第10章-物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(曾憲武)LXX20147

第10章-物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)(曾憲武)LXX20147第一頁，共193頁。10.1藍(lán)牙技術(shù)

10.1.1藍(lán)牙發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)特點

藍(lán)牙是一個開放的通信技術(shù)，沒有版權(quán)費(fèi)，從提出到形成實用的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了若干年時間，其標(biāo)準(zhǔn)在不斷改進(jìn)。從1999年7月推出了藍(lán)牙的技術(shù)規(guī)范1.0版本到2010年，藍(lán)牙共推出了6個實用版本標(biāo)準(zhǔn)，即V1.1、V1.2、V2.0、V2.1、V3.0、V4.0。藍(lán)牙在通信協(xié)議上采用的是IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)。第二頁，共193頁。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)最早期版本V1.1的傳輸速度約在748~810kb/s，由于是早期設(shè)計，易受到同頻率產(chǎn)品所干擾，V1.2在傳輸速度上沒有改進(jìn)，但加入了抗干擾跳頻功能。

2004年提出的V2.0、V2.1標(biāo)準(zhǔn)將傳輸速度提高到1.8~

2.1Mb/s，可以工作在全雙工模式下。它基本解決了語音通信和高質(zhì)量圖像傳輸?shù)囊?，目前市場上的大多?shù)藍(lán)牙產(chǎn)品均采用V2.0或V2.1版本的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。第三頁，共193頁。2009年4月，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟頒布了V3.0標(biāo)準(zhǔn)。V3.0的核心是AMP(GenericAlternateMAC/PHY)，這是一種全新的交替射頻技術(shù)，允許藍(lán)牙協(xié)議棧針對任一任務(wù)動態(tài)地選擇正確射

頻。通過集成“IEEE802.11PAL”（協(xié)議適應(yīng)層），V3.0的數(shù)據(jù)傳輸率提高到了大約24Mb/s（即可在需要的時候調(diào)用IEEE802.11WI-FI用于實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸），可用于錄像機(jī)至高清

電視、個人計算機(jī)至打印機(jī)之間的資料傳輸。V3.0引入了增強(qiáng)電源控制(EPC)[JP2]機(jī)制，再輔以IEEE802.11.XX，實際空閑功耗明顯降低，解決了藍(lán)牙設(shè)備的待機(jī)耗電問題。第四頁，共193頁。2010年藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(BluetoothSIG)正式發(fā)布了V4.0核心規(guī)范(BluetoothCoreSpecificationVersion4.0)。V4.0包括三個子規(guī)范，即傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、高速藍(lán)牙和新的藍(lán)牙低功耗技術(shù)。V4.0實際是將傳統(tǒng)藍(lán)牙、低功耗藍(lán)牙和高速藍(lán)牙技術(shù)合而為一，三個規(guī)格可以組合或者單獨(dú)使用。V4.0繼承了藍(lán)牙技術(shù)無線連接的所有固有優(yōu)勢，同時增加了低耗能藍(lán)牙和高速藍(lán)牙的特點，尤以低耗能技術(shù)為核心。第五頁，共193頁。經(jīng)過十多年的發(fā)展，藍(lán)牙技術(shù)越來越成熟，速度越來越快，集成度也越來越高，初期需要大量的外圍電路，現(xiàn)在基本都采用單芯片。藍(lán)牙技術(shù)的功耗非常低，可以用鈕扣電池供電，使得應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。尤其是近兩年發(fā)展起來的物聯(lián)網(wǎng)，在物聯(lián)網(wǎng)的感知控制層，大量的物聯(lián)網(wǎng)終端的共享需要大量的短距離無線通信技術(shù)通過匯集設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)傳輸層交互，而藍(lán)牙技術(shù)的特點使得物聯(lián)網(wǎng)的短距離通信得以較好地實現(xiàn)，因此，藍(lán)牙技術(shù)將在物聯(lián)網(wǎng)中扮演著越來越重要的

角色。第六頁，共193頁。（1）功耗低。藍(lán)牙技術(shù)具有功耗低的特點。藍(lán)牙的鏈路管理器中有功耗管理功能，可以根據(jù)工作狀況對功耗進(jìn)行有效的管理。在不通信時，系統(tǒng)自動進(jìn)入休眠模式，來降低功耗。典型的藍(lán)牙通信峰值電流一般不超過30mA，低功耗藍(lán)牙峰值電流不超過15mA。藍(lán)牙的三種類型的功耗分別為：遠(yuǎn)距離藍(lán)牙的發(fā)射功率為100mW(20dBm)，典型藍(lán)牙的發(fā)

射功率為2.5mW(4dBm)，低功耗藍(lán)牙的發(fā)射功率為1mW

(0dBm)。第七頁，共193頁。（2）通信速率高。作為一種短距離無線通信技術(shù)，藍(lán)牙具有通信速率高的特點。低功耗的藍(lán)牙，其空中的傳輸速率可達(dá)1Mb/s，實際有效數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)200kb/s以上；高速藍(lán)牙在空中的傳輸速率可達(dá)3Mb/s，實際有效數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2.1Mb/s?？梢?，不論低功耗藍(lán)牙還是高速藍(lán)牙均可實現(xiàn)語音的實時通信，高速藍(lán)牙還可實現(xiàn)視頻傳輸。第八頁，共193頁。（3）工作頻段不受限制。藍(lán)牙工作在2.4GHz的ISM波段,而全球大多數(shù)國家的ISM頻段范圍是在2.4~2.4835GHz,該波段是一種無需許可的工業(yè)、科技、醫(yī)學(xué)無線電波段，可以在此波段內(nèi)可以免費(fèi)使用無線電頻段資源。第九頁，共193頁。（4）可靠性高。藍(lán)牙通信采用了擴(kuò)頻技術(shù)和多種安全

模式，因而具有較高的通信可靠性。

藍(lán)牙采用跳頻擴(kuò)譜技術(shù)，可以降低受同頻干擾的影響，還由于載波頻率的不停跳變，使監(jiān)聽設(shè)備很難達(dá)到載波同步，故而無法偵聽。另外，藍(lán)牙還結(jié)合了多種糾錯技術(shù)，

提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。第十頁，?93頁。藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)提供了三種安全模式：模式一，無加密；模式二，應(yīng)用層加密；模式三，鏈路層加密。對于最高級別的模式三，它由四個要素組成，即48bit的設(shè)備地址BD_ADDR、128bit的藍(lán)牙鏈路密鑰、8~128bit的不定長加密密鑰、128bit的隨機(jī)數(shù)RAND。同時，藍(lán)牙協(xié)議有一套完整的密鑰生成機(jī)制，確保數(shù)據(jù)安全。第十一頁，共193頁。（5）通信距離短。藍(lán)牙通信典型的通信距離為10m，但它是一種通信距離隨功率而變的通信技術(shù)，有100mW、

25mW和1mW三個典型的發(fā)射功率。當(dāng)發(fā)射功率為100mW時，其傳輸距離為100m；當(dāng)發(fā)射功率為2.5mW時，其傳輸距離為10m；當(dāng)發(fā)射功率為1mW時，其傳輸距離為10cm。藍(lán)牙通信非常適合不同應(yīng)用場合的短距離無線通信，尤其適用于物聯(lián)網(wǎng)的傳感器的數(shù)據(jù)采集。第十二頁，共193頁。（6）可靈活組網(wǎng)、自動搜索。藍(lán)牙系統(tǒng)支持兩種通信模式，即點對點和點對多點的通信模式，形成了兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：微微網(wǎng)(Piconet)和散射網(wǎng)絡(luò)(Scatternet)。在一個Piconet中，只有一個主單元(Master)，最多支持7個從單元(Slave)與Master建立通信。Master通過4個不同的跳頻序列來

識別每一個Slave，并與之通信。若干個Piconet形成了一個

散射網(wǎng)絡(luò)，如果一個藍(lán)牙設(shè)備單元在一個Piconet中是一個Master，而在另一個Piconet中就可能是一個Slave。第十三頁，共193頁。幾個Piconet可以連接在一起，依靠跳頻順序識別每個Piconet。同一個Piconet的所有用戶都與這個跳頻順序同步。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以被描述為“多Piconet”結(jié)構(gòu)。在一個“多Piconet”結(jié)構(gòu)中，在帶有10個全負(fù)載的獨(dú)立的Piconet的情況下，全雙工數(shù)據(jù)速率超過6Mb/s。

藍(lán)牙還采用了Plug&Play（即插即用）技術(shù)，任意一個藍(lán)牙設(shè)備一旦尋找到另一個藍(lán)牙設(shè)備，它們之間就可立即建立聯(lián)系，無需用戶進(jìn)行任何設(shè)置，自動完成搜索、連接功能。第十四頁，共193頁。（7）成本低廉和技術(shù)成熟。藍(lán)牙技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展，不論是從標(biāo)準(zhǔn)制定、芯片的設(shè)計與加工、產(chǎn)品的設(shè)計與應(yīng)用等，都相當(dāng)成熟。

現(xiàn)在的藍(lán)牙模塊都采用單芯片集成化，大多數(shù)芯片還包含了MCU、Flash和Ram,基本上一個芯片就能完成所有的工作。

由于藍(lán)牙設(shè)備的使用量大，目前，藍(lán)牙芯片已經(jīng)降到了1美元以下，而且功能比以前強(qiáng)大得多。它可同時傳送語音與數(shù)據(jù)，實現(xiàn)語音與數(shù)據(jù)的共路傳輸。第十五頁，共193頁。（8）應(yīng)用范圍廣。藍(lán)牙作為一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以低成本、短距離的無線通信為特點，已廣泛應(yīng)用到了消費(fèi)電子的各個層面，如移動電話、筆記本電腦、打印機(jī)、PDA、個人電腦、傳真機(jī)、計算機(jī)附件（鼠標(biāo)、鍵盤、游戲操作桿等）、空調(diào)、冰箱、電表等。第十六頁，共193頁。10.1.2藍(lán)牙系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

1.藍(lán)牙系統(tǒng)的構(gòu)成

藍(lán)牙系統(tǒng)可分為藍(lán)牙通信系統(tǒng)模塊與藍(lán)牙應(yīng)用模塊兩大部分。藍(lán)牙應(yīng)用模塊主要由主機(jī)控制器接口、高層協(xié)議和應(yīng)用程序等構(gòu)成。藍(lán)牙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10.1.1所示。第十七頁，共193頁。圖10.1.1藍(lán)牙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖第十八頁，共193頁。1）無線射頻通信模塊

無線射頻通信模塊以無線LAN的IEEE802.11技術(shù)為基礎(chǔ)，使用2.4GHz的ISM全球通自由波段。藍(lán)牙天線屬于微帶天線，以天線電平為0dBm的基礎(chǔ)上建立空中接口，并遵從美國聯(lián)邦通信委員會(FFC)有關(guān)0dBm電平的ISM頻段標(biāo)準(zhǔn)。該模塊的發(fā)射功率可達(dá)100mW，系統(tǒng)最大跳頻速率為1600跳/秒，在2.402~2.480GHz之間采用了79個間隔為1MHz的頻點來實現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計的通信距離為10m，如經(jīng)過增大發(fā)射功率，其通信距離可達(dá)到100m。第十九頁，共193頁。2）基帶與鏈路控制模塊

基帶與鏈路控制模塊的作用是用于基帶鏈路控制器的數(shù)字信號處理，并且由基帶鏈路控制器處理基帶協(xié)議和其他一些低層的常規(guī)協(xié)議?；鶐c鏈路控制模塊的主要功能為：建立物理鏈路以及網(wǎng)絡(luò)的連接（包括面向連接的同步鏈路SCO、異步鏈路ACL以及微微網(wǎng)）、進(jìn)行差錯控制、在物理層提供驗證加密，以保護(hù)鏈接中的個人信息不外露。第二十頁，共193頁。3）鏈路管理器

鏈路管理器的主要作用是設(shè)計鏈路的數(shù)據(jù)設(shè)置、鑒權(quán)、硬件配置等一些協(xié)議，并發(fā)現(xiàn)其他藍(lán)牙設(shè)備的鏈路管理，然后通過鏈路管理協(xié)議LMP建立通信聯(lián)系。鏈路管理提供了諸如發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、設(shè)備號請求、鏈路地址查詢、建立連接、鑒權(quán)、鏈路模式協(xié)商及建立等功能。第二十一頁，共193頁。4）高層協(xié)議

藍(lán)牙基帶協(xié)議結(jié)合電路交換和分組交換機(jī)，適用于語音和數(shù)據(jù)傳輸。藍(lán)牙軟件構(gòu)架規(guī)范要求從設(shè)備支持基本水平的互操作性。藍(lán)牙設(shè)備需要支持一些基本互操作特性要求，對某些設(shè)備，涉及無線模塊、空中協(xié)議以及應(yīng)用層協(xié)議和對象交換格式。藍(lán)牙設(shè)備必須能夠彼此識別并裝載與之相應(yīng)的軟件，以支持設(shè)備更高層次的性能。第二十二頁，共193頁。5）主機(jī)控制器與主機(jī)控制器接口

主機(jī)控制器提供了與藍(lán)牙應(yīng)用模塊的控制接口，包括數(shù)據(jù)總線、控制總線等。主機(jī)控制器接口是與藍(lán)牙通信相結(jié)合的中間環(huán)節(jié)，兩者相互配合，共同完成藍(lán)牙通信與應(yīng)用。第二十三頁，共193頁。2.藍(lán)牙通信原理

藍(lán)牙通信的工作頻段在2.4~2.4835GHz的開放頻段上，采用跳頻(HF)技術(shù)，以實現(xiàn)抗干擾和抑制信號衰減。藍(lán)牙的射頻電路采用專用芯片來完成，以實現(xiàn)跳頻和時分多址(TDMA)。第二十四頁，共193頁。藍(lán)牙通信協(xié)議的大部分內(nèi)容可以用專用集成電路和軟件來實現(xiàn)，因此從技術(shù)上保證了藍(lán)牙設(shè)備的高性能和低成本。一般藍(lán)牙芯片都支持UART、RS-232、USB、SPI、I2C中的兩種以上接口，可方便地連接主處理器，由主處理器通過它們控制藍(lán)牙芯片的軟件（協(xié)議）模塊實現(xiàn)所需要的功能。第二十五頁，共193頁。在藍(lán)牙的工作過程中，天線單元和鏈路控制器完成了前面的基本工作,包括物理信道、物理鏈接、數(shù)據(jù)分組和糾錯；鏈路管理模塊則完成了藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的工作流程，包括信道控制、跳頻選擇、安全管理等。第二十六頁，共193頁。藍(lán)牙的通信由主設(shè)備發(fā)起，從設(shè)備參與，以組成網(wǎng)絡(luò)。一般一個微微網(wǎng)中只有一個主設(shè)備，但一個主設(shè)備可以從屬于多個微微網(wǎng)。兩個微微網(wǎng)中間存在一個橋路節(jié)點，使得兩個網(wǎng)絡(luò)可以互訪，互訪時則組成了散射網(wǎng)。目前散射網(wǎng)的應(yīng)用還非常少，一般的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)都是微微網(wǎng)。第二十七頁，共193頁。1）物理信道

藍(lán)牙通信的工作頻帶為2.4~2.4835GHz，帶寬為83.5MHz。歐美國家將83.5MHz分為79個跳頻點，采用偽隨機(jī)碼序列進(jìn)行跳頻選擇，跳頻的偽隨機(jī)碼由主設(shè)備來決定。藍(lán)牙的信道被劃分成625μs的時間片（時隙），時隙由主設(shè)備單元確定，跳頻的間隔與時隙相吻合，因此，最大跳頻速率為1600跳/s(1/625×106)。第二十八頁，共193頁。主從設(shè)備在不同的時隙里傳輸數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸中，

最大的數(shù)據(jù)分組可以允許占用5個時隙，此期間不改變通信頻率，以提高數(shù)據(jù)通信效率。標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙通信的速率是1Mb/s，采用FSK調(diào)制，正頻偏代表1，負(fù)頻偏代表0，頻偏范圍在140~175kHz之間。第二十九頁，共193頁。一個藍(lán)牙跳頻序列長度為227－1，即一個跳頻序列周期長達(dá)近24小時。如果沒有加入微微網(wǎng)的藍(lán)牙設(shè)備，想通過截獲某一段時間的通信信號還原跳頻序列基本是不可能的，因此，藍(lán)牙通信有著非常高的安全性。第三十頁，共193頁。2）藍(lán)牙設(shè)備的地址

藍(lán)牙設(shè)備地址BD_ADDR(BluetoothDeviceAddress)由

48bit組成，分成3個部分：低24bit為LAP，中間8bit為UAP，高16bit為NAP。NAP和UAP由SIG的藍(lán)牙地址管理機(jī)構(gòu)分配給藍(lán)牙設(shè)備生產(chǎn)廠家，而LAP則由藍(lán)牙設(shè)備廠家自己定義，除保留地址0x9E8B00~0x9E8B3F不可用外，其他地址都可以使用。第三十一頁，共193頁。3）藍(lán)牙物理鏈路

藍(lán)牙提供了兩種鏈接通信模式：同步定向鏈接(SynchronousConnectionOriented,SCO)和異步鏈接(AsynchronousConnectionLess,ACL)。

SCO鏈接是在主設(shè)備表與指定的從設(shè)備之間實現(xiàn)點到點的同步連接。SCO鏈接方式采用保留時隙來傳輸分組，因此該方式可看做是在主從設(shè)備之間實現(xiàn)電路交換連接。第三十二頁，共193頁。SCO鏈接主要用于支持類似于如語音這類實時性要求較高的信息。從主設(shè)備方面看，它可以支持多達(dá)3路的從設(shè)備的SCO鏈接。對于從設(shè)備而言，針對同一主設(shè)備它可以支持多

達(dá)3路的SCO鏈接。第三十三頁，共193頁。在SCO鏈接不保留的時隙里，主設(shè)備可以與任何屬于每個時隙基里的從設(shè)備進(jìn)行分組交換。ACL鏈接提供在主設(shè)備與所有在微微網(wǎng)中活動從設(shè)備的分組交換鏈接，異步和等時

兩種服務(wù)方式均可采用。在主-從之間，僅是單個ACL鏈接存在時，對大多數(shù)ACL分組來說，分組重傳是為確保數(shù)據(jù)的完整性而設(shè)立的。第三十四頁，共193頁。在從-主時隙里，當(dāng)且僅當(dāng)先前的主-從時隙已被編址，從單元允許返回一個ACL分組。如果在分組頭的從單元地址解碼失敗，它就不允許被傳輸。

ACL分組未編址作為廣播分組的指定從設(shè)備且各從設(shè)備可讀分組。如果在ACL鏈接上沒有傳輸數(shù)據(jù)及沒有輪詢申請，那么在ACL鏈接上就不存在傳輸過程。

SCO鏈接一般用于語音數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)不進(jìn)行校驗。大部分情況下，藍(lán)牙采用ACL鏈接，包括鏈路的建立、協(xié)議握手、用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)取５谌屙摚?93頁。4）藍(lán)牙基帶分組

藍(lán)牙基帶數(shù)據(jù)傳輸是通過分組的方式實現(xiàn)的。藍(lán)牙的鏈路層根據(jù)不同階段和不同的通信方式將信息進(jìn)行分組，大部分的分組在一個時隙內(nèi)完成，只有在有效的數(shù)據(jù)傳輸時，為了提高傳輸效率，才會出現(xiàn)一個分組占用多個時隙的情況。最大的分組可占用5個時隙，每個分組數(shù)據(jù)包括接入碼、分

組頭、有效信息幾部分。第三十六頁，共193頁。接入碼(AccessCode)是分組信息的起始部分，由4bit引導(dǎo)碼、64bit同步字和4bit尾碼組成，包括信道接入碼、設(shè)備接入碼、查詢接入碼三種。在微微網(wǎng)中，不同接入碼與分組類

別組合決定一類操作。接入碼的構(gòu)成如表10.1.1所示。

CAC信道接入碼：用于標(biāo)識一個微微網(wǎng)。主設(shè)備地址的低24bit作為同步字。第三十七頁，共193頁。DAC設(shè)備接入碼：僅用于呼叫或呼叫響應(yīng)。從設(shè)備地址的低24bit形成同步字。

GIAC和DIAC接入碼：用于查詢與查詢掃描。藍(lán)牙協(xié)議預(yù)留地址的低24bit形成同步字。

SIG預(yù)留了64個LAP地址0X9E8B00~0X9E8B3F用于查詢操作，其中0X9E8B33為GIAC，其他的都是DIAC。第三十八頁，共193頁。第三十九頁，共193頁。分組頭信息由18bit組成，包括3bit活動成員地址、4bit類別碼（分組類別碼的構(gòu)成與含義如表10.1.2所示）、1bit流控制、1bit應(yīng)答指示、1bit序列控制、8bit頭校驗碼。

分組頭采用1/3比例前向糾錯編碼（3重冗余編碼）。實際分組頭包含了54bit。同樣，類型碼根據(jù)采用的鏈接是SCO還是ACL具有不同的意義，它明確了該數(shù)據(jù)分組所執(zhí)行的操作意義和傳輸該分組所占用的時隙。第四十頁，共193頁。第四十一頁，共193頁?；顒映蓡T地址AM_ADDR為3bit。其中，00為廣播地址，001~111為活動成員地址，也就是說在一個微微網(wǎng)中只能有7個活動成員存在。一個微微網(wǎng)可以有成百上千的成員同時存在，而非活動成員則處于休眠狀態(tài)。當(dāng)主設(shè)備要與該成員通信時，該成員有一個預(yù)分配的活動成員地址，主設(shè)備需要先使活動成員休眠，然后再喚醒該休眠成員進(jìn)行通信。第四十二頁，共193頁。流控制FLOW為1bit，用于當(dāng)接收端的接收緩沖區(qū)滿時請求發(fā)送方暫停ACL數(shù)據(jù)傳輸。流控制只對于ACL數(shù)據(jù)傳輸有效，對于SCO鏈接或ACL的非數(shù)據(jù)傳輸分組無效。

應(yīng)答指示ARQN為1bit，用于自動請求重發(fā)，接收方向發(fā)送方應(yīng)答上一分組數(shù)據(jù)是否正確接收，若上一分組數(shù)據(jù)正確接收，則返回ACK，否則返回NACK，要求發(fā)送方重發(fā)上一分組數(shù)據(jù)。第四十三頁，共193頁。序列控制SEQN為1bit，用于防止分組重傳，配合ARQN使用。重傳時，保留原序號，傳新的分組數(shù)據(jù)時，采用新的序號。當(dāng)接收設(shè)備已經(jīng)收到正確分組數(shù)據(jù)，而又接收到該同樣的分組數(shù)據(jù)時，丟棄該分組數(shù)據(jù)，回應(yīng)ACK。第四十四頁，共193頁。5）藍(lán)牙基帶糾錯機(jī)制

藍(lán)牙基帶提供了三種糾錯方式：第一種為1/3比例前向糾錯，即3倍冗余方式，每個bit連續(xù)3次；第二種為2/3比例前向糾錯，采用(15，10)海明碼的冗余糾錯方式，在15bit傳輸信息中，包含10bit有效數(shù)據(jù)，并可糾正1bit錯和檢查2bit錯；第三種，對數(shù)據(jù)的自動請求重傳，傳輸應(yīng)答模式，也是一種前向糾錯方式。一般有效數(shù)據(jù)域應(yīng)采用CRC校驗，當(dāng)接收方接收正確時，給予正確應(yīng)答，否則給予錯誤應(yīng)答或不應(yīng)答，發(fā)送端重傳該數(shù)據(jù)。第四十五頁，共193頁。6）藍(lán)牙設(shè)備接入過程

在微微網(wǎng)中，藍(lán)牙設(shè)備具有聯(lián)機(jī)狀態(tài)和待機(jī)狀態(tài)2個主要工作狀態(tài)。藍(lán)牙設(shè)備默認(rèn)的工作狀態(tài)為待機(jī)狀態(tài)。在這兩個主要狀態(tài)中間還有7個中間狀態(tài)，它們是查詢、查詢掃描、

查詢響應(yīng)、呼叫、呼叫掃描、主設(shè)備響應(yīng)、從設(shè)備響應(yīng)。當(dāng)一個藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)入一個微微網(wǎng)前，微微網(wǎng)的主設(shè)備是不知道該設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入微微網(wǎng)，因此就需要一個設(shè)備查詢過程，查詢是否有設(shè)備進(jìn)入。第四十六頁，共193頁。對于主設(shè)備，如果希望發(fā)現(xiàn)其他設(shè)備進(jìn)入，就進(jìn)入查詢狀態(tài)；而對于新進(jìn)入的設(shè)備，則進(jìn)入查詢掃描狀態(tài)。進(jìn)入查詢狀態(tài)的主設(shè)備，按通用查詢設(shè)備接入碼(GIAC)或?qū)Ｓ貌樵冊O(shè)備接入碼(DIAC)產(chǎn)生的分組信息進(jìn)行查詢。在查詢過程中，主設(shè)備只用了其中的32個頻率，而沒有使用全部的79個頻率去查詢，而且這些頻率分成了A、B兩組，每組序列有16個頻點，即16個時隙（時間長度為10ms）。主設(shè)備對每組序列至少連續(xù)執(zhí)行256次，然后切換另一組序列，這樣一組查詢序列切換至少3次，也就是說查詢過程需要持續(xù)10.24s，以便更容易被查詢設(shè)備捕捉到。第四十七頁，共193頁。對于被查詢設(shè)備，它需進(jìn)入查詢掃描狀態(tài)，去偵聽查詢信息，查詢掃描每次在一個頻點上進(jìn)行偵聽，查詢掃描窗口大于16個時隙，即10ms，這樣可保證如果主設(shè)備的一個查詢跳頻序列中正好有一個頻點是查詢掃描頻點，從而捕捉到查詢信息，并與時鐘同步，然后由被查詢的從設(shè)備進(jìn)行查詢響應(yīng)。該響應(yīng)是一個FHS分組，包含主設(shè)備地址、呼叫掃描間隔和呼叫掃描周期。主設(shè)備即可根據(jù)這個返回信息對它進(jìn)行呼叫，召喚其入網(wǎng)。查詢過程如圖10.1.2所示。第四十八頁，共193頁。圖10.1.2設(shè)備查詢過程第四十九頁，共193頁。當(dāng)主設(shè)備發(fā)現(xiàn)了從設(shè)備后，并不會立即建立起微微網(wǎng)。要將該從設(shè)備加入微微網(wǎng)中，還需一個呼叫過程。呼叫過程與方法基本同查詢過程類似，只是呼叫信息中包含從設(shè)備的設(shè)備接入碼(DAC)，使用從設(shè)備的地址產(chǎn)生跳頻序列，且呼叫狀態(tài)也只使用32個頻點而不是全部的79個頻點。主設(shè)備

的呼叫按從設(shè)備的地址發(fā)送ID分組，該分組只有68bit，按

1MHz的通信速率計算，只需68μs。為了提高呼叫速度，呼叫過程將原來每秒1600跳改成了3200跳，這樣被掃描設(shè)備只需要16個時隙就保證監(jiān)測到32頻點的某一個頻點。第五十頁，共193頁。從設(shè)備會間歇地進(jìn)入呼叫掃描狀態(tài)。間歇時間與查詢時返回給主設(shè)備的FHS分組參數(shù)的掃描間隔SR和掃描周期SP有關(guān)。在此狀態(tài)下，它在一個頻率上偵聽，根據(jù)SR值，該偵聽頻點每1、128、256個呼叫序列（即10ms、1.28s、2.56s)變換一次。呼叫掃描窗口也大于16個時隙。當(dāng)從設(shè)備被呼叫成功時，它根據(jù)監(jiān)測到的頻點在一個時隙間隔后以自己的ID分組應(yīng)答主設(shè)備。在下一個時隙，主設(shè)備發(fā)送FHS分組，將自己的地址和時鐘通知給從設(shè)備，從設(shè)備按主設(shè)備地址產(chǎn)生的跳頻序列進(jìn)行同步，這樣就完成了一個從設(shè)備加入微微網(wǎng)的基本過程。主從設(shè)備的呼叫應(yīng)答過程如圖10.1.3所示。第五十一頁，共193頁。圖10.1.3主從設(shè)備的呼叫應(yīng)答過程第五十二頁，共193頁。10.1.3藍(lán)牙協(xié)議體系

在藍(lán)牙系統(tǒng)中，藍(lán)牙協(xié)議體系是其核心的內(nèi)容，它由不同的協(xié)議構(gòu)成。藍(lán)牙協(xié)議體系采用分層化的結(jié)構(gòu)，分別完成數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸、跳頻和數(shù)據(jù)幀傳輸、鏈接的建立和釋放、鏈路控制、數(shù)據(jù)拆裝、業(yè)務(wù)質(zhì)量(QoS)、協(xié)議的復(fù)用和分段重組等功能。第五十三頁，共193頁。1.藍(lán)牙協(xié)議棧

藍(lán)牙規(guī)范的核心部分是協(xié)議棧。協(xié)議棧允許設(shè)備定位、互相連接并彼此交換數(shù)據(jù)，從而在藍(lán)牙設(shè)備之間實現(xiàn)互操作性的交互式應(yīng)用。在設(shè)計協(xié)議棧（特別是高層協(xié)議）時的原

則就是最大限度地重復(fù)使用現(xiàn)存的協(xié)議，而且盡管不同的協(xié)議棧對應(yīng)不同的應(yīng)用，其高層應(yīng)用協(xié)議（協(xié)議棧的垂直層）也都使用公共的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。藍(lán)牙技術(shù)的一個主要目的是使符合該規(guī)范的各種設(shè)備能夠互通，這就要求本地設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備使用相同的協(xié)議。監(jiān)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)如圖10.1.4所示，明確地表述了數(shù)據(jù)經(jīng)過無線傳輸時，所有協(xié)議之間的相互關(guān)系。第五十四頁，共193頁。圖10.1.4藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)第五十五頁，共193頁。藍(lán)牙協(xié)議體系可以分為四層，分別為核心協(xié)議層、替代電纜協(xié)議層、電話控制協(xié)議層和選用協(xié)議層，每一層還包含一些具體的協(xié)議，具體如下：

核心協(xié)議層：包含基帶、鏈路管理協(xié)議(LMP)、適配協(xié)議和邏輯鏈路控制應(yīng)用協(xié)議(L2CAP)、服務(wù)搜索協(xié)議(SDP)。替代電纜協(xié)議層：包含串行電路仿真協(xié)議(RFCOMM)。第五十六頁，共193頁。電話控制協(xié)議層：包含二元電話控制規(guī)范(TCSBinary)與AT-命令(AT-Command)。選用協(xié)議層：包含點到點協(xié)議(PPP)、用戶數(shù)據(jù)報、傳輸控制協(xié)議、互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(UDP、TCP/IP)、

目標(biāo)交換協(xié)議(OBEX)、無線應(yīng)用協(xié)議(WAP)、無線應(yīng)用環(huán)境(WAF)、vCard、vCal、紅外移動通信(IrMC)。

除了上述協(xié)議層外，藍(lán)牙規(guī)范還定義了主機(jī)控制器接口(HCI)，它為基帶控制器、鏈路控制器以及訪問硬件狀態(tài)和控制寄存器等提供命令接口。在圖10.1.4中，HCI層位于L2CAP之下，但是它也可以位于L2CAP之上。第五十七頁，共193頁。在藍(lán)牙協(xié)議棧中，不是所有的應(yīng)用都必須使用全部協(xié)議，可以只采用部分縱向協(xié)議，利用特殊的服務(wù)來支持主要應(yīng)用。協(xié)議還可以有其他的相互關(guān)系，在某些應(yīng)用中這種關(guān)系是有變化的。例如，當(dāng)需控制鏈路管理器時，可使用邏輯鏈路控制應(yīng)用協(xié)議、二元電話控制規(guī)范或鏈路管理協(xié)議。第五十八頁，共193頁。這些協(xié)議又可以分為藍(lán)牙專有協(xié)議和非專有協(xié)議，這樣區(qū)分的目的主要是在藍(lán)牙專有協(xié)議的基礎(chǔ)上，盡可能地采用和借鑒現(xiàn)有的各種高層協(xié)議（也就是非專有協(xié)議），使得現(xiàn)有的各種應(yīng)用能移植到藍(lán)牙上來，如UDP/TCP/IP等。藍(lán)牙核心協(xié)議都是藍(lán)牙無線技術(shù)的專有協(xié)議，是由藍(lán)牙SIG開發(fā)出來的；而RFCOMM和TCSBinary協(xié)議也是是SIG開發(fā)的，但是它們分別在現(xiàn)存的ETSIRTS07.10和ITURecomm-endationQ.931協(xié)議的基礎(chǔ)上制定的。第五十九頁，共193頁。2.藍(lán)牙核心協(xié)議

藍(lán)牙的核心協(xié)議由基帶、鏈路管理、邏輯鏈路控制與適應(yīng)協(xié)議和服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議等四部分組成。從應(yīng)用的角度看，射頻、基帶和LMP可以歸為藍(lán)牙的低層協(xié)議，它們對應(yīng)用而言是十分透明的。第六十頁，共193頁。3.替代電纜協(xié)議和電話控制協(xié)議

藍(lán)牙通信的目標(biāo)是替代電纜，支持串行通信及其相關(guān)應(yīng)用是電纜替代使用模型的重要特征。為了便于藍(lán)牙無線鏈路在串行通信中的使用，藍(lán)牙協(xié)議棧定義了被稱為替代電纜協(xié)議(RFCOMM)的串口仿真協(xié)議。RFCOMM表示的是一個虛擬串口，其應(yīng)用類似于標(biāo)準(zhǔn)的有線串口所能實現(xiàn)的應(yīng)用。例如，同步、撥號上網(wǎng)及其他不需要做重大改動的應(yīng)用。因此，RFCOMM協(xié)議的內(nèi)容就是使那些遺留的、基于串口的應(yīng)用使用藍(lán)牙傳輸方式。第六十一頁，共193頁。RFCOMM是基于歐洲電信聯(lián)盟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)ETSIRTS07.10規(guī)范的串口仿真協(xié)議。此標(biāo)準(zhǔn)還用于GSM通信設(shè)備，并定義了在一條串行鏈路上的多路復(fù)用串行通信。RFCOMM協(xié)議在L2CAP協(xié)議的基礎(chǔ)上提供了RS-232C串口仿真。這個“替代電纜”的協(xié)議在藍(lán)牙基帶協(xié)議上仿真了RS-232C控制和數(shù)據(jù)信號，為使用串行線傳送機(jī)制的上層協(xié)議(如OBEX)提供服務(wù)。RFCOMM提供的串口功能使之成為協(xié)議棧的重要組成部分。第六十二頁，共193頁。電話控制協(xié)議(TCS)包括二進(jìn)制電話控制(TCSBIN)協(xié)議和一套電話控制命令(ATCommands)。其中，TCSBIN定義了在藍(lán)牙設(shè)備間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫所需的呼叫控制信令；ATCommands則是一套可在多使用模式下用于控制移動電話和調(diào)制解調(diào)器的命令，它由藍(lán)牙SIG組在ITU-TQ931的基礎(chǔ)上開發(fā)而成。第六十三頁，共193頁。藍(lán)牙無線通信的一個主要特點就是既能傳輸數(shù)據(jù)通信信號，又能傳輸語音信號。藍(lán)牙電話控制協(xié)議(TCS)的設(shè)計支持電話功能，包括呼叫控制和分組管理，這些操作通常與語音呼叫有關(guān)，呼叫的參數(shù)就是使用TCS建立的；一旦呼叫建立成功，藍(lán)牙音頻信道就能運(yùn)載呼叫的語音內(nèi)容。TCS同樣可以用來建立數(shù)據(jù)呼叫，以撥號上網(wǎng)的應(yīng)用模板為例，呼叫的內(nèi)容在L2CAP上以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包的形式運(yùn)載。第六十四頁，共193頁。TCS協(xié)議與ITUTQ931規(guī)范一致。因為它們都使用的是二進(jìn)制的編碼，這些協(xié)議在規(guī)范里也被稱為二元電話控制協(xié)議。二元電話控制協(xié)議是面向比特的協(xié)議，它定義了藍(lán)牙設(shè)備間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫的控制信令，還定義了處理藍(lán)牙TCS設(shè)備群的移動管理進(jìn)程。第六十五頁，共193頁。4.可選協(xié)議

可選協(xié)議主要包括PPP（點對點協(xié)議）、UDP/TCP/IP、OBEX（對象交換協(xié)議）、vCard（電子名片交換格式）、vCal（電子日歷及日程交換格式）、WAP（無線應(yīng)用協(xié)議）和WAE（無線應(yīng)用環(huán)境）協(xié)議。第六十六頁，共193頁。10.1.4藍(lán)牙的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例

智慧農(nóng)業(yè)是物聯(lián)網(wǎng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。采用藍(lán)牙技術(shù)對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時采集、傳輸和處理是實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。以下以藍(lán)牙技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用為例來說明藍(lán)牙應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。第六十七頁，共193頁。1.目標(biāo)與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計并實現(xiàn)一個農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)浇说闹腔坜r(nóng)業(yè)匯集器中，再由匯集器將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端的智慧農(nóng)業(yè)信息平臺中，以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)與管理的自動化。該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖10.1.5所示。采集的數(shù)據(jù)為：空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、土壤PH值和光照強(qiáng)度等農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)。第六十八頁，共193頁。圖10.1.5智慧農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)第六十九頁，共193頁。整個系統(tǒng)分為藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和智慧農(nóng)業(yè)信息平臺兩大部分。藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、土壤PH值和光照強(qiáng)度等農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)通過一個傳感器組采集后，經(jīng)無線信道傳送給匯集器。匯集器與互聯(lián)網(wǎng)相連接，并把所采集到的信息通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到智慧農(nóng)業(yè)信息平臺，平臺將處理后的信息通過互聯(lián)網(wǎng)或移動通信等方式傳送給農(nóng)戶或直接反饋到匯集器來控制相關(guān)的農(nóng)業(yè)

生產(chǎn)。第七十頁，共193頁。2.藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件由傳感器組模塊、微處理器模塊、藍(lán)牙通信模塊及液晶顯示模塊四部分組成，其硬件系統(tǒng)如圖10.1.6所示。第七十一頁，共193頁。圖10.1.6藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)第七十二頁，共193頁。1）傳感器組模塊

傳感器組模塊主要由溫濕度、CO2濃度、酸堿度、光照強(qiáng)度等傳感器及A/D轉(zhuǎn)換電路組成。其功能是完成各種模擬量的采集，并把所采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供微處理器數(shù)據(jù)處理和通信處理。該模塊也可采用集成度較高的專用A/D轉(zhuǎn)換模塊及配置各種模擬量傳感器來實現(xiàn)該功能。例如，可采用美國達(dá)拉斯（Dallas)公司生產(chǎn)的DS18Bxx系列模塊來實現(xiàn)濕度等數(shù)據(jù)的采集功能。第七十三頁，共193頁。2）微處理器(MCU)模塊

微處理器(MCU)模塊是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，主要完成傳感器組模塊數(shù)據(jù)采集的控制、數(shù)據(jù)處理，完成對藍(lán)牙模塊的控制及通信處理，以及完成液晶顯示器的顯示控制與處理等功能。該模塊可以采用低功耗的單片機(jī)及其外圍電路來實現(xiàn)。第七十四頁，共193頁。3）藍(lán)牙通信模塊

藍(lán)牙通信模塊主要完成近距離無線通信功能，可采用專用的藍(lán)牙芯片來完成無線通信功能。例如，C-06藍(lán)牙串口透明傳輸模塊采用英國劍橋硅無線（CSR）公司的BlueCore4-External藍(lán)牙芯片來實現(xiàn)無線傳輸功能。第七十五頁，共193頁。4）液晶顯示模塊

液晶顯示模塊用于顯示當(dāng)?shù)夭杉臄?shù)據(jù)，主要是為了當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶工作方便而設(shè)計的。該模塊受微處理器的控制。當(dāng)需要顯示時，可操作微處理器上的顯示按鈕來激活液晶顯示模塊，并通過微處理器上的控制顯示功能按鈕來瀏覽所采集的實時數(shù)據(jù)和部分歷史數(shù)據(jù)。第七十六頁，共193頁。10.2紅外通信技術(shù)

紅外線(Infrared)是一種波長范圍在750nm~1mm之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人眼看不到的光線。任何物體，只要其溫度高于絕對零度(－273℃)，就會向四周輻射紅外線。物體溫度越高，紅外輻射的強(qiáng)度就越大。紅外通信一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，即采用波長在0.75~25μm之間的電磁波進(jìn)行無線通信。第七十七頁，共193頁。1993年成立的紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(InfraredDataAssociation，IrDA)，為了保證不同廠商生產(chǎn)的紅外產(chǎn)品能夠獲得最佳的通信效果，制定的紅外通信協(xié)議將紅外數(shù)據(jù)通信所采用的光波波長的范圍限定在850~900nm之間。紅外通信具有以下特點：第七十八頁，共193頁。（1）由于該通信方式是通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)化實現(xiàn)無線通信的，并且同時由于采用定向傳輸，這使得墻壁或其他不透明的物體對紅外信號得以隔離，因此，紅外通信具有極強(qiáng)的保密性。

（2）由于光是定性傳播的，因此，避免了常規(guī)無線電波之間的相互干擾。

（3）由于它的波長較短，頻率較高，因此其帶寬較寬，可以承載高速數(shù)據(jù)的傳輸。第七十九頁，共193頁。（4）紅外通信設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、耗電少，能進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信。

（5）由于紅外線的數(shù)據(jù)傳輸基本上采用強(qiáng)度調(diào)制，紅外接收器只需檢測光信號的強(qiáng)度便可完成信號的解調(diào)，因此紅外通信設(shè)備比無線電波通信設(shè)備便宜、簡單得多。依靠低成本的紅外發(fā)射器與接收器就能進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信。第八十頁，共193頁。10.2.1紅外通信的基本原理

紅外通信與無線數(shù)據(jù)通信一樣，不同的是傳輸介質(zhì)由無線電波換為紅外線。通信系統(tǒng)由發(fā)射器部分、信道部分和接收器部分組成。發(fā)射器部分包括紅外發(fā)射器和編碼控制器,接收部分包括紅外探測器和解碼控制器。第八十一頁，共193頁。由于紅外通信系統(tǒng)一般采用雙向通信方式，所以在紅外通信系統(tǒng)中把紅外發(fā)射器與紅外探測器合為一個紅外收發(fā)器。與之對應(yīng)，編碼控制器和解碼控制器合為紅外編/解碼控制器，簡稱為紅外控制器。信道部分是指紅外通信中光線傳

輸?shù)姆绞?。因此，紅外通信系統(tǒng)即由紅外收發(fā)器、紅外控

制器和信道組成，如圖10.2.1所示。第八十二頁，共193頁。圖10.2.1紅外通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第八十三頁，共193頁。由于紅外通信系統(tǒng)是靠紅外線來傳輸數(shù)據(jù)的，所以根據(jù)紅外線的傳輸路徑及紅外收發(fā)器的位置可將紅外通信方式分為四類，即窄視方式(NarrowLineofSight,NLOS)、寬視方式(WideLOS,WLOS)、散射方式(Diffuse)、跟蹤方式(Tracked)，如圖10.2.2所示。以上四種方式中，相同的通信距離下發(fā)射光強(qiáng)由弱到強(qiáng)排列順序為：散射方式、寬視方式、窄視方式或跟蹤方式。根據(jù)接收紅外信號方式的不同，紅外通信還可以分為直射方式和反射方式，如圖10.2.3所示。第八十四頁，共193頁。圖10.2.2紅外通信的四種方式第八十五頁，共193頁。圖10.2.3直射與發(fā)射方式第八十六頁，共193頁。紅外通信根據(jù)通信速率的不同可分為：低速模式(SerialInfrared,SIR)，通信速率小于115.2kb/s；中速模式(MediumSpeedInfrared,MIR),通信速率為0.567~1.152Mb/s；高速模式(FastSpeedInfrared，F(xiàn)IR)，通信速率為4Mb/s；超高速模式(VeryFastSpeedInfrared，VFIR),通信速率為16Mb/s。第八十七頁，共193頁。紅外收發(fā)器實現(xiàn)了紅外脈沖信號的產(chǎn)生和探測，它需要滿足規(guī)范要求和合適的通信光波長。紅外發(fā)射管由不同比率的ⅢⅤ混合物制造而成，ⅢⅤ混合物由Al、Ga、In三種元

素和P、As混合而成。采用這些混合物制造的紅外發(fā)射管的發(fā)射波長為800~1000nm。紅外探測器中一般帶有GaAs或InP的帶通濾波器，能夠在一定程度上消除其他波長光線的影響，半球形濾波器比平面濾波器的接收能量提高3dB。第八十八頁，共193頁。10.2.2紅外通信標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議

紅外通信作為一種成熟的通信技術(shù)，目前已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用協(xié)議。紅外數(shù)據(jù)委員會(IrDA)作為一個工業(yè)機(jī)構(gòu)間

的協(xié)作組織，于1993年由惠普（HP）、康柏（Compaq)、

英特爾(Intel)等公司發(fā)起成立，旨在建立開放的紅外通信標(biāo)

準(zhǔn)。以下簡要地介紹紅外通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議。第八十九頁，共193頁。1.紅外標(biāo)準(zhǔn)

紅外標(biāo)準(zhǔn)主要分為IrDAData和IrDAControl兩種類型。其中IrDAData主要用于與其他設(shè)備交換數(shù)據(jù)；IrDAControl則主要用于與人機(jī)接口設(shè)備（如鍵盤、鼠標(biāo)器等）通信。

IrDAData的傳輸距離為0.2~1m，傳輸速度為9600b/s~

16Mb/s。IrDAControl的傳輸距離為8m，傳輸速度為75kb/s。以下主要介紹IrDAData。第九十頁，共193頁。IrDA1.0于1994年發(fā)表，簡稱為SIR(SerialInfrared），是一種非同步、半雙工紅外通信方式。SIR的實現(xiàn)基于UART

(UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，通用異步接收/發(fā)送裝置)，是在計算機(jī)的UART上擴(kuò)展紅外線編/譯碼器和紅外收發(fā)器而形成的。SIR的傳輸速率取決于UART，最高傳輸速率受到UART的限制，最高為115.2kb/s，發(fā)射接收角度為30°。由于SIR基于UART，因而具有較低的成本。第九十一頁，共193頁。在SIR之后，IrDA于1996年發(fā)布了IrDA1.1，即FIR(FastInfrared)。FIR不再基于UART，而是直接連接計算機(jī)總線，它的性能也就不受制于UART的性能了。FIR的數(shù)據(jù)傳輸速率最高為4Mb/s。FIR仍然支持SIR的傳輸模式，與SIR向下兼容，當(dāng)FIR設(shè)備與SIR設(shè)備通信時，使用SIR的速率和調(diào)制模式。只有通信雙方都支持FIR的4Mb/s速率時，才將通信速率設(shè)定為4Mb/s。第九十二頁，共193頁。2001年IrDA發(fā)布了最高通信速率為16Mb/s的VFIR(VeryFastInfrared)標(biāo)準(zhǔn)。VFIR設(shè)備兼容SIR和FIR設(shè)備。

AIR(AdvancedInfrared)是IrDA針對藍(lán)牙技術(shù)的競爭發(fā)布的一個多點連接紅外線規(guī)范，它的優(yōu)點是其傳輸距離和發(fā)射

接收角度的改進(jìn)，即在4Mb/s通信速率下其傳輸距離可以達(dá)到4m，在更低的速率下傳輸距離可以達(dá)到8m；AIR規(guī)范的發(fā)射接收角度為120°。更重要的是它支持多點連接，其他的IrDA規(guī)范都只支持點對點連接。第九十三頁，共193頁。由于紅外接口主要用于便攜設(shè)備，這類設(shè)備通常對功

耗要求很高，為了降低設(shè)備的功耗，IrDA發(fā)布了低功耗的IrDA1.2和IrDA1.3，這樣縮短了傳輸距離，傳輸距離為0.2~0.3m。這兩個標(biāo)準(zhǔn)分別是SIR和FIR的低功耗版本。

IrDA的各版本標(biāo)準(zhǔn)如表10.2.1所示。第九十四頁，共193頁。第九十五頁，共193頁。2.IrDA協(xié)議

IrDA發(fā)表了一系列的紅外通信協(xié)議，這些協(xié)議在應(yīng)用上可以分為兩類，即強(qiáng)制性的低層協(xié)議和可選擇的高層協(xié)議。1）IrDA協(xié)議結(jié)構(gòu)

強(qiáng)制性的低層協(xié)議包括物理層連接協(xié)議(InfraredPhysicalLayerLinkSpecification，IrPHY)、鏈路層訪問協(xié)議(InfraredLinkAccessProtocol，IrLAP)和鏈路管理層協(xié)議(InfraredLinkManagementProtocol，IrLMP)。第九十六頁，共193頁。在IrLMP層之上，針對特定的紅外傳輸應(yīng)用，IrDA發(fā)

布了多個高層協(xié)議，包括TinyTP(TinyTransportProtocol)、IrOBEX(InfraredObjectExchange，紅外目標(biāo)交換協(xié)議)、IrCOMM（紅外虛擬串行口協(xié)議）、IrLAN（紅外局域網(wǎng)協(xié)議）、IrTran-P（InfraredTransferPictureProtocol，紅外圖

片傳輸協(xié)議）等。這些協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)如圖10.2.4。第九十七頁，共193頁。圖10.2.4IrDA協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)第九十八頁，共193頁。2）IrDA低層協(xié)議

IrDA的低層協(xié)議包括IrDA協(xié)議結(jié)構(gòu)的下三層。其中IrPHY主要由硬件實現(xiàn)，包括SIR、FIR、VFIR等。

IrPHY提供了紅外設(shè)備的連接規(guī)范，涵蓋了紅外收發(fā)器、數(shù)據(jù)比特的編碼和解碼、傳輸距離、傳輸視角（接收器和發(fā)射器之間紅外傳輸方向上的角度偏差）、發(fā)光功率、抗噪聲干擾等方面，以保證不同種類不同品牌設(shè)備之間的物理互連；實現(xiàn)了傳輸距離為0~1m、傳輸視角為0°~15°的無錯通信和在環(huán)境光及其他紅外光干擾下的成功通信。第九十九頁，共193頁。發(fā)射器的發(fā)光強(qiáng)度和接收器的檢測靈敏度規(guī)范保證在0~

1m內(nèi)鏈路能正常工作，接收靈敏度還保證了最小強(qiáng)度的發(fā)射光在1m處能被感知，而最大強(qiáng)度的發(fā)射光在0m處也不會使光接收器過飽和。紅外發(fā)射器、接收器均與標(biāo)準(zhǔn)異步通信收發(fā)器相連，最大接入速率達(dá)到115.2kb/s。信道誤碼率為10－9。IrDA1.0版本IrPHY的幀結(jié)構(gòu)如圖10.2.5所示。第一百頁，共193頁。圖10.2.5IrPHY的幀結(jié)構(gòu)第一百零一頁，共193頁。起始標(biāo)志與終止標(biāo)志均為011111100，地址字段為8位地址信息，數(shù)據(jù)段為2048字節(jié)的傳輸數(shù)據(jù)，校驗字段采用16位的CRC校驗。

IrLAP是在廣域網(wǎng)中廣泛使用的高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議(HighlevelDataLinkControl，HDLC)基礎(chǔ)上開發(fā)的半雙工面向連接服務(wù)的協(xié)議。IrDA標(biāo)準(zhǔn)對IrLAP規(guī)則提出最基本的要求如下：第一百零二頁，共193頁。設(shè)備搜索：搜尋紅外輻射空間存在的設(shè)備。

選擇連接：選擇合適的傳送對象，協(xié)商雙方均支持的最佳通信參數(shù)并進(jìn)行連接。

數(shù)據(jù)交換：用協(xié)商好的參數(shù)進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)交換。

斷開連接：關(guān)閉鏈路并且返回到常規(guī)斷開狀態(tài),等待新的連接。

由于紅外鏈路建立協(xié)議是在自動協(xié)商好的參數(shù)基礎(chǔ)上提供可靠的、無故障的數(shù)據(jù)交換，因此，在鏈路建立協(xié)議開發(fā)過程中需考慮以下幾個環(huán)境因素的影響：第一百零三頁，共193頁。點對點連接：紅外鏈路連接是一對一的，不能實現(xiàn)多對多連接。

半雙工方式：紅外光通信一次只能在一個方向上進(jìn)行傳輸，但可以通過頻繁改變鏈路方向來近似模擬全雙工工作

方式。

紅外錐角限制：紅外傳輸為了將周圍設(shè)備引起的干擾降到最低限度，其半角應(yīng)限制在15°范圍以內(nèi)。第一百零四頁，共193頁。紅外節(jié)點隱蔽：當(dāng)其他紅外設(shè)備從當(dāng)前發(fā)送方后面靠近現(xiàn)存的鏈路時，不能迅速偵測到鏈路的存在。

抗噪聲干擾：鏈路建立協(xié)議必須克服熒光、其他紅外設(shè)備、太陽光等因素的干擾。

無沖突檢測：由于硬件設(shè)計不檢測信號沖突，因此必須在軟件設(shè)計中考慮沖突處理措施，以免丟失數(shù)據(jù)。IrLAP基本的數(shù)據(jù)幀格式如圖10.2.6所示。第一百零五頁，共193頁。圖10.2.6IrLAP基本的數(shù)據(jù)幀格式第一百零六頁，共193頁。IrLAP定義了信息幀、監(jiān)控幀、無序列幀三種類型的幀。其中信息幀用于信息傳輸；監(jiān)控幀用于鏈路管理，如應(yīng)答接收幀、傳送站點狀態(tài)、報告幀序列錯誤等；無序列幀用來建

立和釋放鏈路、報告過程錯誤、傳送數(shù)據(jù)。

鏈路建立協(xié)議的工作過程的分為三個主要步驟：設(shè)備發(fā)現(xiàn)和地址沖突處理，鏈路建立，信息交換和鏈路關(guān)閉。第一百零七頁，共193頁。鏈路連接管理協(xié)議(IrLMP)是IrDA設(shè)備的一部分，通過該設(shè)備上的軟件可以發(fā)現(xiàn)另一個設(shè)備所能夠提供的服務(wù)。這個協(xié)議支持多個程序，獨(dú)立、并行地共享一個IrLAP，并在主從設(shè)備間進(jìn)行通信，其中包括探測、復(fù)用連接、控制連接。探測部分在每個設(shè)備中維護(hù)一個信息庫，其中包含了當(dāng)前設(shè)備所能提供的服務(wù)類型。服務(wù)作為對象進(jìn)行處理，包含

自己的屬性，這些信息可用于其他設(shè)備進(jìn)行查詢。復(fù)用連接使得多個獨(dú)立的程序可以通過一個單獨(dú)的IrLAP連接交換數(shù)據(jù)。連接控制包含對連接的管理，其中包括對連接進(jìn)行獨(dú)占使用

的管理。第一百零八頁，共193頁。IrLMP在紅外協(xié)議中處于承上啟下的位置。連接管理包含連接管理信息訪問服務(wù)(IAS)和連接管理復(fù)用(MUX)兩個部分。這樣在系統(tǒng)中就存在有四種服務(wù)，即IrLAP服務(wù)、MUX服務(wù)、

IAS服務(wù)和Transport服務(wù)。其中和IrLMP直接有關(guān)的是前三種，IrLAP服務(wù)是IrLMP—MUX層的服務(wù)提供者，負(fù)責(zé)發(fā)送IrLMP提交的任務(wù)和向IrLMP層提交收到的數(shù)據(jù)；MUX服務(wù)是IrLMP層向上層協(xié)議提供服務(wù)的部分，負(fù)責(zé)和上層程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，達(dá)到復(fù)用單個IrLAP連接的目的，提供服務(wù)的位置稱為LSAP(LinkServiceAccessPoints)；IAS服務(wù)則向連接另一端的設(shè)備提供設(shè)備信息服務(wù)，使得其他設(shè)備可以了解本設(shè)備能夠提供的服務(wù)。第一百零九頁，共193頁。IrLMP根據(jù)IrLAP協(xié)議層建立的可靠連接和協(xié)商好的參數(shù)設(shè)置，提供了如下功能：

多路復(fù)用：允許在一個IrLAP鏈路上同時獨(dú)立運(yùn)行多個IrLMP服務(wù)連接。

高級搜索：在IrLAP搜索中解決地址沖突，處理具有相同IrLAP地址的多設(shè)備事件，并告知它們重新產(chǎn)生一個新的

地址。第一百一十頁，共193頁。3）IrDA高層協(xié)議

IrDA高層協(xié)議包括IrComm和IrNet。通過IrComm，可以使計算機(jī)和配置紅外的移動電話連接到Internet服務(wù)提供商或發(fā)送傳真，而無需使用其他設(shè)備。通過IrNet，可以在計算機(jī)與計算機(jī)或紅外設(shè)備之間建立點對點的連接，也可以在計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)訪問點之間建立連接。

如果計算機(jī)帶有內(nèi)置紅外設(shè)備或安裝了紅外收發(fā)器，則紅外端口將作為本地端口顯示在“添加打印機(jī)”對話框中?？梢詫⒋蛴C(jī)與該端口連接，然后通過該打印機(jī)打印，此時將使用IrLPT協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。第一百一十一頁，共193頁。IrTran-P圖像傳輸協(xié)議適用于數(shù)碼相機(jī)和其他數(shù)字圖像捕獲設(shè)備。通過IrDA將來自照相機(jī)或其他支持IrTran-P的設(shè)備的數(shù)字圖像輸入計算機(jī)。IrTran-P服務(wù)作為受理服務(wù)執(zhí)行，它從不初始化IrTran-P連接。第一百一十二頁，共193頁。4）可選協(xié)議

（1）TinyTP。它提供了兩個功能：獨(dú)立的流量控制的傳輸連接，分割和重組(SegmentationAndReassembly，SAR)。也就是說在鏈路管理協(xié)議層連接的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)流控制以及分組與重新拼合數(shù)據(jù)。流傳輸協(xié)議層以鏈路管理協(xié)議層單元核為中心，進(jìn)行數(shù)據(jù)連接、發(fā)送、斷開和施加流控制等操作，其分組與重新拼合功能的基本思想是將較大的數(shù)據(jù)分成幾塊來進(jìn)行傳輸，然后在另一方重新將其拼合起來。被分割和拼合的數(shù)據(jù)中一個完整的數(shù)據(jù)塊稱為服務(wù)數(shù)據(jù)單元，在TP/LMP連接建立時應(yīng)明確該服務(wù)數(shù)據(jù)單元的最大尺寸。第一百一十三頁，共193頁。（2）對象交換協(xié)議(IrOBEX)。

OBEX的全稱為ObjectExchange（對象交換），即對象交換協(xié)議。它在此軟件當(dāng)中具有核心地位。對象交換協(xié)議(IrOBEX)的設(shè)計目的是使不同系統(tǒng)能交換大小和類型不同的數(shù)據(jù)。在嵌入式系統(tǒng)中最普遍的應(yīng)用是任意選擇一個數(shù)據(jù)對象，并將其發(fā)送到紅外設(shè)備指定的任一地址，為了在接收方識別數(shù)據(jù)對象并順利地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，紅外對象交換協(xié)議提供了相應(yīng)的工具。第一百一十四頁，共193頁。建立IrOBEX的目的就是盡可能完整地打包IrDA通信傳輸數(shù)據(jù)，這樣可以大大簡化通信應(yīng)用的開發(fā)。IrOBEX協(xié)議中包含了兩種模式，即會話模式中的會話規(guī)則用來規(guī)范對象的交換，包括連接中可選的參數(shù)約定以及針對對象的“存”、“取”等一系列操作，它允許在不關(guān)閉連接的情況下終止傳輸，支持連接獨(dú)立關(guān)斷；而對象模式則提供了一個可擴(kuò)展的目標(biāo)和信息代表來描述對象，OBEX協(xié)議構(gòu)建在IrDA架構(gòu)的上層，OBEX協(xié)議通過簡單地使用“PUT”和“GET”命令實現(xiàn)在不同設(shè)備、不同平臺之間便捷、高效地交換信息。第一百一十五頁，共193頁。10.2.3紅外接口器件

紅外接口器件用于實現(xiàn)紅外接口硬件部分，主要分為紅外編/解碼器和紅外收發(fā)器兩類。目前的大多數(shù)筆記本和掌上電腦都配有紅外接口，但在臺式計算機(jī)上使用紅外接口大多都需要擴(kuò)展紅外線接口。在臺式計算機(jī)上擴(kuò)展紅外接口的最簡單方法是使用USB接口紅外適配器。由于Windows2000/XP操作系統(tǒng)已經(jīng)全面支持紅外協(xié)議，故通過紅外適配器即可方便地與紅外設(shè)備實現(xiàn)連接。第一百一十六頁，共193頁。紅外接口器件主要包括以下幾類：

紅外編/解碼器：一般用于連接計算機(jī)系統(tǒng)的UART，實現(xiàn)異步串行信號和紅外調(diào)制信號之間的轉(zhuǎn)換。這一類器件大多采用SIR標(biāo)準(zhǔn)，主要的產(chǎn)品有HP公司的HSDL-7001、微芯（Microchip）公司的MCP2120、德州儀器（TI）公司的TIR1000等。

紅外收發(fā)器：用于發(fā)送和接收紅外線信號的器件，主要集成了紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管，主要的產(chǎn)品有安捷倫(AgilentTechnologies)公司的HSDL-1001和HSDL-3201等。第一百一十七頁，共193頁。紅外協(xié)議處理器：包括紅外編/解碼器和紅外協(xié)議軟件的器件，如Microchip公司的MCP2150/2155，它的硬件接口和紅外編/解碼器件類似，但具備IrDA的協(xié)議控制。

紅外橋器件：用于實現(xiàn)IrDA接口與其他接口的變換，如矽瑪特（Sigmatel)公司的USB-IrDA橋控制芯片STIr4200，還可實現(xiàn)IrDA與USB接口信號和協(xié)議的轉(zhuǎn)換。第一百一十八頁，共193頁。10.2.4紅外通信系統(tǒng)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能電網(wǎng)中的自動抄表器主要由智能電表、紅外抄表器、上位機(jī)和智能電網(wǎng)傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)等四個部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10.2.7所示。第一百一十九頁，共193頁。圖10.2.7自動抄表器的結(jié)構(gòu)第一百二十頁，共193頁。智能電表是三相多功能電表，它能實時從智能電網(wǎng)中采集數(shù)據(jù)，經(jīng)計算和存儲后，通過紅外通信發(fā)射端口將數(shù)據(jù)發(fā)送至紅外抄表器中。紅外抄表器的RS-232C通信接口和紅外交

數(shù)據(jù)接口連接，分別完成與上位機(jī)和智能電表的數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)通過RS-232C接口與紅外抄表器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。抄表器中的用戶數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行存儲和備份，上位機(jī)中的相關(guān)管理系統(tǒng)軟件把處理后的數(shù)據(jù)反饋到抄表器中并通過屏幕顯示。第一百二十一頁，共193頁。抄表前，供電部門將抄表程序通過RS-232C數(shù)據(jù)端口發(fā)送到抄表器中，抄表員在現(xiàn)場選擇不同的用戶電表進(jìn)行非接觸抄表。抄表完畢后，抄表員將抄表器的數(shù)據(jù)通過RS-232C數(shù)據(jù)端口傳遞給計算機(jī)抄表數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以便進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理。第一百二十二頁，共193頁。2.紅外收發(fā)器電路設(shè)計

1）紅外發(fā)射器電路

紅外發(fā)射器電路如圖10.2.8所示。該電路由定時器電路、電平轉(zhuǎn)換電路、光耦合電路及與單片機(jī)接口電路構(gòu)成。第一百二十三頁，共193頁。圖10.2.8紅外發(fā)射器電路第一百二十四頁，共193頁。定時器電路采用美國安森美半導(dǎo)體（ONSemiconductor）公司的MC1455芯片完成定時功能。該芯片具有更低的功耗和

更高的集成度。單片機(jī)TxD發(fā)出的信號經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換送入MC1455的4腳，該信號決定了調(diào)制信號的頻率。由于單片機(jī)輸出的信號頻率較低，帶負(fù)載能力弱，因此需要加入載調(diào)制信號來增大信號的抗干擾能力。通常的做法是加入載波頻率為38kHz的調(diào)幅信號來驅(qū)動TxD，然后再用已調(diào)制的信號對紅外光進(jìn)行光調(diào)制，以驅(qū)動紅外發(fā)光管VD向外發(fā)射紅外光。第一百二十五頁，共193頁。

R1、R2和C1為定時器脈寬調(diào)制控制器件，MC1455的3腳輸出低電平時，7腳通過R2對C3和C1放電；當(dāng)3腳輸出高電平時，電源通過R1、R2對C1和C3充電。定時器的振蕩周期為一次完整的充放電過程，周期T為第一百二十六頁，共193頁。調(diào)制信號的占空比為VD為發(fā)光二極管，位于凸透鏡的物體的焦點處，接收二極管位于凸透鏡的像的焦點處。這樣可使二極管的發(fā)射光平行射出，發(fā)射光遇到障礙物以后反射回來經(jīng)凸透鏡聚焦到紅外接收二極管，而且是紅外發(fā)光二極管與紅外接收二極管處于同一平面。第一百二十七頁，共193頁。M1為功率放大管，驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)射振蕩的紅外光脈沖。它的控制信號是MC1455的3腳。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)射

紅外線去控制相應(yīng)的受控裝置時，其控制的距離與發(fā)射功率成正比。為了增加紅外線的控制距離，紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)，因為調(diào)制光的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，因而只需盡量提高峰值電流就能增加紅外光的發(fā)射距離。另外，通信過程中應(yīng)避免太陽光和其他干擾光直射到接收器窗口上。為了增大通信距離，前置放大器M1的反饋電阻R3選小一點，使光最強(qiáng)時運(yùn)算放大器處于線性工作區(qū)。第一百二十八頁，共193頁。2）紅外接收器電路

紅外接收器電路如圖10.2.9所示。該電路采用PIN型光電二極管把接收到的紅外光脈沖信號變成電流脈沖信號，并依次通過限幅放大器、帶通濾波器、前置放大器、檢波器、積分器及整形電路，將紅外PIN管送來的脈沖信號進(jìn)行放大并送入限幅放大器，使其變?yōu)榫匦蚊}沖，再通過濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號，由檢波器濾除載頻檢出原始信號，最后經(jīng)波形整形，送入單片機(jī)的RxD端口完成數(shù)據(jù)的傳輸。第一百二十九頁，共193頁。圖10.2.9紅外接收器電路框圖第一百三十頁，共193頁。傳統(tǒng)的紅外接收電路采用集成模塊來完成，這種模塊包含限幅放大器、前置放大器、帶通濾波器及PIN型光電二極管，如TSOP18模塊、HS38模塊、VF0038模塊等。采用模塊化設(shè)計的優(yōu)點是設(shè)計簡單、穩(wěn)定性較高，而缺點是設(shè)計靈活性差，無法進(jìn)行二次設(shè)計開發(fā)。紅外接收器電路采用非模塊化設(shè)計，可提高電路的靈活性。第一百三十一頁，共193頁。PIN型光電二極管接收光信號后直接進(jìn)入帶通濾波器，然后依次進(jìn)入限幅放大器和前置放大器，這樣可以避免周邊環(huán)境光使前置放大器進(jìn)入飽和區(qū)或者截止區(qū)，進(jìn)而影響紅外傳輸距離。濾波器可選用美國摩托羅拉（Motorola）公司的MC14414型帶通濾波器，前置放大器和限幅放大器可選用

TI公司的TLC2262系列芯片。檢波電路可用簡單的二極管來實現(xiàn)，積分電路可用集成運(yùn)算放大器來實現(xiàn)。第一百三十二頁，共193頁。10.3超寬帶無線通信技術(shù)

10.3.1超寬帶無線通信的概念及特點

1.超寬帶無線通信的概念

UWB是一種采用極窄的脈沖信號實現(xiàn)無線通信的技術(shù)，即脈沖無線電技術(shù)，它利用持續(xù)時間非常短（納秒、亞納秒級）的脈沖波形來代替?zhèn)鹘y(tǒng)傳輸系統(tǒng)的連續(xù)波形，從而實現(xiàn)無線通信。UWB是由早期軍用雷達(dá)技術(shù)發(fā)展起來的，隨著UWB用于民用，該技術(shù)發(fā)生了巨大的變化。第一百三十三頁，共193頁。在UWB的發(fā)展演化過程中，它的定義經(jīng)歷了以下幾個

階段：

1989年前，UWB信號主要是采用發(fā)射極短脈沖獲得的。該技術(shù)廣泛用于雷達(dá)領(lǐng)域并使用沖激（脈沖）無線電這個術(shù)語，屬于無載波技術(shù)，在信號的帶寬和頻譜結(jié)構(gòu)方面也沒有明確的規(guī)定。

1989年美國國防部高級研究計劃署(DARPA)首次使用UWB術(shù)語，并規(guī)定當(dāng)一個信號在－20dB處的絕對帶寬大于1.5GHz或分?jǐn)?shù)帶寬大于25%時，這個信號就是UWB信號。第一百三十四頁，共193頁。2002年美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)頒布了UWB的頻譜規(guī)劃，并規(guī)定只要一個信號在－10dB處的絕對帶寬大于0.5GHz或分?jǐn)?shù)帶寬大于20%，這個信號就是UWB信號。

超寬帶信號使用絕對帶寬(AbsoluteBandwidth)和分?jǐn)?shù)帶寬(FractionalBandwidth)兩個指標(biāo)來進(jìn)行判定。第一百三十五頁，共193頁。絕對帶寬也稱能量帶寬，若某一波形的絕大部分能量

都落入由fH和fL這兩個頻率作為上下限的頻段范圍內(nèi)，則稱

fH－fL為能量帶寬，也就是信號功率譜最大值兩側(cè)某滾降點對應(yīng)的上限頻率fH與下限頻率fL之差。FCC規(guī)定將fH和fL定義在信號功率譜密度衰減為－10dB的輻射點上，如圖10.3.1所示。在實際應(yīng)用中，fH和fL不需要嚴(yán)格的定義，可有多種選擇上

下限頻率的方法，常見的有－3dB、－20dB等不同的選擇。第一百三十六頁，共193頁。圖10.3.1超寬帶定義第一百三十七頁，共193頁。分?jǐn)?shù)帶寬也稱相對帶寬，是指絕對帶寬與中心頻率之比。由于超寬帶系統(tǒng)經(jīng)常采用無正弦載波調(diào)制的窄脈沖信號承載信息，因此中心頻率fc并非通常意義上的載波頻率，而是上、下限頻率的均值。分?jǐn)?shù)帶寬用數(shù)學(xué)公式可表示為從頻域來看，UWB與傳統(tǒng)的窄帶和寬帶不同，它的頻帶更寬。通常窄帶是指相對帶寬小于1%，寬帶是指相對帶寬在1%~25%之間。相對帶寬大于25%，而且中心頻率大于500MHz的無線電技術(shù)，稱為UWB。第一百三十八頁，共193頁。FCC對UWB的定義是從信號帶寬的角度來描述無線電信號的，沒有指明具體的實現(xiàn)方式。目前常用的實現(xiàn)方式主要有脈沖無線電(ImpulseRadioUWB，IR-UWB)和調(diào)制載波兩種。IR-UWB采用窄脈沖序列攜帶信息，直接通過天線傳輸，不需要對正弦載波進(jìn)行調(diào)制，因而實現(xiàn)簡單，是UWB技術(shù)早期采用的方式。調(diào)制載波通常采用多帶正交頻分復(fù)用(MultibandOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexingUWB,MB-OFDM-UWB)實現(xiàn)。第一百三十九頁，共193頁。MB-OFDM-UWB把整個有效帶寬分為最小帶寬不小于

500MHz的若干子帶，采用OFDM技術(shù)實現(xiàn)，有利于實現(xiàn)低功率的高數(shù)據(jù)速率傳輸，適用于室內(nèi)短距離高速率傳輸?shù)膽?yīng)用場合。

UWB不僅僅指的是UWB無線通信系統(tǒng)的底層傳輸技術(shù)，還應(yīng)該是一個完整的系統(tǒng)體系。UWB的系統(tǒng)規(guī)范是由UWB物理層(PHY)、UWB媒體接入控制層(MAC)、UWBWiMedia匯聚平臺和各種應(yīng)用構(gòu)成的整體。第一百四十頁，共193頁。2.超寬帶無線通信的特點

UWB技術(shù)可以實現(xiàn)低功耗、高速率的數(shù)據(jù)傳輸、UWB設(shè)備不但可以實現(xiàn)通信，而且同時可以實現(xiàn)定位功能，在物聯(lián)網(wǎng)中具有十分廣闊的應(yīng)用前景。超寬帶無線通信系統(tǒng)的主要性能特點及技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面：第一百四十一頁，共193頁。（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件電路簡單。IR-UWB實質(zhì)上是一種占空比很低的無載波擴(kuò)頻技術(shù)。典型的IR-UWB直接發(fā)射脈沖串，不再具有傳統(tǒng)的中頻和射頻電路，這樣UWB信號可以看成為基帶信號。因此UWB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較簡單，可以采用較簡單的硬件電路來實現(xiàn)。第一百四十二頁，共193頁。（2）具有較好的隱蔽性及較高的處理增益。UWB技術(shù)將信息符號映射為占空比很低的脈沖串，其功率譜密度很低，帶寬很寬，有較好的信號隱蔽性。脈沖無線電中的處理增益主要取決于脈沖的占空比和發(fā)送每個比特所用脈沖數(shù)目，很容易就能實現(xiàn)比目前的擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益。第一百四十三頁，共193頁。（3）多徑分辨能力強(qiáng)。由于UWB無線電發(fā)射的是持續(xù)時間很短且占空比很低的窄脈沖，多徑信號在時間上是可分離的，因此可以采用高效能的Rake接收，充分利用發(fā)射信號的能量，實現(xiàn)在低功率下傳輸更遠(yuǎn)的距離。

（4）傳輸速率高。從信號傳播的角度考慮，UWB無線通信由于能有效減小多徑傳播的影響，并且具有很寬的帶寬，因而可以實現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸。第一百四十四頁，共193頁。（5）空間傳輸容量大。根據(jù)Intel公司的研究報告，IEEE802.11b的空間容量，即每平方米每秒的傳輸速率為1(kb/s)/m2，藍(lán)牙的空間容量為30(kb/s)/m2，IEEE802.11a

的空間容量為83(kb/s)/m2，而UWB無線通信的空間容量為1000(kb/s)/m2。可見，在空間容量方面，UWB技術(shù)比現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢。第一百四十五頁，共193頁。(6）與其他系統(tǒng)具有良好的同頻段共存性。共存性是指在相同的頻帶上，本通信系統(tǒng)不影響其他系統(tǒng)的正常工作，同時其他系統(tǒng)也不影響本系統(tǒng)的運(yùn)行。UWB脈沖的功率譜本身就很低，另外還可限制UWB信號的輻射能量，因此不會對其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響。UWB系統(tǒng)可以在已被其他系統(tǒng)占用的頻帶上正常工作，由UWB脈沖的時頻特性和高處理增益很容易做到不被其他系統(tǒng)影響。這使得UWB無線通信系統(tǒng)可以在電磁環(huán)境復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定、可靠地工作，同時對其他系統(tǒng)的影響又非常小，能很好地解決電磁兼容問題。第一百四十六頁，共193頁。（7）便于多功能一體化。由于UWB無線電直接發(fā)射窄脈沖，其脈沖寬度為納秒級，甚至可以小于1ns，能夠方便地實現(xiàn)定位功能，定位精度可以達(dá)到厘米級，成為未來無線定位的熱門技術(shù)。采用UWB技術(shù)，可以實現(xiàn)通信和高精度定位功能的合一，同時UWB具有極強(qiáng)的穿透能力，可以在室內(nèi)和地下環(huán)境下實現(xiàn)精確定位。第一百四十七頁，共193頁。10.3.2超寬帶無線通信的頻譜規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

任何無線通信都要受到頻譜的限制，對頻譜的有效管理是實現(xiàn)正常無線通信的保障，因此超寬帶無線通信的頻譜需要給予管理，并符合一定的規(guī)范。目前，廣泛采用的UWB信號頻譜規(guī)范參考是FCC在2002年對UWB設(shè)備民用化所制定的規(guī)范。第一百四十八頁，共193頁。FCC準(zhǔn)許UWB技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域的條件是：在發(fā)送功率低于美國放射噪聲規(guī)定值－1.3dBm/MHz（功率為1mW/MHz）的條件下，可將3.1~10.6GHz的頻帶用于對地下和隔墻之物

進(jìn)行掃描的成像系統(tǒng)、汽車防撞雷達(dá)以及在家電終端和便攜式終端間進(jìn)行測距和無線數(shù)據(jù)通信。FCC分別對探地雷達(dá)、墻內(nèi)成像系統(tǒng)、穿墻成像系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、醫(yī)用圖像系統(tǒng)、車輛雷達(dá)系統(tǒng)和手持通信設(shè)備等不同的應(yīng)用做了不同的頻譜規(guī)定，部分應(yīng)用領(lǐng)域和相應(yīng)的頻段劃如表10.3.1所示。第一百四十九頁，共193頁。第一百五十頁，共193頁。除了美國FCC制定了完整的商用UWB技術(shù)使用規(guī)范外，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會、日本、新加坡等國家以及國際電信聯(lián)盟也逐步制定了UWB技術(shù)的相關(guān)規(guī)范。ITU于2005年10月確定了各國家和地區(qū)UWB頻譜分配的若干原則，2006年2月，ITU第一研究組批準(zhǔn)給予UWB全球性監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)的地位和一系列相關(guān)建議，具體規(guī)