短距离无线通信技术简介

1、短距离无线通信 及组网技术 Overlay Networks the global goal regional metropolitan area campus-based in-house vertical hand-over horizontal hand-over integration of heterogeneous fixed and mobile networks with varying transmission characteristics Global Star -Mobile Phone GSM CDMA 3G CT2 -DECT -PHS Wireless LAN 短

2、距离无线通信 一般意义上，只要通信收发双方通过电磁波 （红外、无线电微波）传输信息，并且传输距 离限制在较短的范围内，通常是几十米以内， 都可以称之为短距离无线通信。 短距离无线通信 通信距离短，覆盖距 离一般在10200m 无线发射器的发射功 率较低，发射功率一 般小于100mW 工作频率多为免付费、 免申请的全球通用的 工业、科学、医学频 段 三个重要特征和优势： 低成本 低功耗 对等通信：终端之间 对等通信，无须网络 设备进行中转，因此 空中接口设计和高层 协议都相对比较简单 几种常见的短距离无线通信 蓝牙（Bluetooth） 红外（IrDA） ZigBee Wi-Fi技术 NFC技术

3、 UWB（超宽带） 无线自组织网络 高速短距离无线通信 最高数据速率高于 100Mb/s，通信距离 小于10m。 低速短距离无线通信 最低数据速率低于 1Mb/s，通信距离小 于100m。 蓝牙通信技术 Wireless Personal Area Network (WPAN) 无线个人局域网 蓝牙通信技术 蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m 内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、 无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备 之间进行无线信息交换。 蓝牙的发展和目标 由Ericsson、Nokia、 Intel、Toshiba和 IBM共同建立特别 兴趣小组，SIG （specia

4、l interest group）,现已有 2000多家公司加入。 蓝牙的基本功能及性能指标 基本功能：利用嵌入式芯片，实现短距离无线 连接，替代现有电缆 工作频段： 24002483.5 MHz之间的ISM频带 调制方式：GFSK, 调制指数：0.28-0.35 扩频方式：跳频扩频 79个跳频信道 双工方式：时分双工 蓝牙的基本功能及性能指标 无线传输距离：10米100米 发射功率：1mW，2.5mW，100mW 传输类型：数据信息、语音信息 传输速率：1Mbps、 2Mbps、 3Mbps 通信方式和组网方式：点对点、点对多点、微 微网piconet、散射网scatternet 蓝牙的优势

5、 开放性优势 低成本 低功耗 芯片尺寸小 点对多点连接 语音和数据混合传输 高抗干扰能力 蓝牙技术的应用 语音/数据接入：将一台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备上 完成与广域网的连接 外围设备互联：将各种设备通过蓝牙链路连接到主机上 个人局域网：主要用于个人网络与信息的共享与交换 规格规格蓝牙蓝牙红外红外 无线传输媒介无线传输媒介射频无线电波红外线 标称传输速率标称传输速率 (Mbit/s) 1,2,31.521，4，16 数据数据/语音支持语音支持支持语音和数据只支持数据 传输距离传输距离10100m20cm10m 移动能力移动能力极佳差 方向性方向性全向(360度，中间可以有障 碍)

6、 窄角(30度，中间不能有障 碍) 最大功耗最大功耗通信30mA，待机0.3mA数mA 传输方式传输方式点到点，点到多点点到点 连接设备数连接设备数8个2个 安全措施安全措施鉴权：128bit密钥 加密：8128bit密钥 靠短距离、小角度传输保证 安全，无其他安全措施 支持组织支持组织SIGIrDA 主要用途主要用途个人区域网透明可见范围内的数据传输， 近距离遥控 ZigBee技术 IEEE 802.15.4协议 ZigBee技术 Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个 协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线 通信技术。 其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、

7、低数据速率、低成本。 主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以 嵌入各种设备。 简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的 近距离无线组网通讯技术。 ZigBee的起源 工业自动化和家庭智能化对无线数据通信的需 求越来越强烈，而蓝牙技术对于这一领域显然 有一定的局限。 2002年,zigbee Alliance成立。 Zigbee协议在2003年正式问世。 2004年,zigbee V1.0诞生。 2006年,推出zigbee 2006,比较完善。 2007年底,zigbee PRO推出。 ZigBee的技术优势 数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于 低传输应用 功耗低：在

8、低功耗待机模式下，两节普通5号电 池可使用6-24个月 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单， 所以大大降低了成本 网络容量大：网络可容纳65000个设备 ZigBee的技术优势 时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时 延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。 网络的自组织、自愈能力强，通信可靠 数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权 功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法， 是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可 灵活确定其安全属性 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz （欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免 费）的频段 Z

9、igBee的应用 低速无线设备 TV VCR DVD CD 保安保安 HVAC 照明照明 门禁门禁 玩具玩具 游戏器具游戏器具 监视监视 诊断诊断 传感器传感器 监视监视 传感器传感器 自动化自动化 控制控制 工业、农业 和商业 消费电子消费电子 PC 机的机的 外围设备外围设备 玩具和游玩具和游 戏戏 个人 健康监护 家庭家庭 自动化自动化 鼠标鼠标 键盘键盘 操作杆操作杆 ZigBee的应用实例的应用实例 结合ZigBee和GPRS的无线数据传输网络 ZigBee的应用实例的应用实例 基于ZigBee的油田油井遥测遥控无线通信 Wi-Fi技术 WLAN无线局域网 Wi-Fi技术 Wi-Fi

10、实际上为制定802.11无线网络的组织无线网络的组织，并 非代表无线网络。但是后来人们逐渐习惯用用Wi- Fi来称呼来称呼802.11b协议协议。它的最大优点就是传输 速度较高，另外它的有效距离也很长，同时也 与已有的各种802.11 DSSS设备兼容。笔记本电 脑上的迅驰技术就是基于该标准的。 目前无线局域网（WLAN）,主流采用802.11协 议。故常直接称为WIFI网络。 Wi-Fi技术的来源 （Wireless Fidelity）俗称无线宽带 1999年时各个厂商为了统一兼容802.11标准的设 备而结成了一个标准联盟，称为Wi-Fi Alliance， 而Wi-Fi这个名词，也是他们

11、为了能够更广泛的 为人们接受而创造出的一个商标类名词，也有 人把它称作无线保真。 802.11协议发展历程 IEEE推出的第一代WLAN标准 2.4G频段传输速率1M 11b 2.4G频段，传输速率提高 到5.5M和11M 11a 5.8G频段传输速率提高到54M 传输速率提高到54M 2.4G频段 兼容11b 2.4G频段和5.8G频段 传输速率提高到300M 兼容11a/11b/11g 6G以下频段和60G频段 传输速率不小于1Gbit/s 协议正在制定和完善之中 802.11协议比较 标准号IEEE 802.11bIEEE 802.11aIEEE 802.11gIEEE 802.11n

12、标准发布时间1999年年9月月1999年年9月月2003年年6月月2009年年9月月 工作频率范围 2.4 2.4835GHz 5.1505.350GHz 5.4755.725GHz 5.7255.850GHz 2.42.4835GHz 2.42.4835GHz 5.1505.850GHz 非重叠信道数324315 物理速率（Mbps）115454600 实际吞吐量（Mbps）62424100以上以上 频宽20MHz20MHz20MHz20MHz/40MHz 调制方式CCK/DSSSOFDMCCK/DSSS/OFDM MIMO- OFDM/DSSS/CC K 兼容性802.11b802.11a

13、802.11b/g802.11a/b/g/n Wi-Fi技术特点优势 无线电波的覆盖范围相对广 传输速度非常快，符合个人和社会信息化的需 求。 厂商进入该领域的门槛比较低，设备价格低廉。 信号功率小，绿色健康。 工作在2.4GHz的IMS频段，全球统一。 Wi-Fi技术特点弊端 工作在2.4GHz的IMS频 段，容易受干扰 覆盖范围有限 安全性有待提高 缺乏完善的QoS与商业 模式 Wi-Fi技术的应用 手持设备（大部分） PC 小型办公网络 智能家居 物联网 美国密歇根州运输研究所(UMTRI)联合汽车厂家和各种机构，准备推出一个基于专用短 程通讯(DSRC)的云平台，利用Wi-Fi技术连接

14、车载电脑和远程交通安全管理平台，在汽 车有可能发生事故前发出警告信息，提醒司机注意安全驾驶，从而减少交通事故的发生。 NFC技术 Near Field Communication 近距离无线通信 NFC技术 NFC英文全称Near Field Communication，即近 距离无线通信，是一种短距离的高频无线通信 技术，允许在多个电子设备之间实现简单而安 全的双向交互。 NFC技术的基本功能是：允许某种设备（通常 是手机）在限定范围内从另一种设备或NFC标 签中收集数据。 NFC技术的由来 NFC是由Philips公司和Sony公司在2002年共同联合 开发的新一代无线通信技术，并被ECM

15、A和ISO/IEC 接收为标准。2004年，Nokia、Philips、Sony公司成 立NFC论坛，共同制定了行业应用的相关标准，推 广近场通信技术。 NFC技术由非接触式射频识别(RFID)及互联互通技 术整合演变而来,在单一芯片上结合感应式读卡器、 感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容 设备进行识别和数据交换。 NFC技术规格 频段：13.56MHz 通讯距离：约10厘米 标准规格：符合国际标准化组织的ISO18092、 ISO21481 标准，兼容现有非接触智能卡ISO14443标准 传输速度： 106kbps、212kbps、424kbps等三种（被动） 846kbps、16

16、95kbps（主动） NFC技术特点 近距离无线通讯技术（Near Field Communication） 短距离无线通信（使用范围：一般1-4cm，理论最大 10cm） 较低的传输速率（106kbps 414kbps） 非接触式点对点连接（无需发现，无需配对） 多以被动连接方式（反应时间只需0.1s，几乎不消耗 电量） NFC技术优势 与现有非接触智能卡技术兼容，目前已经成为越来越多 主要厂商支持的正式标准； 与其他无线连接方式相比，NFC是一种近距离的私密通 信方式，提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通 信； 相对于RFID来说具有距离近、带宽高、能耗低等特点； 比红外更快、更可靠而

17、且简单得多； 与蓝牙相比，NFC面向近距离交易，适用于交换财务信 息或敏感的个人信息等重要数据。 NFC工作模式 类似类似ICIC卡，保存了卡，保存了IDID 需要刷卡、验票场合需要刷卡、验票场合 通过读卡器供电通过读卡器供电 手机没电不影响手机没电不影响 和蓝牙、红外似和蓝牙、红外似 数据交换、短距离数据交换、短距离 速度快、功耗低速度快、功耗低 不同种类设备间交换不同种类设备间交换 声音、图片、视频声音、图片、视频 一台标准的读卡器一台标准的读卡器 读取其他读取其他NFCNFC标签标签 写入其他写入其他NFCNFC设备设备 工作模式工作模式 卡模式卡模式 点对点点对点 读卡器读卡器 NFC

18、技术应用实例 电子钱包 NFC技术应用实例 广告、信息查询 智能海报智能海报NFC终端终端 WAP/Web URL 内容（audio, video, applet, picture, text) 识读标签内容识读标签内容 浏览促销信息浏览促销信息 试听，购买，下载试听，购买，下载 NFC技术应用实例 游戏共享数据 NFC版版愤怒的小鸟愤怒的小鸟，可通过，可通过NFC技术共享游戏数据技术共享游戏数据 UWB（超宽带）技术 WPAN 无线个人局域网 UWB技术 UWB(Ultra Wideband)超宽带是一种不用载波， 而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信 的技术，也称做脉冲无线电(

19、Impulse Radio)、 时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。 UWB(Ultra Wide-band)是一种无载波通信技术， 利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数 据，通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号， UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbits至 数Gbits的数据传输速率。 UWB技术的发展 UWB（超宽带）概念在1960年就被提出 1973年，第一个UWB系统的专利被授予 从其出现到20世纪90年代之前，UWB技术主要用于军事 上的雷达系统 1993年，R. A. Scholtz在军事通信会议上发表论证IR进 行调时/调位多址技术的

20、论文开辟了将IR（脉冲无线电） 作为无线通信载体的新途径 随着微电子器件的高速发展， UWB技术开始应用于民用 领 域，在国际上掀起了研究和应用的热潮，被认为是下 一代无线通信的革命性技术 UWB技术的特点 抗干扰性能强 UWB采用跳时扩频信号，系统具有 较大的处理增益，在发 射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输 出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能 量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与 IEEE80211a、IEEE80211b和蓝牙相比，在同等码速 条件下，UWB具有更强的抗干扰性。 传输速率高 UWB的数据速率可以达到几十Mbits到几百Mbits，有望

21、 高于蓝牙100倍，也可以高于IEEE80211a和 IEEE80211b。 UWB技术的特点 带宽极宽 UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz。超宽带系统 容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互 不干扰。这在频率资源日益紧张的今天，开辟了一种新 的时域无线电资源。 消耗电能小 通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因 此要消耗一定电能。而UWB不使用载波，只是发出瞬间 脉冲电波，也就是直接按0和1发送出去，并且在需要时 才发送脉冲电波，所以消耗电能小。 UWB技术的特点 保密性好 一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才 能解出发射数据； 另一方面是

22、系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无 法接收。 发送功率非常小 UWB系统发射功率非常小，通信设备可以用小于1mW的发 射功率就能实现通信。低发射功率大大延长系统电源工 作时间。而且，发射功率小，其电磁波辐射对人体的影 响也会很小。 UWB技术的特点 定位精确 冲激脉冲具有很高的定位精确，采用超宽带无线电通信，很容易 将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无 线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而 GPS 定位系统只能工作在GPS 定位卫星的可视范围之内； 与 GPS 提供绝对地理位置不同，超短脉冲定位器可以给出相对位 置，其定位精度可达厘米级， 此外，超宽

23、带无线电定位器更 为便宜。 工程简单造价便宜 在工程实现上，UWB比其它无线技术要简单得多，可以全数字 化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲产生调 制，而这些电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本将很 低。 UWB技术的应用 军事方面 UWB 雷达 UWB L PI/ D 无线内通系统(预警机、舰船等) 战术手持和网络的PL I/ D 电台 警戒雷达 UAV/UGV 数据链 探测地雷 检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体 UWB技术的应用 民用方面 地质勘探及可穿透障碍物的传感器(imaging system) 汽车防冲撞传感器等(vehicle radar system)

24、家电设备及便携设备之间的无线数据通信 ( communication and measurementssystem) 家庭数字娱乐中心 UWB技术的应用 无线通信系统方面 LAN和PAN 短距离无线（WSN） 规范规范ZigbeeZigbee红外红外蓝牙蓝牙802.11802.11系列系列 工作频率工作频率868/915/2.4G820nm2.4G2.4G/5.2G 传输速率传输速率Mb/sMb/s0.251.521/4/161/2/311/54 数据数据/ /话音话音数据数据语音/数据数据 最大功耗最大功耗mWmW13数个1100100 传输方式传输方式点到多点点到点点到多点点到多点 连接设

25、备数连接设备数21626427255 安全措施安全措施32/64/128位 密钥 靠短距离、 小角度传输 保证 1600次/s调 频、 128位密钥 Wep加密 支持组织支持组织Zigbee联盟IrDABluetoothIEEE 802.11 主要用途主要用途控制网络 家庭网络 传感器网络 透明可见范 围、近距离 遥控 个人网络无线局域网 几种短距离无线通信组网技术的比较几种短距离无线通信组网技术的比较 无线自组织网络 Ad Hoc Network 无线自组织（Ad Hoc）网络 可看做是一组带有无线收发装置的移动终端所 组成的一个临时性多跳自治系统 又称无线对等网，是临时的、无中心的网络，

26、网络中也不需要任何基础设施。 移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构 成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作， 也可以与Internet或蜂窝无线网络连接 又称多跳无线网（Multi-hop Wireless Network） Ad Hoc 网络的背景 Ad Hoc网络源于军事通信的需要，其前身是分 组无线网(Packet Radio Network) 1972年美国国防部高级研究计划署（DARPA） 启动分组无线网项目，主要研究分组无线网的 应用 1993年，DAPRA启动可存活性自适应网络项目 20世纪90年代开始，Ad Hoc网络的研究得到长 足进展 Ad Hoc 网络的研究成果 新的

27、路由协议：新的路由协议：主要以广播或组播方式建立网 络路由，基本原则是尽量避免广播风暴。例如 自组织按需距离向量协议AODV、目标序列距 离向量协议DSDV、区域路由协议ZRP等路由协 议。 介质访问控制介质访问控制(MAC)协议：协议：主要解决隐藏和暴 露节点问题，包括RTS/CTS方案、控制信道和 数据信道分裂的双信道方案、基于定向天线的 MAC协议等。 Ad Hoc 网络的研究成果 Ad Hoc网络与蜂窝网络相结合，拓展其应用范 围，提高系统吞吐量； 其他相关技术，多播或组播协议、地址分配、 TCP协议、节能控制、安全性、分布式算法、 QoS等； 用蓝牙节点组建用蓝牙节点组建Ad Hoc

28、网络网络：应用蓝牙技术可 组成微微网（Piconet），再通过桥（Bridge）节 点互联，即可形成多跳Ad Hoc网络，可称为蓝 牙散射网（Scatternet）。 Ad Hoc 网络的特点 动态变化的网络拓扑 结构 无中心网络的自主性 多跳组网方式 有限的无线传输带宽 移动终端的自主性和 局限性 分布式控制网络 安全性差的网络 网络的可扩展性不强 存在单向的无线信道 生存时间短 Ad Hoc 网络的特点 自组织功能 Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-FiWi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Ad Hoc 网络的特点 动态变化的网络拓扑

29、Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-FiWi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Ad Hoc 网络的特点 自动最佳路由选择 最佳路由最佳路由 备选替换路由备选替换路由 有线回传有线回传 Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Ad Hoc 网络的特点 无缝漫游 最佳路由最佳路由 备选替换路由备选替换路由 有线回传有线回传 Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi W

30、i-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Ad Hoc 网络的特点 方便扩展 Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-FiWi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-FiWi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi Ad Hoc 网络的分类 节点是否移动： a、无线传感器网络：各个无线节点静态地随机分 布在某一区域； b、移动Ad Hoc 网络：各个无线节点都可以自由 移动。很多时候，常把无线Ad Hoc 网络等同于 移动Ad Hoc 网络。 网络协议分层模

31、型 应用层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 网络层 数据链路层 物理层 表示层 会话层 传输层 Ad hoc协议层次ISO/OSI层次结构 应用服务 传输服务 分组转发和路由 链路控制/ 信道接入 无线信道 网络协议分层模型 ad hoc物理层 是一组低功率、高能力、能在运动中工作的物 理传输设备，提供无线传输能力、完成无线信号 编码译码、发送和接收等工作，以支持移动组网。 根据实际应用需要设计ad hoc物理层。首先是 通信频段的选择，目前通常采用2.4GHz的ISM免 许可的频段。其次，物理层必须选择相应的无线 通信机制，以实现良好的收、发信功能。物理层 设备可使用多频段、多模

32、式的无线传输方式。 研究重点是软件无线电和超宽带无线电技术。 网络协议分层模型 ad hoc数据链路层 数据链路层控制对共享无线信道的访问以及对逻辑链路 的控制，提供可靠的无线通信的逻辑链路层，以支持有效的 介质访问。 数据链路层，分为MAC子层和LLC子层。MAC子层决 定了链路层的绝大部分功能。多跳无线网络基于共享访问传 输介质，需要MAC层利用CSMA/CA和RTS/CTS机制解决隐 藏节点和暴露节点问题。LLC子层负责向网络提供统一服务， 以屏蔽底层不同的MAC方法。 主要研究方向是把多址协议与CDMA相结合。 网络协议分层模型 ad hoc网络层 网络层是ad hoc的重点，也是它与

33、其他现有网络的 主要区别所在，支持网络工作的传输协议、移动组网 算法和动态路由协议。主要进行邻居发现、分组路由、 拥塞控制、网络互联等。 一个好的网络层路由协议应该满足以下要求：分布 式运行方式；提供无环回路由；按需进行协议操作； 可靠的安全性；提供休眠操作和单向链路的支持。 主要任务是研究ad hoc网络的路由协议选择。 ad hoc的路由协议 ad hoc的路由协议通常分为两大类：表驱动路由协议、 按需路由协议。 表驱动路由协议表驱动路由协议又称先验式，每个节点维护一张包含 到达其它节点路由信息的路由表。 代表性的有：无线路由协议WRP、目标序列距离向量 协议DSDV、鱼眼域状态路由协议F

34、SR、优化链路状 态路由协议OLSR等。 ad hoc的路由协议 按需路由协议按需路由协议也称反应式，需发送数据时才查找路 由。节点平时不维护路由信息，只有需向目标发送报 文时，源节点才会在网络中发起路由查找，找到相应 路由。 常用的按需路由协议有：自组织按需距离向量协议 AODV、时间序列路由协议TORA、动态源路由协议 DSRP、信号稳定路由协议SSR等。 按需路由较表驱动路由的开销小，但传输延迟大 网络协议分层模型 ad hoc传输层 传输层，主要完成端到端通信的建立，目前一 般是对有线网中的TCP/UDP进行改造，使之适应 无线环境。 传输层，为应用层提供可靠的端到端服务，隔 离上层与通信子网，并根据网络层特性来高效利 用网络资源，包括寻址、复用、流控、按序交付、 重传控制、拥塞控制等。 主要需要解决的问题是链路的不稳