通信原理与通信技术3版第15章

1第15章无线个人区域网络技术2第15章无线个人区域网络技术15.2“蓝牙”技术15.3ZigBee技术主要内容15.4

NFC技术15.5UWB技术15.1无线个人区域网络概述3第15章无线个人区域网络技术15.1无线个人区域网络概述根据覆盖面积的不同,无线通信组网技术大致可归纳为四大类：（1）通讯距离10米左右的无线个人区域网络(WPAN)。（2）通讯距离100米左右的无线区域网络(WLAN)。（3）通讯距离大于100米的无线社区区域网络(WMAN)。（4）通讯距离大于100米的无线广域网络(WWAN)。4第15章无线个人区域网络技术无线个人区域网络（简称为无线个域网）通常范围不超过10米。由于通讯范围有限，无线个域网络通常用于取代实体传输线，让不同的系统能够近距离进行联系。接入网作为电信网的“最后一公里”，而个人区域网则更关注最后10米的接入。无线个人区域网络概念：5“蓝牙”这个名字的来历颇具传奇色彩公元10世纪的北欧正值动荡年代，各国之间战争频繁，丹麦国王哈拉德二世挺身而出，到处疾呼和平。经过他的不懈努力，战争终于停止，各方领袖坐到了谈判桌前，至此，四分五裂的挪威和丹麦得以统一。关于这位国王的名字有两种说法：一种说法是他的全名是HaraldBlatand，Blatand在英语中意思为“蓝牙”（Bluetooth）；还有一种说法是这位英雄的丹麦国王酷爱吃蓝梅，以致于牙齿都被染成了蓝色，因此“蓝牙”（Bluetooth）成了他的绰号。15.2“蓝牙”技术第15章无线个人区域网络技术63.瑞典的爱立信公司于1994年成立了一个专项科研小组，对移动电话及其附件的低能耗、低费用无线连接的可能性进行研究。4.他们的最初目的在于建立无线电话与PC卡、耳机及桌面设备等产品的连接。5.但是随着研究的深入，科研人员越来越感到这项技术所独具的个性和巨大的商业潜力，同时也意识到凭借一家企业的实力根本无法继续研究。6.于是，爱立信将其公诸于世，并极力说服其他企业加入到它的研究中来。他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术，并将此技术命名为“蓝牙”，来表达要将这种全新的无线传输技术在全球推广，并实现全球通用的雄心。第15章无线个人区域网络技术7蓝牙一个开放性的无线通信标准一种短距离无线电通信技术使用全球通行的、无需申请即可使用的2.45GHzISM频段。收发信机采用跳频扩谱技术，在2.45GHzISM频段上以1600跳/秒的速率进行跳频通信。在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为721kb/s，最高数据速度可达1Mb/s。由于采用低功率时分复用方式工作（发射），其有效传输距离大约为10米，加上功率放大器时，传输距离可扩大到100m。第15章无线个人区域网络技术8蓝牙支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微网（Piconet），多个微微网又可互连成特殊分散网，形成灵活的多重微微网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。它能在一个微微网内寻址8个设备，其中1个为主设备，7个为从设备。蓝牙是一种低功耗的无线技术，当检测到距离小于10m时，接受设备可动态调节功率。当业务量减小或停止时，蓝牙设备可以进入低功率工作模式。功耗低，对人体危害小。第15章无线个人区域网络技术9第15章无线个人区域网络技术10表15-1

BLUETOOTH1.0技术指标和系统参数工作频段ISM频段，2.402~2.480GHz双工方式全双工，TDD时分双工业务类型支持电路交换和分组交换业务数据速率1Mpbs非同步信道速率非对称连接721kbps/57.6kbps，对称连接432.6kbps同步信道速率64kbps功率美国FCC要求<0dbm(1mw),其他国家可扩展到100mw跳频频率数79个频点/1MHz跳频速率1600次/秒工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式面向连接业务SCO，无连接业务ACL纠错方式1/3FEC，2/3标FEC，ARQ鉴权采用反映逻辑算术信道加密采用0位、40位、60位密钥语音编码方式连续可变斜率调制CVSD发射距离一般可达10cm~10m，增加功率情况下可达100m目前，蓝牙技术主要以满足FCC（FederalCommunicationsCommission美国联邦通信委员会）的要求为目标。在其他国家的应用，需要做一些适应性调整，如发射功率和频带。BLUETOOTH1.0规范已公布的主要技术指标和系统参数如表15-1。11成本低；功耗低、体积小；通信距离短；安全性好。第15章无线个人区域网络技术蓝牙技术的特点12成本低：蓝牙的最终目标是集成于单价为5美元的CMOS芯片。目前，蓝牙芯片价格降不下来，既有经济原因，也有技术原因。从技术角度来看，蓝牙芯片集成了无线、基带和链路管理层功能，而链路管理功能实际上既可以通过硬件实现，也可以通过软件实现，如果由软件实现链路管理层功能，那么芯片被简化，价格也将变得合理。第15章无线个人区域网络技术13功耗低、体积小：蓝牙技术本来目的就是用于互连小型移动设备及其外设，它的市场目标是移动笔记本电脑、移动电话、小型的PDA以及它们的外设，因此蓝牙芯片必须具有功耗低、体积小的特点，以便于集成到小型便携设备中去。蓝牙产品输出功率很小(只有1mW)，仅是微波炉使用功率的百万分之一，是移动电话的一小部分。第15章无线个人区域网络技术14通信距离短：蓝牙技术通信距离为10m，如果需要的话，还可以选用放大器使其扩展到100m。这已经足够在办公室内任意摆放外围设备，而不用再担心电缆长度是否够用。第15章无线个人区域网络技术15安全性好：蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供，采用流密码加密技术，适合于硬件实现，密钥由高层软件管理。如果用户有更高级别的保密要求，可以使用更高级、更有效的传输层和应用层安全机制。认证可以有效防止电子欺骗以及不期望的访问，而加密则保护链路隐私。除此之外，跳频技术的保密性和蓝牙有限的传输范围也使窃听变得困难。为满足这些不同的安全需求，蓝牙协议定义了三种安全模式。模式1不提供安全保障，模式2提供业务级安全，模式3则提供链路级安全。第15章无线个人区域网络技术16蓝牙系统组成：天线单元链路控制（固件）单元链路管理（软件）单元蓝牙软件（协议栈）单元15.4蓝牙系统组成第15章无线个人区域网络技术17天线单元天线部分体积十分小巧、重量轻蓝牙天线属于微带天线蓝牙空中接口是建立在天线电平为0dB的基础上的。空中接口遵循FCC有关电平为0dB的ISM频段的标准。第15章无线个人区域网络技术18链路控制（固件）单元在目前蓝牙产品中，使用3个IC分别作为连接控制器、基带处理器以及射频传输／接收器，此外还使用了30～50个单独调谐元件。基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。它有3种纠错方案：1/3比例前向纠错（FEC）码、2/3比例前向纠错码和数据的自动请求重发（ARQ）方案。采用FEC（前向纠错）方案的目的是为了减少数据重发的次数，降低数据传输负载。第15章无线个人区域网络技术19链路管理（软件）单元携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。能够发现其它远端LM并通过LMP（链路管理协议）与之通信。提供如下服务：发送和接收数据；请求名称；链路地址查询；建立连接；鉴权；链路模式协商和建立；决定帧的类型。控制设备的工作状态即呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）三种模式。第15章无线个人区域网络技术20软件（协议栈）单元一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。必须符合已经制定好的蓝牙规范。第15章无线个人区域网络技术21主要应用：对讲机、无绳电话、头戴式耳机、拨号网络、传真、局域网接入、文件传输、目标上传、数据同步。蓝牙技术的应用被认为非常广泛而且极具潜力，它还可以应用于无线设备（如PDA、手机、智能电话、无绳电话）、图像处理设备（照相机、打印机、扫描仪）、安全产品（智能卡、身份识别、票据管理、安全检查）、消费娱乐（耳机、MP3、游戏）汽车产品（GPS、ABS、动力系统、安全气袋）、家用电器（电视机、电冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机）、医疗健身、建筑、玩具等领域。与其他技术一起（比如WAP等）蓝牙将会给人们日常生活带来深远的影响，可以说蓝牙技术是推动移动信息时代到来的关键技术之一。第15章无线个人区域网络技术蓝牙技术的应用22IEEE802.11标准主要用于办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线数据存储接入业务，其最高速率为2Mb/s。为了满足人们对传输距离和传输速率的要求，IEEE小组又推出了IEEE802.11a和IEEE802.11b两个标准。三者之间的主要技术差别在于MAC子层和物理层。第15章无线个人区域网络技术蓝牙技术与无线局域网23蓝牙技术与802.11的共同点：工作在2.4GHz频段上；支持移动联网，用户可以灵活地移动计算设备的位置，保持持续的网络连接；不需要使用物理线路，安装非常简便；因为无线网络所使用的高频率无线电波可以穿透墙壁或玻璃窗，所以网络设备可以在有效范围内任意放置；多层安全防护措施可以充分确保用户隐私；改动网络结构或布局时，不需要对网络进行重新设置。第15章无线个人区域网络技术24蓝牙技术与802.11系列的差异点：首先蓝牙的覆盖范围小，性能相对较低，通过应用通讯协定与其他配备相连；无线局域网络的IEEE802.11b标准的传输速率最高为11Mbps，范围50m，可涵盖整层楼和整个办公室，它通过一个底层的传输协定来连接。蓝牙通信模块与802.11相比，耗电低，成本便宜，通信时的操作也简单，通信对象可为手机、数码相机等多种设备。第15章无线个人区域网络技术253.蓝牙设备使用ISM频段实时进行数据和语音传输，意味着在办公室、家庭和旅途中，无需布设专用线缆和连接器，通过蓝牙遥控装置可以形成一点到多点的连接，即在该装置周围组成一个“微网”，网内任何蓝牙设备都可与该装置互通信号，而且无需复杂的软件支持。4.蓝牙技术有一整套协议，可以应用于更多场合。蓝牙跳频更快，因而更稳定，同时还具有功耗更低和更灵活等特点。而802.11只规定了开放式系统互联参考模型（OSI／RM）的物理层和MAC层，提供比蓝牙更高的传输速率且WLAN只支持数据通信。第15章无线个人区域网络技术26第15章无线个人区域网络技术总的来讲，IEEE802.11比较适于办公室中的企业无线网络，而蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合。目前这些技术还处于并存状态，从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们将走向融合。27第15章无线个人区域网络技术15.3

ZigBee技术ZigBee，中文称为“紫蜂”，是一种短距离、结构简单、低功耗、低数据速率、低成本和高可靠性的双向无线网络通信技术。ZigBee的功能框图见图15-3。28第15章无线个人区域网络技术ZigBee技术的主要优点低功耗。ZigBee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。成本低。是同类产品的几分之一甚至十分之一。低复杂度。高可靠性。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。组网简单、灵活。网络容量大。可支持达65000个节点。安全。提供数据完整性检查和鉴权功能。29第15章无线个人区域网络技术通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术：（1）设备成本很低，传输的数据量很小。（2）设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块。（3）没有充足的电力支持，只能使用一次性电池。（4）频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难。（5）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。30第15章无线个人区域网络技术ZigBee技术架构及模块见图15-4。ZigBee定义了两种类型的设备：全功能设备FFD（FullFunctionalDevice）和简化功能设备RFD(ReducedFunctionDevice)。31第15章无线个人区域网络技术ZigBee的应用由于ZigBee具有功耗极低、系统简单、成本低、短等待时间（LatencyTime）和低数据速率的性质，所以，非常适合有大量终端设备的网络。它主要适用于自动控制领域以及组建短距离低速无线个人区域网（LowRate-WirelessPersonalAreaNetwork，LR-WPAN）。比如，楼宇自动化、工业监视及控制、计算机外设、互动玩具、医疗设备、消费性电子产品、家庭无线网络、无传感器网络、无线门控系统和无线停车场计费系统等。32第15章无线个人区域网络技术ZigBee和蓝牙性能参数比较表15-2ZigBee和蓝牙的主要技术及性能参数表ZigBee蓝牙使用频段2.4GHz/915MHz/868MHz2.4GHz扩频方式DSSSFHSS调制方式BPSK/O-QPSKGFSK数据传输速率2.4GHz：250Kbit/s915MHz：40Kbit/s868MHz：20Kbit/s标称速率1Mbit/s非对称链接723.2Kbit/s57.6Kbit/s对称链接433.9Kbit/s同步信道速率64Kbit/s安全机制MAC和NWK，分级安全控制，AES链路级，认证基于共享密钥，询问/响应机制，反应逻辑算术鉴权，AES纠错方式CRC，ARQ1／3FEC，2/3FEC，CRC，ARQ信道数1+10+16=27个79个传输距离10～75m10m（加发射功放可达100m）新从属设备入网时间约30ms≥3s休眠设备激活时间约15ms约3s活跃设备信道接入时间约15ms约2ms运行所需系统资源约28Kb约250Kb网络拓扑结构星形/树形/网状网微微网/散射网单个网络的设备数量256个，最多可达65536个8个，最多可达8＋255（休眠）个链路状态模式活跃/休眠活跃/呼吸/保持/休眠功率消耗极小中等业务类型分组交换电路交换/分组交换33第15章无线个人区域网络技术15.4

NFC技术NFC(NearFieldCommunication)近场通信，是一种非常短距离的无线通讯技术，适用范围仅有数厘米，适合于各种装置之间不需使用者事先设定的一种简便与安全的通信方式。34第15章无线个人区域网络技术NFC是由Philips公司发起，现在由Philips，Nokia和Sony等公司联合主推的一项无线通信技术。与RFID不同的是，NFC采用了双向连接和识别，距离在20cm距离内，工作于13.56MHz频率范围。NFC是一个开放的标准，由ISO18092和ECMA340来定义，同时与应用广泛的ISO14441A标准的非接触式智能卡基础架构兼容。NFC能自动地建立无线连接，其短距离交互特性大大简化了认证识别过程。比如，通过NFC，电脑、数码相机、手机、PDA等多个设备之间可以很方便快捷的进行无线连接，进而实现数据交换和服务。35NFC在应用上可分为三种类型：（1）设备连接。NFC可以为无线局域网（WLAN）或蓝牙等设备简化无线连接。可将两个内建NFC的装置相连接，以进行点对点资料传输，例如下载音乐、交换影像与同步处理通讯录等。（2）实时预定。这类应用如门禁管制或车票及门票等，使用者只需利用含有NFC芯片的装置靠近读取装置即可，它还可作为简易的资料撷取应用，方便实时地获取各种详细信息，必要的话还可以联机使用信用卡服务。（3）移动商务。主要用于大型的交通和金融机构，比如Visa卡，索尼的FeliCa非接触智能卡或诺基亚的3220NFC手机等，这是NFC应用范围最广泛的领域。第15章无线个人区域网络技术36第15章无线个人区域网络技术NFC原理和组成ＮＦＣ通过一个芯片、一根天线和一些软件的组合，能够实现各种设备在几厘米范围内的通信。基本原理基于RFID（RadioFrequencyIdentification，RFID）无线射频识别技术。图15-5给出一个硬件构成框图。37第15章无线个人区域网络技术

NFC技术的应用NFC设备可以作为非接触式智慧卡、智慧卡的读写器终端以及设备对设备的数据传输链路。其应用范围主要是：（1）用于服务启动。比如门禁和打开或关闭设备电源等。（2）用于智能媒体。（2）用于移动支付。比如付款等。（3）用于电子票务。比如机票、车票、演出票的购票、验票等。38第15章无线个人区域网络技术NFC与蓝牙技术的比较蓝牙设备之间正常的配对操作经常花费五六秒钟的时间(在拥挤的条件下可增加到30秒钟)，改进的NFC单任务协议，完成同样的任务只需要100-200毫秒。NFC与蓝牙复杂的使用模型相比，效率优势很明显，这是由于NFC是一个相对简单的协议，最初是为了少量直接的、点对点应用而开发的。但蓝牙弥补了NFC通讯距离不足的缺点，适用于较长距离的数据通讯。NFC主要针对近距离交易交互应用，适用于交换财务信息或敏感的个人信息。NFC和蓝牙可共存互补，NFC协议可用于引导两台设备之间的蓝牙配对过程，并促进蓝牙的使用。39第15章无线个人区域网络技术15.5

UWB技术UWB(UltraWideband)，简称超宽带，是一种不用载波，而采用时间间隔极短的脉冲进行通信的技术。也被称做脉冲无线电(ImpulseRadio)、时域(TimeDomain)或无载波(CarrierFree)通信技术。40第15章无线个人区域网络技术UWB所占的频谱范围很宽，谱密度极低，信号的中心频率在650MHz～5GHz之间，平均功率为亚毫瓦量级，抗干扰能力强，具有多个可利用信道。美国FCC对UWB的规定为：在3.1～10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。

UWB是一种短距离无线宽带传输技术。由于未采用载波调制，因此UWB不需要混频器、过滤器、RF/IF转换器以及本地振荡器等电路，从而实现了低成本下的低功耗、高速宽带应用。UWB的传输范围在5-10米之间，理论上最高速度可达1Gbps。41第15章无线个人区域网络技术UWB