第2章-2 无线个域网

2.2无线个域网与IEEE802.15标准第2章无线接入网络技术2本节内容简介☆无线个域网概述☆无线个域网的关键技术☆IEEE802.15技术标准☆无线个域网的协议☆无线个域网的协议体系结构3无线个域网概述个域网的基本概念

个域网(PersonalAreaNetwork，PAN)，是一种范围较小的计算机网络，主要用于计算机设备之间的通信，还包括电话和个人电子设备等

PAN的通信范围往往仅几米，也可用于连接多个网络

PAN被看作是最后一米的解决方案

无线个域网(WirelessPAN，WPAN)是一种采用无线连接的个域网

WPAN主要通过无线电或红外线代替传统有线电缆，实现个人信息终端的互联，组建个人信息网络4无线个域网的基本概念

WPAN是为了实现活动半径小(如几米)、业务类型丰富、面向特定群体的连接而提出的新型无线网络技术

WPAN是一种与无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)并列但覆盖范围更小的无线网络，对应关系如下图所示：5WPAN(802.15)10米以内

WLAN(802.11)100米以内WMAN(802.16)数千米WWAN(802.20)15千米四种无线网络之间的关系与通信范围

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WPAN主要应用于个人用户工作空间，其位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接。从技术角度分析，WPAN系统通常可分为以下4个层次： ①应用软件和程序 ②固件和软件栈 ③基带装置 ④无线电收发7

WPAN的主要特点有：

①高数据速率并行链路：>100Mbps

②邻近终端之间的短距离连接：典型为1~10m ③标准无线或电缆桥路与外部因特网或广域网的连接 ④典型的对等式拓扑结构 ⑤中等用户密度8无线个域网的分类

通常将WPAN按传输速率分为低速、高速和超高速三类，如下图所示:无线个域网低速WPAN高速WPAN超高速WPAN通信速率：0.25Mbps通信距离：10m工作频率：2.4GHz通信速率：55Mbps通信距离：10m工作频率：2.4GHz通信速率：110/200/480Mbps通信距离：10m、4m和4m以下工作频率：3.1GHz~10.6GHz9 ●低速WPAN主要为近距离网络互连而设计，采用IEEE802.15.4标准。其结构简单、数据率低、通信距离近、功耗低、成本低，被广泛用于工业监测、办公和家庭自动化及农作物监测等 ●高速WPAN适合大量多媒体文件、短时的视频和音频流的传输，能实现各种电子设备间的多媒体通信 ●超宽带WPAN的目标包括支持IP语音、高清电视、家庭影院、数字成像和位置感知等信息的高速传输，具备近距离的高速率、较远距离的低速率、低功耗、共享环境下的高容量、高可扩展性等10无线个域网的关键技术

WPAN的关键技术包括IrDA、HomeRF、UWB、蓝牙技术、ZigBee技术等

IrDA(红外)技术

IrDA是利用红外线进行通信的技术，最高通信速率仅115.2kbps，主要优点是无需申请频率使用权，通信成本低廉，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用等特点

超宽带(UWB)技术

超宽带(UltraWideBand，UWB)是一种基于IEEE802.15.3的超高速、短距离无线接入技术，通信范围在10米范围内，能实现每秒数百兆位的数据传输率，具有抗干扰性强、传输速率高、带宽大、消耗电能低、保密性好等众多优势11

HomeRF技术

HomeRF是数字无绳电话技术与WLAN技术融合发展的产物，它采用共享无线连接协议(ShareWirelessAccessProtocol，SWAP)，工作在2.4GHzISM频段

蓝牙技术

蓝牙能支持短距离(如10米内)无线通信，能在手机、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等之间进行信息交换，其工作于2.4GHzISM频段，数据速率为1Mbps，采用时分双工传输方案12

ZigBee技术

ZigBee是一种短距离、低功率、低速率无线接入技术，工作于2.4GHzISM频段，传输速率为20~250kbps，传输距离为10~100mZigBee终端节点ZigBee中心节点节点1节点2节点3节点4PC控制节点5星型ZigBee网络

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五种WPAN关键技术的技术特点

技术指标蓝牙HomeHFIrDAUWBZigBee工作频段2.4GHz2.4GHz红外线3.1~10.6GHz2.4GHz传输速率1Mbps6~10Mbps16Mbps480Mbps20~250kbps通信距离10m50m1m10m10~100m应用前景中中一般好好14IEEE802.15技术标准

●IEEE、ITU等组织都致力于WPAN标准的制定，其中IEEE的研究重点主要是IEEE802.15系列，它也是目前最权威的WPAN标准，具体由802.15工作组负责制定，其分为7个任务组，如下表所示：15802.15子工作组工作内容802.15.1蓝牙1.x版802.15.2WLAN与WPAN共存802.15.3高速数据率802.15.3a超宽带(UWB)802.15.4低数据速率及ZigBee802.15.5网状网络(Mesh)802.15.6用于医疗的人体内无线通信SGrfidRFID在WPAN的应用IEEE802.15任务组16

☆802.15.1标准

802.15.1本质上是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本，大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组负责。

☆802.15.2标准

802.15.2标准制定了一个共存模型，以量化WPAN和WLAN的冲突。802.15.2实际上是一个策略建议，推荐了一系列解决WPAN与WLAN互干扰的技术策略和方案，主要可分为协同共存和非协同共存两种。17

☆802.15.3标准

802.15.3-2003是针对高速WPAN制定的无线MAC层和物理层规范，允许WPAN在家中连接多达上百个无线应用设备，传输速度可达11~55Mbps，适合多媒体数据传输，有效距离可达100m

☆802.15.4标准

802.15.4-2006标准主要针对低速WPAN。该标准以低功耗、低速率传输、低成本为目标，旨在为个人或家庭范围内不同设备间的低速互连提供统一标准，目前正不断发展18IEEE802.15协议簇802.15.1蓝牙协议

☆基带协议 负责建立微型网内各蓝牙设备之间的物理收发链路

☆链路管理协议(LMP)

负责设备之间链路的建立和控制，包括控制和协商基带分组的大小、安全、电源模式、设备周期性控制 ☆逻辑链路控制与适配协议(L2CAP)

支持上层协议复用、分组的分段和重组、服务质量 ☆服务发现协议(SDP)19802.15.4/ZigBee路由协议

☆基本思想 为达到低成本、低功耗、可靠性高等设计目标，ZigBee网络采用了Cluster-Tree与按需距离矢量(AODV)路由相结合的路由算法，但ZigBee使用的AODV与自组织网络中的经典AODV协议并不完全相同，可看做是一种简化版的AODV，即AODVjr。ZigBee网络中，节点可按照父子关系(旧节点允许新节点通过其加入网络时，即形成父子关系)使用Cluster-Tree算法选择路径，即当一个节点接收到分组后发现该分组不是给自身的，则只能转发给它的父节点或者子节点20

☆Cluster-Tree

Cluster-Tree是一种由协调器展开生成树状网络的拓扑结构，适于节点静止或移动较少的场合，属于静态路由，无需存储路由表

☆AODVjr

AODVjr算法考虑了节能、简便等因素，简化了AODV的一些特点，但仍保持了AODV的原始功能，下图所示为AODVjr工作过程。21AODVjr工作过程：ABHBICJEGDKF源节点目标节点RREQ传播路由请求包广播路线

22ABHBICJEGDKF源节点目标节点路由应答包返回路线

23ABHBICJEGDKF源节点目标节点确认信息数据分组数据包和确认包传输路径

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☆

AODVjr的性能特点

①为减少控制开销和简化路由发现过程，未使用目标节点序列号

②AODVjr无先驱节点列表，从而简化了路由表结构 ③如果链路中断，AODVjr采用本地修复

④节点不发送HELLO分组，仅根据收到分组或MAC层提供的信息更新邻居节点列表25

☆ZigBee路由

ZigBee路由中可将节点分为两类：RN+和RN-。RN+指具有足够存储空间和能力执行AODvjr路由协议的节点，RN-则指其存储空间受限、无执行AODVjr路由协议能力的节点，RN-收到一个分组后只能用Cluster-Tree算法处理

☆路由建立过程 ①节点创建并向周围节点广播RREQ分组，如果收到RREQ的节点是RN-节点，就按Cluster-Tree路由转发该分组。如为RN+节点，则根据RREQ信息建立相应的路由发现表条目和路由表条目(在路由表中建立一个指向RREQ源节点的反向路由)，继续广播分组；26

②节点转发RREQ前会计算将RREQ发送给邻节点与本节点之间的链路开销，并将它加到RREQ中存储的链路开销上，将更新后的链路开销存入路由发现表条目中； ③一旦RREQ到达目标节点或其父节点，该节点就向RREQ的源节点回复一个RREP分组(RN-节点也可回复RREP，但不记录路由信息)，RREP应沿已建立的反向路径向源节点传输，收到RREP的节点建立到目标节点的正向路径并更新相应路由；27 ④节点转发RREP前，会计算反向路径中下一跳与本节点间的链路开销，并将它加到RREP中存储的链路开销上。当RREP到达相应RREQ的发起节点时，路由建立过程结束。28无线个域网的协议体系结构ZigBee的分层协议栈

802.15.4和ZigBee协议栈的体系结构：应用层应用接口层安全层网络层MAC层物理层用户ZigBee联盟802.15.4ZigBeeProfiles网络应用层数据链路层802.15.4MAC802.15.4LLC/802.2LLC868/915PHY2400PHY802.15.4和ZigBee分层协议架构

物理层☆物理(PHY)层物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

物理层数据服务五方面的功能：

（1）激活和休眠射频收发器；

（2）信道能量检测（energydetect）；

（3）检测接收数据包的链路质量指示（linkqualityindication,LQI）；

（4）空闲信道评估（clearchannelassessment,CCA）；

（5）收发数据。30

☆

PHY层定义3个载波频段27个信道用于收发数据：868MHz1个信道、915MHz10个信道、2450MHz16个信道31

☆介质访问控制(MAC)层

主要有以下功能：

1）采用CSMA/CA机制来访问物理信道

2）协调器负责网络的建立与维护

3）支持PAN网络的关联与取消关联

4）协调器产生信标帧，普通节点根据信标帧与协调器同步

5）实现间接传输

6）两个MAC实体间提供数据可靠传输

7）可选的时槽保障

GTS支持

8）支持无线信道通信安全机制关联：指一个设备在加入一个特定网络时，向协调点注册及身份认证的过程。MAC层技术

☆MAC层数据传输机制

1）CSMA/CA传输机制

2）应答重传机制（RTS/CTS/ACK）

☆3种MAC层数据传输模式

1）普通节点到协调点；

2）协调点到普通节点；

3）对等节点间。

☆MAC层通信模式

1）信标使能模式：通过信标帧实现与协调点同步。

2）非信标使能模式：使用传统的CSMA/CA机制进行访问控制。1、MAC层数据传输模式设计目的

用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。2、MAC层帧格式34ZigBee的网络层和应用层

ZigBee网络层主要实现组建网络、为新加入节点分配地址、路由发现、路由维护等功能，可支持多种网络拓扑。

☆ZigBee网络配置

在网络配置上，ZigBee有3类节点：协调点、路由节点、终端节点。协调点必须是FFD，路由节点也必须是FFD，终端节点可以是FFD或者RFD。35

☆ZigBee网络拓扑

ZigBee网络层支持3种拓扑结构：星型、网状型和树型

①星型结构。由一个协调点、一或多个终端节点组成

②网状型结构。若干FFD之间是完全的对等通信，每个节点均可与通信范围内的其它节点通信，有一个会被推荐为协调点

③树型结构。节点可采用Cluster-Tree路由传输数据和控制信息，末端叶节点一般为RFD36(a)星型结构(b)网状型结构(c)树型结构FFDRFDZigBee的3种拓扑结构

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☆ZigBee的应用层 应用层包括：应用支持(APS)、应用框架(AF)、设备对象(ZDO)。

APS的主要功能包括：协议数据单元APDU的处理、APS数据传输机制、节点间的应用对象绑定。AF为各用户定义的应用对象提供模板式的活动空间，为每个应用对象提供了键值对服务和报文服务两种服务。ZDO可看作是一种公共应用，提供了一个公共功能集，供用户自定义的应用对象调用APS服务及网络层服务，主要功能包括设备服务发现等。38ZigBee的组网过程：

1）具有ZigBee