備。同一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備可以在這兩種角色之間轉(zhuǎn)換。一個(gè)主藍(lán)牙設(shè)備可以最多同時(shí)和7個(gè)從設(shè)備通信。18藍(lán)牙技術(shù)截止到2010年7月，藍(lán)牙特別興趣小組共推出六個(gè)版本V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0，以通訊距離來在不同版本可再分為ClassA(1)/ClassB(2)。藍(lán)牙的通信距離也提高到100米以上，通信速率達(dá)到24Mbps。建立連接時(shí)間長、功耗高、安全性不高19藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展藍(lán)牙耳機(jī)

藍(lán)牙鼠標(biāo)

藍(lán)牙鍵盤

藍(lán)牙游戲手柄藍(lán)牙v4.0的出現(xiàn)，在功耗、安全性、連接性等方面對(duì)藍(lán)牙技術(shù)有了巨大的提升。藍(lán)牙技術(shù)目前的成員達(dá)到16,000家成員和每天具有藍(lán)牙技術(shù)產(chǎn)品的出貨量達(dá)到五百萬部，藍(lán)牙技術(shù)重獲新生。藍(lán)牙技術(shù)在運(yùn)動(dòng)、健身、健康和醫(yī)療領(lǐng)域存在著極為廣闊的應(yīng)用前景。20藍(lán)牙4.0GoogleGlass低功耗：一顆紐扣電池可運(yùn)行一年乃至數(shù)年。低延遲：最短可在3毫秒內(nèi)完成連接設(shè)置并開始傳輸數(shù)據(jù)。適用于AppStore模式:超過99%的智能手機(jī)具備藍(lán)牙功能。特別適合可穿戴計(jì)算應(yīng)用場(chǎng)景。同時(shí)得到蘋果iOS和谷歌android兩大陣營大力推崇。21藍(lán)牙4.07.1低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述7.2紅外線通信7.3藍(lán)牙7.4802.15.4/ZigBee7.5體域網(wǎng)7.6容遲網(wǎng)絡(luò)22本章內(nèi)容ZigBee，又稱為IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)類似于蜂群的低功耗、低復(fù)雜度、低速率、自組織的短距無線通信網(wǎng)絡(luò)，為個(gè)人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之音的低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。2001年，IEEE802.15.4工作組成立了TG4工作組，制定規(guī)范IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，同年，ZigBee聯(lián)盟成立。2004年，ZigBeeV1.0協(xié)議正式問世。2006年，推出ZigBee2006，比較完善。2007年底，ZigBeePRO推出。2009年3月，ZigBeeRF4CE推出，具備更強(qiáng)的靈活性和遠(yuǎn)程控制能力。2009年開始，ZigBee采用了IETF的IPv66Lowpan標(biāo)準(zhǔn)作為新一代智能電網(wǎng)SmartEnergy（SEP2.0）的標(biāo)準(zhǔn)。23IEEE802.15.4/ZigBee

的產(chǎn)生與發(fā)展ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國流行)3個(gè)頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-180m的范圍內(nèi)(室內(nèi)一般不超過60米

室外一般不超過180米)。ZigBee具有如下特點(diǎn)：低功耗: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。ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。24IEEE802.15.4/ZigBee特點(diǎn)低成本：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元。ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。時(shí)延短:典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)容量大:一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備。一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。25IEEE802.15.4/ZigBee特點(diǎn)可靠：支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)（carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance,CSMA-CA）。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。安全:基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查。支持鑒權(quán)和認(rèn)證。采用了AES-128的加密算法。各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。26IEEE802.15.4/ZigBee特點(diǎn)IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議主要包括開放系統(tǒng)互連（OSI）五層模型的物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層，以及應(yīng)用層。IEEE802.15.4主要規(guī)定了物理層和鏈路層的規(guī)范。ZigBee主要提供了在物理層和鏈路層之上的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層規(guī)范。27IEEE802.15.4/ZigBee

體系結(jié)構(gòu)IEEE802.15.4/ZigBee體系結(jié)構(gòu)頻段：3個(gè)頻段，均為國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化組定義的用于科研和醫(yī)療的開放頻段，包括868.0-868.6MHz，主要為歐洲采用，單信道；902-928MHz，北美采用，10個(gè)信道，支持?jǐn)U展到30個(gè)信道；2.4-2.4835GHz世界范圍內(nèi)通用，16個(gè)信道。傳輸技術(shù)：最早為直接擴(kuò)頻，后來可采用調(diào)頻、調(diào)相等多種技術(shù)。28IEEE802.15.4物理層IEEE802.15.4因?yàn)椴捎弥苯有蛄袛U(kuò)頻技術(shù)，具有一定的抗干擾效果，同時(shí)在其他條件相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù)。29IEEE802.15.4物理層IEEE802.15.4物理層基帶框圖在發(fā)射功率為0dBm的情況下，Bluetooth通常能有10m作用范圍，而基于IEEE802.15.4的ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30~50m作用距離，在室外如果障礙物較少，甚至可以達(dá)到100m作用距離。30IEEE802.15.4物理層幾種無線通信技術(shù)抗干擾性能比較介質(zhì)訪問控制層（MAC）控制和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)使用物理層的信道來發(fā)送MAC層的包，這一層負(fù)責(zé)提供接口來訪問物理層信道。IEEE802.15.4采用載波偵聽多路訪問方式(CSMA/CA)，與IEEE802.11（Wi-Fi）類似。傳輸之前，先偵聽介質(zhì)中是否有使用同一信道的載波存在，若不存在說明信道空閑，將直接進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)；若系統(tǒng)檢測(cè)到存在載波，則在隨機(jī)退避一段時(shí)間后重新檢測(cè)信道，退避的時(shí)間長短由具體的協(xié)議指定。31IEEE802.15.4介質(zhì)訪問控制層IEEE802.15.4還定義了兩種器件：全功能器件(FFD，F(xiàn)ull-FunctionDevice)和簡(jiǎn)化功能器件(RFD，Reduced-functionDevice)。全功能器件可以作為協(xié)調(diào)者的角色控制所有關(guān)聯(lián)的簡(jiǎn)化功能器件的同步。簡(jiǎn)化功能器件只能和與其關(guān)聯(lián)的全功能器件互通。IEEE802.15.4/ZigBee目前支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為星型（star）、樹形（tree）和網(wǎng)格（mesh）拓?fù)?。IEEE802.15.4支持64位和16位的兩種地址結(jié)構(gòu)，64位的地址便于使IEEE802.15.4與未來的IPv6相兼容，16位主要用于子網(wǎng)內(nèi)的地址，能夠支持65536個(gè)節(jié)點(diǎn)。32IEEE802.15.4介質(zhì)訪問控制層典型無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊能量消耗33MAC層設(shè)計(jì)：

如何降低能量消耗？設(shè)備狀態(tài)電流CPU工作(active)1.8mA空閑(idle)54.5A內(nèi)置flash編程(program)3mA擦除(erase)3mA無線收發(fā)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)（TX,0dBm）17.4mA接收數(shù)據(jù)和偵聽(RX)19.7mA空閑（idle）21A無線收發(fā)模塊占據(jù)大部分的能量消耗。無線收發(fā)器件（radiotransceiver）工作時(shí)通常處于三種狀態(tài)，發(fā)送，偵聽和空閑狀態(tài)?？臻e偵聽（idlelistening）：是指節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài)，但是并未偵聽到任何數(shù)據(jù)，從而浪費(fèi)掉了能量?？臻e（idle）：空閑狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)物理地關(guān)閉一些硬件功能，從而達(dá)到較低的能耗。如何減少空閑偵聽是一個(gè)無線通信協(xié)議能夠適用于傳感網(wǎng)以及其他低功耗的網(wǎng)絡(luò)首先需要考慮的一個(gè)重要問題。34MAC層設(shè)計(jì)：

如何降低能量消耗？無線收發(fā)器件（radiotransceiver）工作時(shí)通常處于三種狀態(tài)（發(fā)送，偵聽，空閑狀態(tài)），發(fā)送和偵聽狀態(tài)為工作狀態(tài)，空閑狀態(tài)浪費(fèi)能量。低功率偵聽協(xié)議（LPL，lowpowerlistening）采樣偵聽鏈路層調(diào)度采樣偵聽無線收發(fā)模塊在沒有數(shù)據(jù)的時(shí)候關(guān)閉定時(shí)采樣獲取信道的信息35MAC層設(shè)計(jì)：

如何降低能量消耗？假設(shè)采樣周期為T，發(fā)送者在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候如何保證接收者能夠收到？保持發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間長度不少于T的話，接收者就能夠采樣到發(fā)送者發(fā)送的數(shù)據(jù)然后接收者調(diào)整至接收狀態(tài)，正常接收數(shù)據(jù)。36MAC層設(shè)計(jì)：

采樣偵聽的問題仍然有問題：發(fā)送者每次發(fā)送最常需要持續(xù)一個(gè)采樣周期的時(shí)間，還是會(huì)帶來不必要的能量損耗。更好的方法：同步發(fā)送者和接收者達(dá)到更高效率→調(diào)度37MAC層設(shè)計(jì)：

采樣偵聽的問題不對(duì)稱鏈路（asymmetriclink）：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信可能有一個(gè)方向的鏈路質(zhì)量非常好，另外一個(gè)方向的質(zhì)量非常差。中間鏈路（intermediatelink）：10%<鏈路收包率<90%空間相關(guān)性（spatialcorrelated）：位置上相近的節(jié)點(diǎn)通常有著相同的環(huán)境，從而導(dǎo)致了相似的鏈路特征。38MAC層設(shè)計(jì)其他挑戰(zhàn)：

鏈路質(zhì)量問題網(wǎng)絡(luò)層功能：路由，新節(jié)點(diǎn)和路徑的發(fā)現(xiàn)，決定一個(gè)節(jié)點(diǎn)屬于某一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層采用距離矢量路由協(xié)議（AODV）源節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)路由請(qǐng)求給它的所有鄰居鄰居節(jié)點(diǎn)在收到消息后，再廣播收到的消息給它們的鄰居，如此直到消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)目的節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求消息以后，目的節(jié)點(diǎn)返回一個(gè)路由回復(fù)給源節(jié)點(diǎn)?；貜?fù)不再以廣播方式發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，而是沿著路由請(qǐng)求數(shù)據(jù)包從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑，這樣源節(jié)點(diǎn)就可以按照這條路徑發(fā)送消息到目的節(jié)點(diǎn)了。39ZigBee網(wǎng)絡(luò)層40距離矢量路由協(xié)議（AODV）網(wǎng)絡(luò)層以及上提供了向終端用戶的接口與互聯(lián)網(wǎng)類似，在網(wǎng)絡(luò)層以上：互聯(lián)網(wǎng)模型中需要提供不同類型的傳輸服務(wù)（比如TCP協(xié)議和UDP協(xié)議）在傳輸協(xié)議上還需要提供各種基于不同傳輸協(xié)議的應(yīng)用（比如FTP，HTTP等等）。41ZigBee網(wǎng)絡(luò)層以上ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO，ZigBeeDeviceObject)：主要負(fù)責(zé)定義每一個(gè)設(shè)備的功能和角色。角色有兩種，一種為協(xié)調(diào)者（coordinator），另外一種是普通終端設(shè)備應(yīng)用對(duì)象(applicationobject)組件：用來定義應(yīng)用層服務(wù)的應(yīng)用對(duì)象，每一個(gè)應(yīng)用對(duì)象對(duì)應(yīng)了一個(gè)不同的應(yīng)用層服務(wù)。應(yīng)用支持子層：是應(yīng)用層的基本組件，通過把底層的服務(wù)和控制接口提供給整個(gè)應(yīng)用層，把應(yīng)用層以下的部分和應(yīng)用層連接起來。42ZigBee應(yīng)用層組件應(yīng)用層組件的關(guān)系：應(yīng)用對(duì)象各種服務(wù)的實(shí)現(xiàn)需要通過應(yīng)用支持子層提供的服務(wù)和接口，在ZDO的管理下來完成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有很多應(yīng)用對(duì)象和ZigBee設(shè)備對(duì)象。每一個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)了設(shè)備或者節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)標(biāo)號(hào)，或稱為終端號(hào)（endpoint）。每一個(gè)應(yīng)用對(duì)象可以相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)行而不互相干擾。綁定表（bindingtable）：主要是為了解決節(jié)點(diǎn)或者設(shè)備功能不足的問題。43ZigBee應(yīng)用層組件物理層：支持多種不同傳感器節(jié)點(diǎn)類型如Telos，Mica系列等。主要使用的頻段包括2.4GHz（CC2420等）和868/915MHz(CC1000)等。介質(zhì)訪問控制層：載波偵聽多路訪問（CSMA）協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層基于最短路徑的路由協(xié)議，AODV根據(jù)信號(hào)質(zhì)量（RSSI）的路由協(xié)議路由和數(shù)據(jù)收集協(xié)議（CTP，collectiontreeprotocol）數(shù)據(jù)分發(fā)功能（dissemination）的接口44TinyOS中的ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)45TinyOS支持的典型硬件的部分參數(shù)名稱參數(shù)頻段（Frequencyband）2.4GHz-2.4835GHz發(fā)送數(shù)據(jù)率（datarate）250kbps天線發(fā)送能量（RFPower）-24dBm-0dBm接受靈敏度（Receivesensitivity）-90dBm（最小靈敏度），-94dBm（典型的靈敏度）室外通信半徑（outdoorrange）75米-100米室內(nèi)通信半徑（indoorrange）20m-30m電流接收狀態(tài)（receivemode）23mA發(fā)送狀態(tài)（transmitmode）18mA空閑狀態(tài)（idle）21A睡眠狀態(tài)（sleep）1A7.1低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述7.2紅外線通信7.3藍(lán)牙7.4802.15.4/ZigBee7.5體域網(wǎng)7.6容遲網(wǎng)絡(luò)46體域網(wǎng)（wirelessbodysensornetwork,WBSN或BSN）是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的，是人體上的或移植到人體內(nèi)的生物傳感器共同形成的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，它不僅是一種新的普適醫(yī)療保健、疾病監(jiān)控和預(yù)防的解決方案，還是物聯(lián)網(wǎng)（Internetofthings）的重要感知及組成部分。體域網(wǎng)也可稱為生物醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)（biomedicalsensornetwork）和無線體域傳感網(wǎng)（wirelessbodyareasensornetwork，WBASN或BAN）。47體域網(wǎng)集成硬件、軟件和無線通信技術(shù)的泛在計(jì)算平臺(tái)?？纱┐骰蚩芍踩肷飩鞲衅鳌２杉眢w重要的生理信號(hào)（如溫度、血糖、血壓和心電信號(hào)等）、人體活動(dòng)或動(dòng)作信號(hào)以及人體所在環(huán)境信息。處理這些信號(hào)信息并將它們傳輸?shù)缴眢w外部附近的本地基站。48體域網(wǎng)體域網(wǎng)BSN示意圖2012年，IEEE802.15TG6制定的針對(duì)于短距離體域網(wǎng)的新標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6終于正式誕生。服務(wù)質(zhì)量（QoS）：合適的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)方法；保證一定的端到端時(shí)延；靈活適應(yīng)各種應(yīng)用需要；能量消耗：節(jié)點(diǎn)以極低的功率工作，以保證長使用壽命；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌壕W(wǎng)絡(luò)可以支持多跳的通信環(huán)境；數(shù)據(jù)傳輸速率：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信時(shí)，支持最低至1kbps的醫(yī)療應(yīng)用，10kbps的非療應(yīng)用，最高10Mbps；點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信時(shí)，數(shù)據(jù)收集點(diǎn)需要支持最高1Mbps的醫(yī)療用和10Mbps的非醫(yī)療應(yīng)用；其他：復(fù)雜度、移動(dòng)性、射頻電磁波吸收率、安全性、擴(kuò)展性等。49體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)模小，可擴(kuò)展，近距離，以人體為中心的網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率必須足夠低；傳感器節(jié)點(diǎn)相對(duì)位置固定；最多通過三跳路由將采集數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。動(dòng)態(tài)、混合型的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性：隨人體一起運(yùn)動(dòng)；影響無線體域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的因素：身體四肢的隨機(jī)移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的通信中斷；電能耗盡造成節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效；新節(jié)點(diǎn)的加入。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)多樣性、以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)采集的各種生理信息具有多樣性和相關(guān)性；多種生理數(shù)據(jù)的時(shí)間同步。50無線體域網(wǎng)的特點(diǎn)IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中,FCC分配給體域網(wǎng)的主要工作頻率：400MHz、900MHz、2.4GHz和3.1~10.6GHz，402~405MHz主要分配給植入式醫(yī)療設(shè)備，其余的頻率主要分配給體外傳感器。

體域網(wǎng)支持三種物理層技術(shù)：窄帶(NarrowBand,NB)超寬帶(UltraWideBand,UWB)人體通信(HumanBodyCommunications,HBC)51體域網(wǎng)物理層52體域網(wǎng)物理層窄帶通信物理層53體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)層次第1層包含一組具有檢測(cè)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)或設(shè)備；用于數(shù)據(jù)采集；采集部分經(jīng)常采用簡(jiǎn)單的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第2層由移動(dòng)個(gè)人服務(wù)器(mobilepersonalsever)或BSN匯聚節(jié)點(diǎn)組成；負(fù)責(zé)和外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信,并臨時(shí)存儲(chǔ)從第1層收集上來的數(shù)據(jù)。第3層包括提供各種應(yīng)用服務(wù)的遠(yuǎn)程服務(wù)器的外部網(wǎng)絡(luò)；提供緊急醫(yī)療救助、網(wǎng)絡(luò)體檢、醫(yī)療健康咨詢、家人提醒或遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)等服務(wù)。54體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)根據(jù)傳感器在身體位置不同，可將其分為以下三大類：植入式傳感器：體積小、重量輕，同時(shí)其功率必須非常?。徊荒茈S著時(shí)間推移而衰變；壓電聚合傳感器的輸出和運(yùn)動(dòng)量成正比。55傳感器心臟除顫器

神經(jīng)刺激器

耳蝸植入式助聽器與體液接觸的可穿戴式傳感器：有幾類一次性傳感器是附在體外使用的，但是它們是和體液相接觸的。一次性血壓傳感器無接觸可穿戴式傳感器：在體液不能和傳感器相接觸的情況下，可將無接觸可穿戴式傳感器應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備。用于研究睡眠窒息的壓電（或熱電）傳感器用于測(cè)量體表/體內(nèi)溫度的NTC溫度傳感器56傳感器醫(yī)療應(yīng)用采集人體的一些重要的數(shù)據(jù)信息，如：ECG、EEG、心率、血壓、體溫等數(shù)據(jù)傳送到控制中心，控制中心分析這些數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步判斷被監(jiān)測(cè)人體的身體狀況。數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，一般低于10kbps。一般采用星型拓?fù)?。日常生活領(lǐng)域路況導(dǎo)航和定位功能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)電子支付57體域網(wǎng)應(yīng)用盲人導(dǎo)航系統(tǒng)危險(xiǎn)場(chǎng)合及航空領(lǐng)域體育運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域信息監(jiān)測(cè)競(jìng)技體育和娛樂領(lǐng)域遠(yuǎn)程訓(xùn)練系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助動(dòng)畫設(shè)計(jì)58體域網(wǎng)應(yīng)用運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練和3D虛擬角色合成7.1低速網(wǎng)絡(luò)協(xié)議概述7.2紅外線通信7.3藍(lán)牙7.4802.15.4/ZigBee7.5體域網(wǎng)7.6容遲網(wǎng)絡(luò)59本章內(nèi)容容遲網(wǎng)絡(luò)(DelayTolerantNetwork，DTN)：是指網(wǎng)絡(luò)中端到端的路徑通常很難建立，網(wǎng)絡(luò)中消息傳播具有很大延時(shí)，使得傳統(tǒng)因特網(wǎng)上基于TCP/IP的協(xié)議、無線AdHoc網(wǎng)絡(luò)中面向端到端的路由協(xié)議變的失效。DTN并不側(cè)重于構(gòu)建一種新的數(shù)據(jù)鏈路層，而是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點(diǎn)，抽象出的一種新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。60容遲網(wǎng)絡(luò)（DTN）稀疏的網(wǎng)絡(luò)連接(Sparseconnectivity)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性(Nodalmobility)延遲容忍(Delaytolerant)錯(cuò)誤容忍(Faulttolerant)有限的存儲(chǔ)空間(Limitedbuffer)不對(duì)稱數(shù)據(jù)速率(asymmetricdatarate)61容遲網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)62容遲網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)DTN應(yīng)用程序BPTCPCLPSaratogaLTPTCPUDPIP數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層BP協(xié)議與匯聚層協(xié)議的關(guān)系與位置BP協(xié)議：定義了該層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元束以及束的處理和記錄管理過程，對(duì)束的格式、分片與重組、命名與路由、保管傳輸、擁塞與流量控制、可靠性與安全等方面進(jìn)行了描述。TCPCLP協(xié)議：基于TCP的匯聚層協(xié)議，通過建立TCPCL連接使束在TCP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行雙向傳輸，TCPCL連接與TCP連接同時(shí)產(chǎn)生和釋放并一一