第4章_無線個域網(wǎng).ppt

第4章無線個域網(wǎng),內(nèi)容提要,概述IEEE802.15標準藍牙技術簡介藍牙無線電規(guī)范藍牙基帶規(guī)范藍牙鏈路管理器規(guī)范藍牙邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議藍牙服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議,4.1概述,無線個人區(qū)域網(wǎng)(WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN，簡稱無線個域網(wǎng))技術就是一種滿足上述應用需求的小范圍無線連接、微小網(wǎng)自主組網(wǎng)的通信技術。,無線個域網(wǎng)技術,當前發(fā)展最迅速的領域之一：藍牙(BlueTooth)IrDA：紅外數(shù)據(jù)組織提供的紅外連接技術HomeRF：美國家用射員會提供的語音和數(shù)據(jù)傳送技術，工作頻段為2.4GHz,UWB：超寬帶，不用載波，而采用時間間隔極短(小于1ns)的脈沖進行通信。這種通信方式占用帶寬非常之寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴頻通信的特點。能在10米左右的范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)百Mbit/s至數(shù)Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢,Zigbee：新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術，最大的特點就是低功耗、可組網(wǎng)，特別是帶有路由的可組網(wǎng)功能，理論上可以使ZigBee覆蓋的通訊面積無限擴展。在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它們的通信效率非常高。,4.2IEEE802.15標準,IEEE802.15工作組是IEEE針對無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)而成立的，開發(fā)有關短距離范圍的WPAN標準。,4.2.1標準構成,802.15.1是以既有藍牙標準為基礎，制定藍牙無線通信規(guī)范的一個正式標準。802.15.2工作組目的是要802.11和802.15開發(fā)共存的推薦規(guī)范。802.15.3工作組的興趣在開發(fā)對比于802.11設備是低成本和低功耗的設備的標準上。（UWB）802.15.3a的目標是要在使用同樣的MAC層上提供比802.15.3更高的數(shù)據(jù)率802.15.4工作組則開發(fā)了一個非常低成本、非常低功耗的比802.15.1數(shù)據(jù)率要低的設備標準。（Zigbee）,IEEE802.15協(xié)議體系結構,三個WPAN標準都有不同的物理層和MAC層規(guī)范,WLAN與WPAN,WPAN考慮的是短距離傳輸，因此功耗和成本較低,4.3藍牙技術簡介,是IEEE802.15.1的基礎，源于1994年愛立信公司的一項研究，旨在在移動電話及其附件之間探求一種新的低功耗、低成本的空中接口。1998年5月，Nokia、Inter、IBM、Toshiba聯(lián)合成立藍牙特殊利益集團(SIG)1999年7月SIG公布了藍牙規(guī)范1.0版1999年12月公布了藍牙規(guī)范1.0b版2001年4月公布了1.1版2003年11月公布了1.2版本2004年8月公布了2.0版本,4.3.1藍牙技術的誕生與發(fā)展,為什么叫藍牙？,藍牙是什么？,藍牙技術優(yōu)點,(1)即插即用，可以隨時隨地地用無線接口代替有線電纜連接；(2)具有很強的移植性，可應用于多種通信場合，如WAP、GSM(全球移動通信系統(tǒng))、DECT(歐規(guī)數(shù)字無繩通信)等，引入身份識別后可以靈活地實現(xiàn)漫游；(3)低功耗，對人體傷害??；(4)藍牙集成電路簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，易于推廣。,工作在2.4G頻段為防止該頻段的干擾，藍牙設計了快速確認和調頻方案，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。支持點對點和點對多點通信，其基本網(wǎng)絡結構是匹克網(wǎng)picnet或微微網(wǎng)，由主設備和從設備構成。主設備提供時鐘同步信號和調頻序列，從設備是受控同步的設備。一個匹克網(wǎng)中有一個主設備和多個從設備。,4.3.3藍牙標準文檔構成,核心規(guī)范(corespecifications):描述了從無線電接口到鏈路控制的不同層次藍牙協(xié)議體系結構的細節(jié)。（互操作性、檢驗、計時器等）概要規(guī)范(profilespecifications):使藍牙技術支持不同的應用模型。概要規(guī)范的目的是定義戶操作性的標準，一般分為兩類：電纜替代（臨近設備的邏輯連接和數(shù)據(jù)交換）、無線音頻（短途語音連接）,4.3.4藍牙協(xié)議體系結構,核心協(xié)議(coreprotocol)形成五層棧,(1)無線電(radio)：確定包括頻率、跳頻的使用、調制模式和傳輸功率在內(nèi)的空中接口細節(jié)。(2)基帶(baseband)：考慮一個微微網(wǎng)中的連接建立、尋址、分組格式、計時和功率控制。(3)鏈路管理器協(xié)議(linkmanagerprotocol，LMP)：負責在藍牙設備和正在運行的鏈路管理之間建立鏈路。這包括諸如認證、加密及基帶分組大小的控制和協(xié)商等安全因素。(4)邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議(logicallinkcontrolandadaptationprotocol，L2CAP)：使高層協(xié)議適應基帶層。L2CAP提供無連接和面向連接服務。(5)服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議(servicediscoveryprotocol，SDP)：詢問設備信息、服務與服務特征，使得在兩個或多個藍牙設備間建立連接成為可能。,RFCOMM：藍牙中的電纜替代協(xié)議，使用虛擬串行端口，并效仿EIA-232控制信號（被廣泛使用的串行端口標準），提供數(shù)據(jù)傳輸。TCS-BIN：藍牙中的電話控制協(xié)議，為語音呼叫和數(shù)據(jù)呼叫定義呼叫控制信令接納協(xié)議：由其他組織定義，被接納進藍牙標準,4.3.5應用模型,大量應用模型定義在藍牙的概要規(guī)范文檔中。本質上，一個應用模型是一套實施特定的基于藍牙的應用的協(xié)議。每個概要文件定義了支持一特定應用模型的協(xié)議和協(xié)議特性。,文件傳輸,撥號聯(lián)網(wǎng),LAN接入,同步,無繩電話或內(nèi)部通信,耳機,4.3.6藍牙應用,連接計算機和其他設備,支持自組織網(wǎng)絡,充當訪問Internet的接入點,構建居家環(huán)境,事例,運動中的連接,4.3.7微微網(wǎng)和散布式網(wǎng)絡,藍牙中的基本聯(lián)網(wǎng)單元是一個微微網(wǎng)，它由一臺主設備和17臺活躍的從設備組成。藍牙使用載波間隔1M的跳頻模式，80M總帶寬可提供80個不同頻率。邏輯信道由跳頻序列定義一個微微網(wǎng)中的設備也可作為另一個微微網(wǎng)的一部分存在，并在每個微微網(wǎng)中，起從設備或主設備功能,這種形式的重疊被稱為散布式網(wǎng)絡(scatternet)。一個區(qū)域內(nèi)的微微網(wǎng)數(shù)量增加，會引起跳頻沖突，性能隨之下降。,主/從關系,無線網(wǎng)絡的配置,4.4藍牙無線電規(guī)范,國際上藍牙的頻率分配,藍牙利用波段中的2.4GHz波段。在大多數(shù)國家，此帶寬足以定義79個1MHz的物理信道,無線電規(guī)范給出類基于輸出功率的發(fā)射器定義:類：最大范圍的輸出為100mW(+20dBm)，最小為1mW(0dBm)在該類發(fā)射器中，功率控制是強制的，范圍為4dBm20dBm此模式提供最大距離類：最大輸出為24mW(+13.8dBm)，最小為0.25mW(-6dBm)。功率控制是可選的類：最小功率名義上的輸出為1mW.,發(fā)射器定義,4.5藍牙基帶規(guī)范,跳頻物理鏈路分組糾錯邏輯信道信道控制藍牙音頻,4.5.1跳頻,目的：(1)它阻礙干擾和多路效應。(2)它為放置在不同微微網(wǎng)中的設備提供多種接入的形式?？値挶环譃?9(幾乎所有國家)個物理信道，每個信道的帶寬為1MHz。在一個偽隨機序列中，通過從一個物理信道跳到另一個物理信道，出現(xiàn)了跳頻(frequencyhopping)。,跳躍序列由微微網(wǎng)中的所有設備共享，稱為一個FH信道。跳躍頻率為1600跳/秒，每條信道的被占時間0.625ms，稱為一個時隙。FH序列由微微網(wǎng)中的主設備決定。相同的物理信道，會導致沖突。,4.5.2物理鏈路,面向同步連接(synchronousconnectionoriented，SCO)：在涉及主設備和一個單獨從設備的點對點連接間分配固定的帶寬。在規(guī)則的間隔中，主設備通過使用預留的時隙維持SCO鏈路。預留的基本單位是兩個連續(xù)的時隙(每個在各自的傳輸方向上)。主設備能支持的并行SCO鏈路高達3個，而從設備能支持2或3個SCO鏈路。SCO分組不重傳。SCO用于保證速率但不要求保證傳送的數(shù)據(jù)。異步無連接(asynchronousconnectionless，ACL)：主設備與微微網(wǎng)中所有從設備間的一條點對多點的鏈路。在未預留給SCO鏈路的時隙中，主設備能與任一以單時隙為基礎的從設備交換分組，包括已在SCO鏈路上的從設備。只有單獨的ACL鏈路可以存在。大多數(shù)ACL分組使用分組重傳。,4.5.3分組,所有藍牙分組由3個字段組成：接入碼、首部、負荷,接入碼：用于計時同步、偏移量補償、尋呼和詢問信道接入碼：標志一個微微網(wǎng)設備接入碼：用于尋呼及其接下來的響應詢問接入碼：用于詢問首部：6個域地址（AM_ADDR）：從設備地址類型：4種控制分組，4種SCO鏈路分組（64k/s的語音數(shù)據(jù)），6種ACL鏈路分組（錯誤保護、用戶數(shù)據(jù)）。還有一種僅由接入碼組成的分組：ID分組，用于查詢和接入過程,流：為ACL通信提供1位流控制機制，流=0，停止ACL，流=1，重新開始傳輸ARQN：為由CRC保護的ACL通信提供確認，如果接收成功，返回ACK，否則返回NAK，重傳SEQN：1位計數(shù)模式，0或1，用于標記已傳送的分組首部差錯控制：8位檢錯碼，用于首部保護,負載格式：語音負載：無首部ACL和SCODV數(shù)據(jù)部分，有首部。數(shù)據(jù)負載3個域：負載首部：單時隙，8位；多時隙，16位負載主體：用戶信息CRC：除了AUX1，都有16位校驗碼首部由3個域組成：L-CH：標識LMP或L2CAP邏輯信道流：控制L2CAP層控制流的開/關長度：負載字節(jié)數(shù)，不包括負載首部和CRC,4.5.4糾錯,藍牙在基帶層使用三種糾錯模式：(1)l/3比例的FEC(forwarderrorcorrection，前向糾錯)。采用3份副本的多數(shù)邏輯(2)2/3比例的FEC。能糾正所有單個錯誤(3)ARQ(automaticrepeatrequest，自動重發(fā)請求)。,4.5.5邏輯信道,(1)鏈路控制(linkcontrol，LC):在所有帶首部的分組中傳遞，用于在鏈路接口管理分組的通信流如ARQ、流控制和負荷特征等控制信息。(2)鏈路管理(linkmanager，LM)：在參與站點之間傳輸鏈路管理信息支持LMP通信，能在SCO、ACL上傳送。(3)用戶異步(userasynchronous，UA)：傳送異步用戶數(shù)據(jù)在ACL鏈路和SCODV分組中傳送(4)用戶等時(userisochronous，UI)：傳送等時用戶數(shù)據(jù)等時：已知周期的計時中重發(fā)數(shù)據(jù)塊相同的用戶數(shù)據(jù)。(5)用戶同步(usersynchronous，US)：傳送同步用戶數(shù)據(jù)在SCO上傳送,4.5.6信道控制,鏈路兩個主要的狀態(tài)：(1)維持(standy)：默認狀態(tài)。這是一個低功率狀態(tài)，只有一個本地時鐘在工作。(2)連接(connection)：設備作為主站或從站連到微微網(wǎng)。,用于增加從站的7個臨時子狀態(tài),(1)尋呼(page)：(2)尋呼掃描(pagescan)(3)主站響應(masterresponse)(4)從站響應(slaveresponse)(5)查詢(inquiry)：查詢范圍內(nèi)設備(6)查詢掃描(inquiryscan)：設備監(jiān)聽查詢(7)查詢響應(inquiryresponse)：,查詢,建立微微網(wǎng)的第一步：主站發(fā)起查詢操作：發(fā)射帶IAC（查詢接入碼）的ID分組在32個（總共79個）喚醒載波中輪流廣播IAC從站周期掃描查詢：處于維持狀態(tài)的從站收到查詢，進入查詢響應狀態(tài)，向主站發(fā)送FHS分組，進入尋呼掃描狀態(tài)主站不立即響應FHS分組，直到所有從站都被發(fā)現(xiàn),尋呼過程,主站掃描發(fā)現(xiàn)所有設備，開始建立微微網(wǎng)：為每臺被尋呼設備建立跳頻序列主站發(fā)送帶DAC（從站設備接入碼）的ID分組進行尋呼從站返回相同DAC作為響應主站發(fā)送FHS分組，包含設備地址和藍牙時鐘值，從站返回確認，進入連接狀態(tài)，開始使用主站分配的跳頻序列。主站繼續(xù)尋呼，直到所有從站連接，主站進入連接,連接狀態(tài),處于連接狀態(tài)從站的四個操作模式：活躍：通過監(jiān)聽、發(fā)送和接收分組，積極參與偵測：只監(jiān)聽報文特定時隙，以較低功率運行保持：不支持ACL分組，可參與SCO，進入較低功率，可參與另一個微微網(wǎng)置停：無需參與微微網(wǎng)，但仍然保留部分時隙，置停的微微網(wǎng)從站可多于7個,狀態(tài)轉換圖,4.5.7藍牙音頻,基帶規(guī)范規(guī)定可以使用兩種語音編碼模式：脈沖代碼調制(pulsecodemodulation,PCM)。連續(xù)可變的斜率增量(continuouslyvariableslopedelta,CVSD)調制。注：由兩個通信設備的鏈路管理器進行選擇。,4.6藍牙鏈路管理器規(guī)范,LMP：負責在藍牙設備和正在運行的微微網(wǎng)間建立鏈路LMP管理主站與從站間的無線電鏈路的各個方面。協(xié)議涉及主站和從站的LMP實體間表現(xiàn)為LMPPDU(protocoldataunit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)形式的報文的交換。報文總是作為單個分組發(fā)送，該分組帶有一位標識報文類型的負載首部，和一個包含與此報文相關的附加信息的負荷實體。為LMP定義的過程被分為24個功能區(qū)，其中每個都涉及一個或多個報文的交換。P112表4.6,通用響應：用于回應其他類型的PDU安全服務：認證：屬于基帶規(guī)范，但涉及LMPPDU交換配對：雙方建立鏈路密鑰改變鏈路密鑰、改變當前鏈路密鑰加密：LMP不涉及鏈路加密，但提供相關服務（如確定加密模式、密鑰大?。r鐘/同步:為不同的微微網(wǎng)參與者提供時鐘同步機制時鐘偏移量詢問：計算FHS分組中主站時鐘與自己的差值時隙偏移量信息：相鄰微微網(wǎng)之間的計時差別,計時精確性詢問站點功能：LMP版本信息、被支持的技術規(guī)范LMP版本被支持的特征，表4.7模式控制：提供模式的管理交換主站/從站角色詢問名字拆除連接保持模式置停模式功率控制。,4.7藍牙邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議,與IEEE802規(guī)范中的邏輯鏈路控制(LLC)相同，L2CAP(logicallinkcontrolandadaptationprotocol，邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議)在共享媒介網(wǎng)絡的實體間提供一個鏈路層協(xié)議。L2CAP為流和差錯控制提供大量服務，它依賴于更低層(基帶層)。L2CAP使用ACL鏈路，它不支持SCO鏈路。通過ACL鏈路，為上層提供2個服務：無連接服務：可靠數(shù)據(jù)報格式服務連接模式服務：為用戶交換數(shù)據(jù)建立邏輯連接，并提供流控制和差錯控制,4.7.1L2CAP信道,三種類型的邏輯信道：(1)無連接(connectionless)：支持無連接服務。每個信道是單向的，該信道類型一般用于主站向多個從站廣播。(2)面向連接(connection-oriented)：支持面向連接的服務。每個信道是雙向的(全雙工)。每個方向中定義一個服務質量(qualityofservice，QoS)的流規(guī)范。(3)信令(signaling)：提供L2CAP實體間信令報文的交換。,實例,L2CAP分組,無連接服務分組：長度信道標識：值為2，表示無連接信道協(xié)議/服務多路復用器（PSM）：標識高層收到分組數(shù)據(jù)信息負荷：高層用戶數(shù)據(jù)面向連接的分組：無PSM域，用CID標識高層收到分組數(shù)據(jù),信令命令分組：與面向連接分組相同格式，CID為1負荷部分由多個L2CAP命令組成，每個命令由4個域組成碼，標識符，長度，數(shù)據(jù),4.7.3信令命令,連接請求：用于建立新的邏輯連接，包含兩個值PSM：此連接的用戶（服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議、RFCOMM、電話控制協(xié)議）CID配置請求：協(xié)商L2CAP傳輸參數(shù)最大傳輸單元（MTU）：請求的發(fā)送者所能接受的最大L2CAP分組負荷，最小46字節(jié)，默認672字節(jié)丟棄超時選項：放棄和丟棄分組之前，發(fā)送者試圖傳輸一個L2CAP分組的時間長度服務質量：,4.7.4服務質量,L2CAP中的QoS參數(shù)定義一個基于RFC1363的通信流規(guī)范。一個流規(guī)范是一套參數(shù)，指出發(fā)送站點試圖達到的性能級別。流規(guī)范的參數(shù)組成：(1)服務類型：指出通信流的服務級別0：無通信1：盡快發(fā)送，但不擔保性能，適用于同步通信2：有擔保的服務，必須符合QoS其余參數(shù)以下兩個參數(shù)定義了QoS中的令牌桶模式(2)令牌速率(字節(jié)/秒)(3)令牌桶的大小(字節(jié)),令牌桶圖解,為接收方預期的峰值和平均通信負荷提供了一個簡明描述，也為發(fā)送方定義了可實現(xiàn)通信流策略。,在任意長的時間長度T中，數(shù)據(jù)發(fā)送量不能超過RT+B如果令牌不足，分組排隊等候桶大小B成為了對允許的突發(fā)數(shù)據(jù)流的衡量度,(4)帶寬峰值(字節(jié)/秒)：限定分組背靠背發(fā)送速度。如令牌桶滿時，分組發(fā)送速度可能超過接收方容量，可通過帶寬峰值限定。(5)等待時間(微秒)(6)時延變化(微秒)：最大時延和最小時延之間的差異，應用通過這個值判斷所需的緩沖空間。,4.8藍牙服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議,在藍牙規(guī)范提出之前，服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議已經(jīng)存在。在藍牙設備的無線網(wǎng)絡中，本地設備發(fā)現(xiàn)、利用遠端設備所提供的服務和功能，并向其它藍牙設備提供自身的服務，這是網(wǎng)絡資源共享的途徑，也是服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議要解決的問題。服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議提供了服務注冊的方法和訪問服務發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的途徑。SIG針對藍牙網(wǎng)絡靈活、動態(tài)的特點，開發(fā)了藍牙專用的服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議。,SDP能夠提供的服務能力,SDP將為客戶提供搜尋所需服務的能力。SDP允許基于服務類型搜索服務。SDP可以執(zhí)行服務瀏覽，而不用預先知道服務特征。SDP將提供一種方法來搜索新的服務。當設備進入客戶設備鄰頻或處于客戶鄰頻的設備的新服務可用時，這些服務才可用SDP將提供一種機制來確定在設備離開客戶設備鄰頻時，或者當處于客戶設備鄰頻的設備上的新服務不可用時，設備在何時變?yōu)椴豢捎谩?客戶服務器交互,服務搜索協(xié)議（SDP）為客戶提供了搜索服務器服務及其屬性（服務類型，所需機制，協(xié)議）的方法。SDP包括SDP服務器與SDP客戶之間的通信。服務器保持一張描述服務器有關服務特征的服務記錄表。每一服務記錄都包含一項服務信息?？蛻艨梢酝ㄟ^發(fā)送SDP請求，從由SDP服務器維護的服務記錄中檢索信息。SDP提供服務發(fā)現(xiàn)機制，但不提供服務使用機制。一臺藍牙設備既可以作為一個SDP服務器，也可以同時作為一個SDP客戶。,服務記錄,服務可以是能提供信息、執(zhí)行動作、控制資源的實質。可以以軟件、硬件或