第1112讲无线个域网的实现

引入问题：个人设备无线组网时，都涉及哪些无线技术？传输速率、距离、应用领域……WPAN

这些个域网技术都有哪些差异，根据这些差异可以分为哪几类？

蓝牙，无线USB，Zigbee,近场通信……第10章WPAN标准10.1前言10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.3无线USB10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.5IrDA10.6近场通信无线个域网(WirelessPersonalAreaNetwork,WPAN)是为人们在个人工作空间实现设备之间无线互联的技术，通常在1～10m距离内。无线个域网的目标：实现这种互联，并且提供更灵活、更具移动性及更自由的连接以摆脱电缆的束缚。WPAN标准由IEEE802.15工作组（1999年成立）开发。标准描述应用IEEE802.15.1最初的2.4GHzFHSS规范。2002年发布蓝牙IEEE802.15.2推荐的实践可使IEEE802.15WPAN和IEEE802.11WLAN共存。2003年发布IEEE802.15.3a高速率的WPAN，物理层使用DS-UWB和正在讨论中的OFDM技术，草案于2003年发布。被MBOA和无线USB超过。工作组在2006年1月解散IEEE802.15.4低速率WPAN。DSSS

2.4GHz，915和868MHz。2003年发布ZigBeeIEEE802.15.4a该工作组主要是来发展可选择的物理层技术，有两种正在考虑中的可选物理层规范，UWB脉冲无线电和工作于2.4GHzISM波段的扫频扩频IEEE802.15WPAN标准和任务组

第10章WPAN标准10.1前言10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.3无线USB10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.5IrDA10.6近场通信10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层10.2.5高层协议10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望10.2.1起源及其主要特征蓝牙的起源1994年，爱立信公司开始进行移动电话及其附件间无线连接的研究。1998年，由爱立信、IBM、诺基亚和东芝等公司成立蓝牙特殊利益集团(SpecialInterestGroup,SIG)后，无线连接的概念开始从移动电话，扩展到PC和其他设备的连接。1999年，IEEE802.15工作组成立用于开发WPAN标准，蓝牙SIG成为唯一响应802.15的组织，蓝牙和IEEE802.15.1不久后成了同一个概念。蓝牙的主要特征：蓝牙1.1版本是PAN标准：它工作于2.4GHzISM频段物理层数据速率达到1Mbps具有有效的非对称的721/56kbps的传输速率或432kbps的全双工通信。2004年11月份发布了蓝牙2.0版本：该版本引入了增强数据速率(EDR)，使得物理层数据速率达到1、2或3Mbps。10.2.1起源及其主要特征蓝牙的主要特征：在一个微微网（pic网）中，蓝牙PAN最多可支持8个蓝牙设备，其中一个作为主设备，其他七个设备作为从设备。一个蓝牙设备既可以成为一个微微网中的主设备又可以成为另一个主设备的从设备，因此微微网可以通过共享公共的设备链接形成分散式网络。每个设备管理微微网的720kbps容量；一个分散式网络因为由多个主控设备控制可以达到更高的分布式数据容量。10.2.1起源及其主要特征蓝牙系统中的皮可网和扩散网MMSSPSSSSSP皮可网2扩散网皮可网1M——主设备S——从设备P——搁置的设备应用模型描述PAN在ad-hoc微微网中启用一般的IP网络（包括安全）。同步模型在设备之间启用个人信息的交换，如日历表和地址簿数据。基本打印模型启用从设备到打印机之间的简单打印：启用蓝牙的打印机能够解码数据并发送至产生打印要求格式，因此发送设备不需要打印驱动。文件传输模型启用一个设备执行另一个设备的文件系统的文件管理操作，包括传输、创建、删除文件或文件夹。主要蓝牙框架

应用模型描述耳机模型启用音频数据在设备之间的传输，如PDA或移动电话与无线耳机之间。拨号网络模型启用PDA或其他设备与网络之间的拨号网络链接。LAN接入模型启用设备接入网络资源的能力，如通过点对点协议(PPP)连接LAN中的另一个设备的存储器或打印机。主要蓝牙框架（续）

10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层10.2.5高层协议10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望10.2.2协议栈应用蓝牙主机协议栈（软件）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）主机控制器接口（HCI）主机控制器接口固件（HCI）链路管理协议（LMP）基带/链路控制（LC）蓝牙无线电（PHY）音频蓝牙主机控制器（固件和硬件）10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层(自学)10.2.5高层协议（自学）10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望10.2.3蓝牙无线通信在物理层：802.15.1中规定了每秒跳1600次的跳频扩频系统，在2.40～2.48GHzISM频段之间有79个信道。跳频模式由主设备的48比特MAC地址控制。在一些国家，为了遵守本国的使用规定，跳频模式减少到只覆盖23个信道。级别最大RF功率范围（m）1100mW(20dBm)0～10022.5mW(4dBm)0～1031.0mW(0dBm)0.1～1

蓝牙RF发射功率级别

对于第1级设备：必须强制性的要求其具有功率控制能力（第2，3级功率控制则是可选的）为了降低干扰，要求发射设备具有动态调整发射功率的能力。有助于降低功耗，增加便携设备的电池寿命。功率控制：是通过接收信号强度指示器(RSSI)实现。RSSI判别接收信号是否在定义的“黄金接收功率范围”内，该范围一般是6～20dB，高于接收机的灵敏度基准。如果接收功率在这个范围以外，接收机发送链路管理协议(LMP)指令给发射机，使其调整发射功率。10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层（自学）10.2.5高层协议（自学）10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望10.2.4基带层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；功率控制。蓝牙基带定义了13种分组类型：其中4种：专门用做传输高质量的语音和语音+数据。每个分组包括：一个68～72比特的接入码：接入码用在蓝牙设备发现期间以及接入到微微网时。一个54比特的分组头：分组头携带了从设备的地址以及分组的确认、编号和检错等信息。最高2745比特的有效载荷。10.2.4基带层通过查询程序和寻呼程序，基带控制设备发现过程。查询程序：能使得蓝牙设备发现一定范围内的其他设备，并判断它们的地址和时钟偏移量；寻呼程序：使得主从设备之间建立连接，并将从设备的时钟与主设备同步。一旦建立连接，蓝牙设备将处于以下四种状态中的一种（表10.4给出了简要描述）：激活呼吸保持及休眠（为了降低功耗）。状态描述激活激活状态的设备参与信道通信。激活状态的主设备：规划传输过程，包括规律性发送指令使从设备保持同步。激活的从设备：在ACL时隙内监听数据包。激活的从设备如果未被寻址到，则休眠直到下一次ACL传输呼吸设备在呼吸状态时，以一种降低的速率监听传输以节省能量。这个非激活状态的时间长短是可编程控制的，同时信赖特定的设备类型及应用表10.4蓝牙连接状态状态描述保持在从设备的请求下或主设备的指示下，数据传输可以进入保持的节能状态。在保持状态，从设备只有内部定时器仍旧工作。当从设备重新进入到激活状态时，数据传输将会很快恢复休眠设备处于休眠状态时仍然保持同步，但并不参与微微网通信。进入该状态后从设备放弃3比特的活动成员设备地址。休眠的设备：周期性地醒来监听传输信道，以便进行重同步和检测其他的广播信息表10.4蓝牙连接状态10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层（自学）10.2.5高层协议（自学）10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望10.2.5高层协议10.2.5.1链路管理器协议10.2.5.2主机控制接口10.2.5.3逻辑链路控制与适配协议(L2CAP)10.2.5.4RFCOMM10.2.5.5SDP10.2.5.1链路管理器协议链路管理器协议(LMP)：用来建立和管理基带连接，包括：链路配置；认证；功率管理功能。这些功能：通过两个已配对设备的链路管理器之间交换协议数据单元(PDU)来实现。协议数据单元包括：配对控制、认证、初始化呼吸、保持和休眠模式、功率增加或降低请求，首选的分组编码的选择以及优化的数据吞吐量的大小。10.2.5.2主机控制接口主机控制接口(HostControllerInterface,HCI):为链路管理器和基带层提供了统一的命令接口，允许在两个硬件之间划分协议栈:例如:一个处理器主机高层软件和一个蓝牙模块。主设备:执行高层协议软件的功能；蓝牙模块:主要是完成LMP、基带层及物理层的功能。这两部分通过主机控制器传输层连接，可以是UART、RS232或USB接口。10.2.5.3逻辑链路控制与适配协议逻辑链路控制与适配协议(L2CAP):能够产生高层协议与基带协议之间的逻辑连接;它给信道的每个端点分配信道标识符(ChannelIdentifier,CID)。L2CAP也为高层协议管理数据的分段与重组，高层协议数据包要大于341字节的基带最大传输单元(MTU)。连接建立的过程包括:设备之间期望的QoS信息交换。L2CAP监控资源的使用来确保达到QoS要求。10.2.5.4RFCOMM蓝牙RFCOMM协议:基于ETSITS07.10标准的子集，在L2CAP协议层之上为电缆替代应用提供串口仿真。RFCOMM将串行的比特流组装成字节和数据分组，提供可靠的排序的串行比特流传输;使用请求发送/清除发送(RTS/CTS)和数据终端准备就绪/数据设置准备就绪(DataTerminalReady/DataSetReady,DTR/DSR)控制信号。10.2.5.4RFCOMM应用到RFCOMM中的ETSI的标准的一个修改:是基于信誉的流量控制机制。该机制：限制帧的传输速率来保证接收设备的输入缓冲区不会溢出。如果一个连接的信誉计数到0，RFCOMM将停止并等待直到它从接收设备中得到更多的信誉量，表明输入缓冲区能够接收数据。10.2.5.5SDP服务发现协议(SDP，ServiceDiscoveryProtocol)：在微微网中用来发现蓝牙设备中的可用服务，并确定这些可用服务的属性。服务发现：可以通过请求/响应模式来完成。一个应用在特定的L2CAP连接上，针对可用的服务发出协议数据单元请求信息；然后等待目标设备的响应。服务发现：可以针对特定要求的服务通过搜索、请求信息来实现；也可以针对所有的可用服务中通过浏览、请求信息来实现。10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层10.2.5高层协议10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望10.2.6蓝牙的实际应用移动电话和免提耳机之间的无线控制和通信。电脑与输入输出设备间的无线连接，常见的有鼠标、键盘、打印机。移动电话与兼容蓝牙的汽车音响系统之间的无线控制和通信。在可进行对象交换的设备之间传输文件、详细通讯录信息、日历安排、备忘录等。健康传感器数据从医疗设备向移动电话、机顶盒或特定的远距离卫生设备进行短距离传输。智能手机上防止物品丢失或遭窃的个人保安应用。10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2协议栈10.2.3蓝牙无线通信10.2.4基带层10.2.5高层协议10.2.6蓝牙的实际应用10.2.7蓝牙的发展现状和展望10.2.7蓝牙的发展现状和展望蓝牙3.0+HS版本：是蓝牙技术联盟2009年4月21日推出的。蓝牙3.0+HS的传输速率理论上可高达24Mbit/s。蓝牙用于协商和建立链接，高速的数据传输并非是通过蓝牙链接本身实现，而是由相同位置的802.11链接完成的。10.2.7蓝牙的发展现状和展望蓝牙4.0(2010年):包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。蓝牙4.0的改进之处主要体现在：电池续航时间和节能：使用标准纽扣电池可运行一年乃至数年有效传输距离：最大范围可超过100米。健壮性：所有数据包都使用24-bitCRC校验，确保最大程度抵御干扰。安全：使用AES-128CCM加密算法进行数据包加密和认证。延迟：最短可在3毫秒内完成连接设置并开始传输数据。10.2.7蓝牙的发展现状和展望蓝牙4.2发布于2014年12月2日：实现物联网：将IPv6协议引入蓝牙标准，蓝牙4.2设备可以直接通过IPv6和6LoWPAN接入互联网，且支持低功耗IP连接。安全性更高：如果没有得到用户许可，蓝牙信号将无法尝试连接和追踪用户设备，并且无法进行智能定位。速度更快：吞吐量速度（提升2.5倍）和封包容量提升（10倍）。蓝牙应用：微信摇一摇·周边“摇一摇·周边”：是微信提供的一种新的基于位置的连接方式。用户通过“摇一摇”的“周边”页卡，可以与线下商户进行互动，获得商户提供的个性化的服务。商户申请该功能后，需要在门店自主铺设支持iBeacon协议的蓝牙硬件，并在商户后台设置硬件和对应服务的关联。已经通过“微信认证”的服务号或者订阅号；已经开通“门店管理”，并且已开通至少一家门店。蓝牙应用：微信摇一摇·周边iBeacon是物联网中的诸多传感器之一，它是苹果公司结合蓝牙超低功耗无线技术（BluetoothLowEnergy，BLE，即蓝牙4.0）所开发的一套开放性协议。2013年起，绝大部分智能机开始搭载支持BLE的蓝牙模块。基本原理：当建立起一个iBean基站后，iBeacon通过BLE技术发射广播信号，在iBeacon基站附近可以创建一个信号区域。当接收设备（智能手机、平板电脑等移动终端）进入该区域时，通过能够安置在任何物体中的iBeacon低功耗蓝牙基站，用户便能使用具有iBeacon功能的移动设备与应用方进行互动。蓝牙应用：微信摇一摇·周边基于iBeacon可以实现的功能有：基于用户当前所在位置的优惠或信息推送。精度能达到0.5m；室内定位和引导。比GPS更精准，且可以应用在室内等GPS无法发挥作用的场馆；智能互动。提升和用户的互动体验；精准营销大数据分析。第10章WPAN标准10.1前言10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.3无线USB10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.5IrDA10.6近场通信10.3无线USB10.3.1起源和主要特征10.3.2协议栈10.3.3WUSB无线技术10.3.4媒体接入控制层10.3.5无线USB信道10.3.6无线USB的应用10.3.7现状和未来发展10.3.1起源和主要特征无线USB的起源：无线USB是USB实现者论坛推动的结果，为了促进无线USB的发展，无线USB推广组于2004年2月成立。目的是将已经很成功的有线USB接口推进到无线领域。无线USB设计的核心：保持与有线USB之间强大的连接功能。无线USB设计的目标是：将USB的简单易用、兼容性好以及低成本的原理应用到高速的无线技术。使得无线USB(WirelessUSB,WUSB)能在WPAN中处于领先地位。设计目标描述保持USB软件架构无线USB设计成与有线USB使用相同的软件接口和设备驱动程序。保持智能主机简单设备模式与USB设备一样，无线USB保持设备简单性，将网络复杂性管理交给主机来处理。启用电源有效性许多设备是通过有线的USB连接来获得电源的，在无线USB情况下将变成电池供电；要求具有有效电源管理机制。提供与有线USB相同的安全性设备认证和数据加密的目的：是提供与有线USB同样等级的安全性。简单易用即插即用：是使用者对USB设备的期望，而无线USB的设计中继承了这个传统。保留USB兼容性无线USB定义了一种特定的设备类别（有线适配器）：允许有线USB设备或主机支持无线USB设备。无线USB设计目标无线USB的特征：WUSB（无线USB）规范的1.0版本在2005年5月发行：使用超宽带(UWB)无线通信技术，使物理层数据速率达到了480Mbps（3m内）；3-10米内110Mb/s；功耗低；传输范围可达10m。无线UWB的应用：向多媒体消费者电子设备传输较好的视频数据；提供与PC外围设备和其他移动设备之间的高速连接。无线USB的特征：

WUSB设备：通过基于媒体接入协议的主机安排TDMA方式共享带宽。使用集线器和星形拓扑结构，每个主机支持最多127个设备；与有线USB一样，需要设计出系统软件来处理任何时候设备与主机之间的连接或断开。“双重”身份的设备：同样能够被定义启用点对点的连接。无线USB的一个设计目标：保持有线USB“即插即用”的快捷方便的功能。无线概念中的“开机即用”。要求无线USB设备在第一次使用时，能够自动地安装驱动和安全特性，同时能够以最小的用户输入认证来识别并和其他设备连接。无线USB的功能：使用星形拓扑结构能让一个主机可以控制多达127个终端设备；允许具有双重角色设备(DualRoleDevice,DRD)的功能，即同时具有主机和设备的功能。10.3无线USB10.3.1起源和主要特征10.3.2协议栈（了解）10.3.3WUSB无线技术10.3.4媒体接入控制层（自学）10.3.5无线USB信道（自学）10.3.6无线USB的应用10.3.7现状和未来发展10.3.2协议栈无线USB协议栈

介质访问控制器（UWBMAC）无线USB驱动主机控制器接口IP网络无线1394其他在USB无线电上运行的技术汇聚层应用超宽带无线电（UWBPHY）UWB无线电平台介质访问控制器（UWBMAC）无线USB驱动主机控制器接口IP网络无线1394其他在USB无线电上运行的技术汇聚层应用超宽带无线电（UWBPHY）UWB无线电平台无线USB协议栈的基础：是由MBOA-SIG开发的PHY层和MAC层规范。自从2005年3月MBOA-SIG和WiMedia联盟合并以后，这些规范被最后确定，并由WiMedia-MBOA联盟继续发展。10.3无线USB10.3.1起源和主要特征10.3.2协议栈10.3.3WUSB无线技术10.3.4媒体接入控制层10.3.5无线USB信道10.3.6无线USB的应用10.3.7现状和未来发展10.3.3WUSB无线技术WUSB物理层：应用了MB-OFDM联盟(MBOA)的UWB无线技术，工作在3.1～10.06GHz的频段上。支持无线USB设备上强制使用的53.5Mbps,106.7Mbps和200Mbps数据速率；附加的高达480Mbps的数据速率在设备上是可选项，而在主机上是强制使用的。支持所有的无线USB设备:强制使用的1～3频段（信道1，如图10.4），支持可选的其他频段组。必须支持每个频段组的所有时频码(TFC)。10.3.3WUSB无线技术信道2信道4信道5信道3频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段信道1528MHz宽带无线USBMBOA频段10.3无线USB10.3.1起源和主要特征10.3.2协议栈10.3.3WUSB无线技术10.3.4媒体接入控制层（自学）10.3.5无线USB信道（自学）10.3.6无线USB的应用10.3.7现状和未来发展10.3.4媒体接入控制层设计特性描述分布式网络控制在MAC层，媒体控制由所有设备共同负责，减少了单点失败带来的弱点，消除了维持中心控制的带宽浪费优先接入机制TDMA系统允许设备预留保证媒体接入的时隙，或者在优先竞争期间竞争接入高效的网络管理带宽负载与MAC协议规模及设备数量有关，使用少量设备以使网络负载较低WiMediaMAC关键设计特性

在下图所示的超帧结构中定义了MAC层时隙。每65ms的超帧被划分成256个媒体接入时隙(MediaAccessSlot,MAS)，每个时隙持续256s。每个超帧中的前导MAS作为信标期:在信标期:设备根据他们的能力和资源请求和主机交换信息。在信标期:设备可以使用分配预留协议(DistributedReservationProtocol,DRP),预留一个或多个媒体接入时隙。使得应用时可以保证与数据流同步的媒体接入。65ms超帧N-1超帧N超帧N+1信标期间介质访问时隙（MAS）256微秒WiMediaMAC层的超帧结构10.3.5无线USB信道WUSB规范定义:无线USB信道的超帧结构;超帧结构中相关的MAS预留;控制机制中建立的方法。无线USB信道的产生方法：主机通过DRP预留媒体接入时间的时隙。这样的时隙可以被集群中的所有设备用来通信。主机使用一个被称为微调度管理指令(Micro-ScheduledManagementCommand,MMC)的控制包序列来控制信道，MMC在预留的媒体接入时隙中发送。这些命令用来为集群中主机和设备之间的通信，动态地规划及控制信道时间。10.3无线USB10.3.1起源和主要特征10.3.2协议栈10.3.3WUSB无线技术10.3.4媒体接入控制层10.3.5无线USB信道10.3.6无线USB的应用10.3.7现状和未来发展10.3.5无线USB信道MMC（微调度管理指令）：是一个包含集群ID的广播数据包，使得设备能够识别其所属集群的控制包。每一个MMC规定了直到下一个MMC时，预留时间的微调度信道时间分配(MS-CTA)的分类。在前一个MMC规定的每个MS-CTA的指导和应用下，这些分配可以用来在集群中进行数据通信。超帧N-1超帧N超帧N+1DRP信息预留的MAS下一个MMC下一个MMC下一个MMC处理组1处理组3处理组2图10.6MAC层超帧中的无线USB信道设备类型描述独立的信标设备这些设备完全符合MAC协议，能完成所有的相关的信标受主机引导的信标设备在无线USB主机设备的引导下，这些设备可以完成信标和其他的MAC功能非信标设备这些设备降低了传输功率和接收机的灵敏度，且只能够在接近主机时工作表10.11无线USB设备类型受主机引导的信标设备要具备以下性能：1.捕获集群外设备发送的控制协议信息；能够检查覆盖范围外的WimediaMAC设备是否出现。2.能通过WUSB信道将信息传回主机。受主机引导的信标设备要具备这些性能，必须支持以下三个功能：1.数据包计数功能：在信标周期内，通过周期地计算数据包数目，主机能够确认一个受引导的信标设备是否有隐藏邻点。2.数据包捕获功能：通过捕获隐藏邻点的信标，主机可以确认DPR预留，如果需要,它会调整自己的预留。3.数据包传输功能：在传输数据时，通过提供适当的信标数据和引导受引导信标，主机可以通知当前的隐藏邻点和集群中附近设备的DPR预留。10.3无线USB10.3.1起源和主要特征10.3.2协议栈10.3.3WUSB无线技术10.3.4媒体接入控制层10.3.5无线USB信道10.3.6无线USB的应用10.3.7现状和未来发展10.3.6无线USB的应用无线USB的功能：允许同时具有主机和设备的功能。使得两个双重角色设备可以通过简单的点到点方式连接，每一个作为主机角色的设备通过公用的MAC层信道来管理单独的无线USB信道（称之为默认反向链接）。DRD还可以作为设备角色连接到一个或多个无线USB信道，同时作为主机角色为其他设备提供无线USB信道。例如，无线USB打印机对于笔记本电脑来说是设备，对于数码相机来说是主机。10.3无线USB10.3.1起源和主要特征10.3.2协议栈10.3.3WUSB无线技术10.3.4媒体接入控制层10.3.5无线USB信道10.3.6无线USB的应用10.3.7现状和未来发展10.3.7现状和未来发展尽管无线USB还处于发展的初始阶段，但是，无线USB很可能很快成为PC外围设备以及其他消费电子设备的无线连接标准。打印机，扫描机，外接硬盘和数码相机等等，都将没有任何的电线直接连接到你电脑上。未来最好的选择：蓝牙与WUSB联袂实现完美的UWB连接：蓝牙可以用作高速（如：文件传输）及低速（如：耳机至手机的语音信道）传输的应用接口。此外，它还可以用于控制与网络维护任务。实现高速传输的最底层(underlyinglayer)是WUSB/UWB组合物理层。利用WUSB作为实现基础，根据PAN传输的对端设备具有的功能，高速数据传输可以由WUSB处理。

第10章WPAN标准10.1前言10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.3无线USB10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.5IrDA10.6近场通信10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.4.1起源和主要特征10.4.2协议栈10.4.3ZigBeePHY层10.4.4媒体接入和链路控制层10.4.5ZigBee的实际应用10.4.6现状和未来发展10.4.1起源和主要特征ZigBee(IEEE802.15.4)：是基于处理远程监控和控制以及传感器网络需求的技术标准。ZigBee主要用于传输低数据速率的通信：传输速率最高为250kbps。工作范围：30m左右；具有超低的功率损耗：它的目标是提供设备控制信道，而不像无线USB技术是以高速率数据流信道为目的。ZigBee网络所需功率：一般只相当于蓝牙PAN功率的1%，所以电池寿命可长达数月到数年。10.4.1起源和主要特征为了实现超低功率损耗，采取了以下的一些具体步骤：减少包括报头（地址和其他的头部信息）在内的传输数据量；减少收发机的任务周期，包括断电和睡眠模式中的功率管理机制。ZigBee定义了两种设备：一种是完全功能设备：它实现全部的协议栈，能够与节点同步，具备控制器的功能，能与任何拓扑结构的任意类型的设备相连；另一种是简化功能的设备：它实现简化的协议集，在简单的连接拓扑结构中（星形或点到点结构）只能作为端节点从FFD发送/接收信息。ZigBee技术非常适合于无线监控和控制应用：目标成本（1～5美元）非常低：个人住宅和商业楼的自动化（智能家居）以及工业生产过程的控制。在家庭应用中，ZigBee可以用来建立家庭网络(HomeAreaNetwork,HAN)，允许在单个控制单元的命令下用扩散的非协调远程控制器去控制多个设备。10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.4.1起源和主要特征10.4.2协议栈（了解）10.4.3ZigBeePHY层10.4.4媒体接入和链路控制层10.4.5ZigBee的实际应用10.4.6现状和未来发展10.4.2协议栈图10.7ZigBee协议栈概要ZigBee应用框架应用支持层（APS）APS安全管理器信息格式端点多路复用网络应用层（NWK）NWK安全管理器NWK消息代理路由管理器网络管理器逻辑链路控制逻辑链路控制支持/应用层的主要作用：根据服务和需求使多个器件之间进行通信。主要根据具体应用由用户开发。例如，照明应用模型包括：表示光线等级和覆盖范围的传感器；负载控制器的开关和变暗。网络/安全层的主要作用：建立新网络，保证数据的传输。负责网络的启动、关联、断开关联、设备地址的分配、网络安全、帧路由等一般工作。网络层可以支持多重的网络拓扑结构，如图10.8所示。通过使用ZigBee路由器，网状拓扑结构可使网络达到64000个节点，通过请求－响应算法达到高效路由，而不是通过路由表。对数据进行加密，保证数据的完整性。星形连接ZibBee协调器网络链接ZibBee路由器ZibBee端设备图10.8支持ZigBee的拓扑结构ZibBee端设备10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.4.1起源和主要特征10.4.2协议栈10.4.3ZigBeePHY层10.4.4媒体接入和链路控制层10.4.5ZigBee的实际应用10.4.6现状和未来发展10.4.3ZigBeePHY层带宽覆盖范围信道数数据速率2.4GHz世界范围16250kbps915MHz美洲1040kbps868MHz欧洲120kbps表10.12IEEE802.15.4的无线频段和数据速率2.4GHzISM频段中的16个非重叠信道允许16个PAN同时工作。物理层：是协议的最底层，承付着和外界直接作用的任务。主要目的：控制RF收发器工作ZigBee的物理信道

10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.4.1起源和主要特征10.4.2协议栈10.4.3ZigBeePHY层10.4.4媒体接入和链路控制层10.4.5ZigBee的实际应用10.4.6现状和未来发展10.4.4媒体接入和链路控制层媒体接入和链路控制层的主要作用：负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束；接入方式分两种：基于竞争的：CSMA/CA；无竞争的：由PAN协调器按TDMA分配时隙。确认模式的数据传送和接收：收不到确认，会重传。10.4.4媒体接入和链路控制层设备类型描述全功能设备(FullFunctionDevice,FFD)FFD:具有IEEE802.15.4标准的所有特征。它们具有额外的存储器;能执行网络路由功能的计算能力;当网络与外部设备进行通信时它还能充当边缘设备.表10.13ZigBee设备类型10.4.4媒体接入和链路控制层设备类型描述网络协调器PAN协调器，是维护整个网络控制的完全功能设备:具有最大存储器和计算能力的最复杂的设备。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。简化功能设备(ReducedFunctionDevice,RFD)为降低设备的复杂度和成本，RFD只具有有限的功能，它们只能与FFD进行通信，通常作为边缘设备使用。表10.13ZigBee设备类型10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.4.1起源和主要特征10.4.2协议栈10.4.3ZigBeePHY层10.4.4媒体接入和链路控制层10.4.5ZigBee的实际应用10.4.6现状和未来发展10.4.5ZigBee的实际应用应用领域应用实例PC外围设备鼠标、键盘、操纵杆接口消费电子产品家庭娱乐系统（电视、VCR、DVD、音响系统）遥控住宅和其他建筑的自动化安全及进入控制、照明、供热、通风、空调设备(Heating,VentilationandAirConditioning,HVAC)、浇花医疗护理病人监控、健康监视工业控制资产管理、工业过程控制、能源管理表10.14ZigBee的应用领域ZigBee应用实例基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性。每幢单元楼设置一个ZigBee远端节点；一个小区设置一个ZigBee中心节点ZigBee中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.4.1起源和主要特征10.4.2协议栈10.4.3ZigBeePHY层10.4.4媒体接入和链路控制层10.4.5ZigBee的实际应用10.4.6现状和未来发展10.4.6现状和未来发展ZigBee：是传感器网络和远程控制领域有竞争力的技术中的一种。ZigBee的优势：基于IEEE标准；广泛的工业联盟，保证它在大量产品中的互操作性。

ZigBee联盟未来发展目标是ZigBee2.0规范，该规范基于目前由IEEE802.15TGa开发的增强的低数据速率规范。目标是1m或者更好的定位精确度、更高的数据吞吐量、超低的功率、更远的范围以及更低成本。10.4.6现状和未来发展——续目前，ZigBee的应用领域：大厦自动化设备、产业、医疗等领域。尤其在自动仪表领域，ZigBee拥有很高的关注度。但在家电市场，由于竞争技术较多，ZigBee得以普及的可能性很低，发展前景难以预料。第10章WPAN标准10.1前言10.2蓝牙(IEEE802.15.1)10.3无线USB10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.5IrDA10.6近场通信10.6近场通信10.6.1起源和主要特征10.6.2NFC物理层10.6.3协议栈10.6.4NFC的实际应用10.6.5NFC的现状及未来发展近场通信(NFC，NearFieldCommunication)的起源：由飞利浦公司和索尼公司共同开发，是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信。NFC提供了一种简单、触控式的解决方案，可以让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务。10.6.1起源和主要特征10.6.1起源和主要特征近场通信的主要特征：是一个超短范围的无线通信技术。它是用磁场感应使得两个物理上接触的，或者是在几厘米范围内的设备能互相通信。目标：通过自动连接和配置实现简单的点到点的连接。由于距离非常短，NFC设备之间的通信只需要极低的电场或磁场强度，完全低于正常的噪声发射门限，因此它对于使用的频带不受授权限制。

NFC与RFID的相同之处：信息都是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递，两者之间的区别：NFC传输范围比RFID小，RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米；相对于RFID，NFC采取了独特的信号衰减技术，NFC带宽高、能耗；NFC与现有非接触智能卡技术兼容，目前已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准；RFID更多的被应用在生产、物流、跟踪、资产管理上，而NFC则在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。NFC与RFID的比较NFC的传输方式优于红外和蓝牙。作为一种面向消费者的交易机制，NFC比红外更快、更可靠而且简单得多，不用像红外那样必须严格的对齐才能传输数据。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；蓝牙能够弥补NFC通信距离不足的缺点，适用于较长距离数据通信。NFC与红外和蓝牙的比较NFC和标准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的。近场通信：是基于两个设备之间的直接磁场或者电场的耦合来实现的，而不是通过无线电波在自由空间的传播。ECMA340标准：由ECMA共同组织在2004年12月采用，定义了NFC的通信模式，该模式使用工作在13.56MHz中心频率的感应耦合设备。10.6近场通信10.6.1起源和主要特征10.6.2NFC物理层10.6.3协议栈（了解）10.6.4NFC的实际应用10.6.5NFC的现状及未来发展10.6.2NFC物理层ECMA340规定:磁场感应接口工作在13.56MHz;数据速率为106kbps、212kbps和424kbps，它与飞利浦公司的MIFARE®和索尼公司的FeliCa非接触式智能卡接口相兼容。远场RF通信中:测量传输功率和接收判决门限使用dBm；NFC测量磁场强度(H)：用安培/米(A/m)表示。磁场等级磁场强度描述H门限0～1875A/m最小磁场检测等级Hmin1.5A/mrms最小无调制场强Hmax7.5A/mrms最大无调制场强表10.17ECMA340NFC磁场强度标准ECMA340标准定义了两种通信模式：主动式：在主动模