第4章无线个域网

1、第4章 无线个域网内容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15标准4.3 蓝牙技术4.4 ZigBee技术4.1 概述n 手机、PC机、汽车、音响、电视、微波炉、电冰箱等消费类产品非常普及，人们希望有一种短距离、低成本、小功耗的无线通信方式，实现不同功能单一设备的互联，提供小范围内设备的自组网机制，并通过一定的安全接口完成自组小网与广域大网的互通。 n 无线个人区域网(Wireless Personal Area Network，WPAN，简称无线个域网)技术就是一种满足上述应用需求的小范围无线连接、微小网自主组网的通信技术。 无线个域网技术 n蓝牙(Blue Tooth) n红外线通信（

2、IrDA） n家庭射频（HomeRF） n超宽带（UWB） nZigbee n近场通信（NFC）蓝牙技术n蓝牙技术是一种支持点到点、点到多点语音和数据业务的短距离无线通信技术。极大地推动了WPAN的发展。n蓝牙最基本的网络结构是微微网（Piconet），由主设备单元和从设备单元组成。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，在一个微微网中，所有设备均采用同一跳频序列。一个微微网中从设备单元最多可有7个。IrDA技术nIrDA技术是目前几种技术中市场份额最大的，已安装了至少5000万个单元。采用红外线作为通信媒介，支持各种速率的点到点的语音和数据业务，主要应用在嵌入式的系统和设备中。HomeRF

3、nHomeRF由HomeRF任务组开发，是在家庭区域内在PC和用户电子设备文章实现无线数字通信的开放式工业标准。工作在2.4GHz频段，支持语音和数据，有效范围50m，传输速率为1M或2Mb/s。UWBnUWB是一种新技术，其概念类似于雷达，在很宽的频段内传送短脉冲，将信息调制到脉冲的时间和频率上。其高性能和低功耗的优点使得它将成为未来市场上强有力的竞争者之一。无线USB（WUSB）就使用了UWB无线通信技术，使物理层数据速率达到了480Mb/s，而且功能低，范围可达10m。ZigBeenZigBee是一种新兴的短距离、低功率无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案。n它有

4、自己的无线通信标准，在数千个微波的传感器之间相互协调实现通信。n低功耗、接力传输，通信效率高。近场通信（NFC）n 近场通信（NFC）是一个超短距离的无线通信技术，它是用磁场感应使得两个设备物理接触的，在几厘米范围内的设备通信。是一项实现消费电子设备之间互联的技术而出现，从无连接识别技术（如RFID）和网络技术融合发展而来，目标是通过自动连接和配置实现简单的点到点连接。n NFC与标准RF无线通信的本质区别在于：RF信号是在收发设备之间传送，标准的RF通信，如Wi-Fi，被称为“远场”通信，因为通论距离与它的天线尺寸关系较大；近场通信是两个设备文章的直接磁场或者电场的耦合来实现的，而不是通过无

5、线电波在自由空间的传播。内容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15标准4.3 蓝牙技术4.4 ZigBee技术4.2 IEEE802.15标准 IEEE 802.15工作组是IEEE针对无线个人区域网(WPAN)而成立的，开发有关短距离范围的WPAN标准。 4.2.1 标准构成n 802.15.1是以既有蓝牙标准为基础，制定蓝牙无线通信规范的一个正式标准。n 802.15.2工作组目的是要802.11和802.15开发共存的推荐规范。n 802.15.3工作组的兴趣在开发对比于802.11设备是低成本和低功耗的设备的标准上。该工作组关注于高数据率的WPAN的开发。应用实例见教材。n 80

6、2.15.3a的目标是要在使用同样的MAC层上提供比802.15.3更高的数据率。110Mb/s或更高。n 802.15.4工作组则开发了一个非常低成本、非常低功耗的比802.15.1数据率要低的设备标准。研究可维持多个月到多年的电池寿命且复杂性很低的低数据率的解决方案。 IEEE802.15协议体系结构 WLAN与WPAN 内容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15标准4.3 蓝牙技术4.4 ZigBee技术n IEEE802.15.1的基础，源于1994年爱立信公司的一项研究，旨在在移动电话及其附件之间探求一种新的低功耗、低成本的空中接口。n 1998年5月，4家公司联合成立蓝牙特殊

7、利益集团(SIG) n 1999年7月SIG公布蓝牙规范1.0版 n 1999年12月公布蓝牙规范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 短距离无线蓝牙技术已经嵌入到了许多消费装置中，从笔记本电脑、手机到汽车都可以看到蓝牙的踪影。很多操作系统都增加了对蓝牙的支持。蓝牙进入企业的首要渠道来自手机、笔记本电脑和PAD。4.3.1 蓝牙技术的诞生与发展蓝牙技术优点 (1)可以随时随地用无线接口代替有线电缆连接；(2)具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，如WAP、GSM(全球移动通信系统)、DECT(欧规数字无绳通信)等，引入

8、身份识别后可以灵活地实现漫游；(3)低功耗，对人体伤害小；(4)蓝牙集成电路简单，成本低廉，实现容易，易于推广。 蓝牙技术工作在2.4GHz，能达到1Mb/s的数据速率。理论上可在30m范围内提供2Mb/s的数据速率，实际上达不到。蓝牙支持点对点和点对多点的通信。蓝牙最基本的网络结构是Picnet，也叫微微网。是一种个人网络，不能代替LAN，只是用来简化或代替人个区域中的电缆连接。匹克网由主设备和从设备构成。4.3.3 蓝牙标准文档构成n 核心规范(core specifications):描述了从无线电接口到链路控制的不同层次蓝牙协议体系结构的细节。n 概要规范(profile specif

9、ications):考虑使用蓝牙技术支持不同的应用。每个概要规范讨论在核心规范中定义的技术，以实现特定的应用模型(Usage Model)。 4.3.4 蓝牙协议体系结构核心协议(core protocol)形成五层栈(1)无线电(radio)：确定包括频率、跳频的使用、调制模式和传输功率在内的空中接口细节。(2)基带(baseband)：考虑一个微微网中的连接建立、寻址、分组格式、计时和功率控制。(3)链路管理器协议(link manager protocol，LMP)：负责在蓝牙设备和正在运行的链路管理之间建立链路。包括诸如认证、加密及基带分组大小的控制和协商等安全因素。(4)逻辑链路控制

10、和自适应协议(logical link control and adaptation protocol，L2CAP)：使高层协议适应基带层。L2CAP提供无连接和面向连接服务。(5)服务发现协议(service discovery protocol，SDP)：询问设备信息、服务与服务特征，使得在两个或多个蓝牙设备间建立连接成为可能。4.3.5 应用模型 大量应用模型定义在蓝牙的概要规范文档中。本质上，一个应用模型是一套实施特定的基于蓝牙的应用的协议。每个概要文件定义了支持一特定应用模型的协议和协议特性。（）文件传递支持目录、文件、文档、图像和流媒体格式的传递。也包括了在远程设备中浏览文件夹的功

11、能。（2） 桥接Interent，一台PC可以无线连接到一部移动电话或无绳Modem上，提供拨号连网和传真的功能。（3）Lan接入，使得一个微微网上的设备可以接入LAN。（4）同步，为诸如电话簿等信息提供了设备与设备之间的同步。（5）三合一电话，实现此应用模型的电话手机可以作为一台连接到话音基站的无强电话、作为一部与其他电话相连的内部通信设备和作为一部监察电话。（6）头戴式设备，耳机作为一个远程设备的音频输入和输出接口。文件传输文件传输应用OBEXRFCOMML2CAPSDP拨号联网M odem传真或驱动器应用A T 命令RFCOM ML2CA PSDPPPPLAN接入LAN接入应用例如IPR

12、FCOMML2CAPSDPPPP同步同步应用IrMCRFCOMML2CAPSDPOBEX无绳电话或内部通信无绳电话或基站应用TCS BIN音频L2CAPSDP耳机HS网关或基站应用AT命令RFCOMML2CAPSDP音频4.3.6 蓝牙应用n 蓝牙为3个使用短距离无线连接的通用应用领域提供支持：n （1）数据和语音接入点n （2）电缆替代n （3）自组网络n 应用实例：n 手机与计算机相连n 作无绳电话使用n 数据共享，办公更方便n 无线免提n Internet接入n 同步资料n 影像传递n 键盘、鼠标、家庭网络、高速无线内部网络、电子名牌等。4.3.7 微微网和散布式网络(网络模式) n 蓝

13、牙中的基本联网单元是一个微微网，它由一台主设备和17台活跃的从设备组成。 n 一个微微网中的设备也可作为另一个微微网的一部分存在，并在每个微微网中，起从设备或主设备功能,这种形式的重叠被称为散布式网络(scatternet)。 n 微微网/散布式网络模式的优点在于：它允许大量设备共享相同的物理区域，并有效地利用带宽。散布式网络共享物理区域和总带宽，微微网共享逻辑信道和数据传递。主/从关系 无线网络的配置 4.3.8 蓝牙规范的五层核心协议 1.蓝牙无线电规范2.蓝牙基带规范3.蓝牙链路管理器规范4.蓝牙逻辑链路控制和自适应协议5.蓝牙服务发现协议1.蓝牙无线电规范拓 扑一个逻辑的星形结构中，高

14、达7条并行链路调制GFSK数据速率的峰值/Mb/s1RF带宽220kHz(-3dB)，1MHz(-20dB)RF波段2.4GHz,ISM波段RF载波23/79载波的间隔/MHzl传输功率/W0.1微微网的接入FH-TDD-TDMA频跳率/跳/s1600分布式网络的接入FH-CDMA国际上蓝牙的频率分配 区 域调节范围/GHzRF信道美国、欧洲的大部分国家和其他国家中的大部分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法国2.44652.4835f=2.454+nMH

15、z,n0,22 蓝牙利用波段中的2.4GHz波段。在大多数国家，此带宽足以定义79个1MHz的物理信道 2. 蓝牙基带规范n基带规范是最为复杂的蓝牙文档之一，在此只简要介绍一些关键成分。n蓝牙基带层在物理层之上，管理物理信道和链路，包括蓝牙设备的发现、链路连接与管理及功率控制。n微微网中，用时分利用方式来划分设备的接入信道。主从设备之间可以建立两种基本的物理链路类型，即面向连接（SCO）和异步无连接（ACL），SCO主要用来传递语音数据，ACL连接主设备和所有的从设备。 3.蓝牙链路管理器规范n 链路管理协议(LMP)管理主站与从站间的无线电链路的各个方面。n 协议涉及主站和从站的LMP实体间

16、表现为LMP PDU(protocol data unit，协议数据单元)形式的报文的交换。报文总是作为单个分组发送，该分组带有一位标识报文类型的负载首部，和一个包含与此报文相关的附加信息的负荷实体。 n 为LMP定义的过程被分为24个功能区，其中每个都涉及一个或多个报文的交换。 4.蓝牙逻辑链路控制和自适应协议n 与IEEE 802规范中的逻辑链路控制(LLC)相同，L2CAP(logical link control and adaptation protocol，逻辑链路控制和自适应协议)在共享媒介网络的实体间提供一个链路层协议。n L2CAP为流和差错控制提供大量服务，它依赖于更低层(

17、基带层)。 n L2CAP使用ACL链路，它不支持SCO链路。 5.蓝牙服务发现协议n 在蓝牙规范提出之前，服务发现协议已经存在。n 在蓝牙设备的无线网络中，本地设备发现、利用远端设备所提供的服务和功能，并向其它蓝牙设备提供自身的服务，这是网络资源共享的途径，也是服务发现协议要解决的问题。n 服务发现协议提供了服务注册的方法和访问服务发现数据库的途径。n SIG针对蓝牙网络灵活、动态的特点，开发了蓝牙专用的服务发现协议。 内容提要4.1 概述4.2 IEEE802.15标准4.3 蓝牙技术4.4 ZigBee技术4.4 ZigBee技术n 2000年12月，IEEE成立了802.15.4工作组

18、,致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。n ZigBee是这种技术的商业化命名，名称来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过ZigBee形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息n 在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责指定物理层和MAC层的协议，ZigBee联盟负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。4.4 ZigBee技术4.4.1 ZigBee的特点4.4.2 ZigBee标准体系4.4.3 ZigBee网络的结构4.4.4 ZigBee协议架构4.4.5 ZigBee网络节点类型4.4.6 ZigBee技术应用4.4.1 ZigBee的特点（1）极低的系统功耗（2）较低的系统成本（3）安全的数据传输（4）灵活的工作频段（5）灵活的网络结构（6）超大的网络容量4.4.2 ZigBee标准体系4.4.3 ZigBee网络的结构ZigBee CoordinatorZigBee RouterZigBee End DeviceMesh网Cluster Tree串Star星ZigBee CoordinatorZigBee RouterZigBee End DeviceMesh网Cluster Tree串Star星Star星4.4.4 ZigB