第11-12講+無線個域網(wǎng)的實現(xiàn)

個域網(wǎng)(PersonalAreaNetwork,PAN)是為人們在個人工作空間實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)的技術(shù)，通常在1～10m距離內(nèi)。無線個域網(wǎng)的目標：實現(xiàn)這種互聯(lián)，并且提供更靈活、更具移動性及更自由的連接以擺脫電纜的束縛。WPAN不同于WLAN，無論在工作范圍還是目前的數(shù)據(jù)容量或WLAN服務(wù)種類，都不能取代以太網(wǎng)類型的本地網(wǎng)。WPN關(guān)注的是個人的信息和連接需求，包括將數(shù)據(jù)從臺式電腦同步到便攜式設(shè)備，便攜式設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，以及為便攜式設(shè)備提供Internet連接等。實現(xiàn)WPAN在技術(shù)上不像WLAN那么復(fù)雜。通常能夠快速建立連接，而且對特定配置的要求很少甚至沒有要求。第10章WPAN標準10.1前言10.2藍牙(IEEE802.15.1)10.3無線USB10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.5IrDA10.6近場通信10.7本章小結(jié)10.1前言用來連接日益增多的各種個人設(shè)備的纜線會使連接中斷、會破損或丟失，這些都會妨礙個人產(chǎn)品的工作。如何消除這些影響已成為發(fā)展個域網(wǎng)的主要動力，自20世紀90年代末以來很多工作組和其他組織都致力于個域網(wǎng)標準的研究。在IEEE內(nèi)部，成立于1999年3月的802.15工作組致力于提供支持具有互操作的低復(fù)雜度、低功耗的設(shè)備標準的研究，這些設(shè)備能夠隨身攜帶或者安置在個人工作場所(PersonalOperatingSpace,POS)，個人工作場所是指一個活動或靜止的人周圍10m范圍內(nèi)。下表描述了由IEEE802.15工作組開發(fā)的WPAN標準。IEEE802.15WPAN標準和任務(wù)組

10.2藍牙(IEEE802.15.1)10.2.1起源及其主要特征10.2.2協(xié)議棧10.2.3藍牙無線通信10.2.4基帶層10.2.5高層協(xié)議10.2.6藍牙的實際應(yīng)用10.2.7藍牙的發(fā)展現(xiàn)狀和展望10.2.1起源及其主要特征對移動電話及其附件間無線連接的研究由愛立信公司在1994年開始的，但是直到四年后，由愛立信、IBM、諾基亞和東芝等公司成立藍牙特殊利益集團(SpecialInterestGroup,SIG)后，這種概念才開始不僅應(yīng)用于移動電話，而且也開始用于PC和其他設(shè)備的連接。1999年，IEEE802.15工作組成立，其任務(wù)是開發(fā)WPAN標準，之后，藍牙SIG成為唯一響應(yīng)802.15的組織，藍牙和IEEE802.15.1不久后成了同一個概念。自從2000年藍牙無線耳機問市，其價格和功耗都大大地降低后。藍牙已成為很多移動電話和PDA的普遍附加特性。藍牙1.1版本是PAN標準：它工作于2.4GHzISM頻段物理層數(shù)據(jù)速率達到1Mbps具有有效的非對稱的721/56kbps的傳輸速率或432kbps的全雙工通信。2004年11月份發(fā)布了藍牙2.0版本：該版本引入了增強數(shù)據(jù)速率(EDR)，使得物理層數(shù)據(jù)速率達到1、2或3Mbps。在一個微微網(wǎng)中，藍牙PAN最多可支持8個藍牙設(shè)備，其中一個作為主設(shè)備，其他七個設(shè)備作為從設(shè)備。因為一個藍牙設(shè)備既可以成為一個微微網(wǎng)中的主設(shè)備又可以成為另一個主設(shè)備的從設(shè)備，因此微微網(wǎng)可以通過共享公共的設(shè)備鏈接形成分散式網(wǎng)絡(luò)。每個設(shè)備管理微微網(wǎng)的720kbps容量，而一個分散式網(wǎng)絡(luò)因為由多個主控設(shè)備控制可以達到更高的分布式數(shù)據(jù)容量。藍牙系統(tǒng)中的皮可網(wǎng)和擴散網(wǎng)MMSSPSSSSSP皮可網(wǎng)2擴散網(wǎng)皮可網(wǎng)1M——主設(shè)備S——從設(shè)備P——擱置的設(shè)備主要藍牙框架

10.2.2協(xié)議棧應(yīng)用藍牙主機協(xié)議棧（軟件）邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）主機控制器接口（HCI）主機控制器接口固件（HCI）鏈路管理協(xié)議（LMP）基帶/鏈路控制（LC）藍牙無線電（PHY）音頻藍牙主機控制器（固件和硬件）10.2.3藍牙無線通信在物理層：藍牙技術(shù)使用IEEE802.15.1無線頻率802.15.1中規(guī)定了每秒跳1600次的跳頻擴頻系統(tǒng)，在2.40～2.48GHzISM頻段之間有79個信道。跳頻模式由主設(shè)備的48比特MAC地址控制。在一些國家，為了遵守本國的使用規(guī)定，跳頻模式減少到只覆蓋23個信道。

藍牙RF發(fā)射功率級別

對于第1級設(shè)備：必須強制性的要求其具有功率控制能力（第2，3級功率控制則是可選的）為了降低干擾，要求發(fā)射設(shè)備具有動態(tài)調(diào)整發(fā)射功率的能力。這同時也有助于降低功耗，增加便攜設(shè)備的電池壽命。功率控制：是通過接收信號強度指示器(RSSI)實現(xiàn)的RSSI判別接收信號是否在定義的“黃金接收功率范圍”內(nèi)，該范圍一般是6～20dB，高于接收機的靈敏度基準。如果接收功率在這個范圍以外，接收機發(fā)送鏈路管理協(xié)議(LMP)指令給發(fā)射機，使其調(diào)整發(fā)射功率。10.2.4基帶層在藍牙協(xié)議棧（參見圖10.2）中，藍牙基帶層：在物理層之上管理物理信道和鏈路：包括藍牙設(shè)備的發(fā)現(xiàn)鏈路連接與管理功率控制。藍牙基帶定義了13種分組類型：其中4種：專門用做傳輸高質(zhì)量的語音和語音+數(shù)據(jù)。每個分組包括：一個68～72比特的接入碼：接入碼用在藍牙設(shè)備發(fā)現(xiàn)期間以及接入到微微網(wǎng)時。一個54比特的分組頭：分組頭攜帶了從設(shè)備的地址以及分組的確認、編號和檢錯等信息。最高2745比特的有效載荷。10.2.4基帶層通過查詢程序和尋呼程序，基帶控制設(shè)備發(fā)現(xiàn)過程。查詢程序：能使得藍牙設(shè)備發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的其他設(shè)備，并判斷它們的地址和時鐘偏移量；尋呼程序：使得主從設(shè)備之間建立連接，并將從設(shè)備的時鐘與主設(shè)備同步。一旦建立連接，藍牙設(shè)備將處于以下四種狀態(tài)中的一種（表10.4給出了簡要描述）：激活呼吸保持及休眠（為了降低功耗）。表10.4藍牙連接狀態(tài)10.2.5高層協(xié)議鏈路管理器協(xié)議主機控制接口邏輯鏈路控制與適配協(xié)議(L2CAP)RFCOMMSDP

鏈路管理器協(xié)議鏈路管理器協(xié)議(LMP)：用來建立和管理基帶連接，包括：鏈路配置認證功率管理功能。這些功能：通過兩個已配對設(shè)備的鏈路管理器之間交換協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)來實現(xiàn)。協(xié)議數(shù)據(jù)單元包括：配對控制、認證、初始化呼吸、保持和休眠模式、功率增加或降低請求，首選的分組編碼的選擇以及優(yōu)化的數(shù)據(jù)吞吐量的大小。

主機控制接口主機控制接口(HostControllerInterface,HCI):為鏈路管理器和基帶層提供了統(tǒng)一的命令接口，允許在兩個硬件之間劃分協(xié)議棧:例如:一個處理器主機高層軟件和一個藍牙模塊。主設(shè)備:執(zhí)行高層協(xié)議軟件的功能；藍牙模塊:主要是完成LMP、基帶層及物理層的功能。這兩部分通過主機控制器傳輸層連接，可以是UART、RS232或USB接口。

邏輯鏈路控制與適配協(xié)議(L2CAP)邏輯鏈路控制與適配協(xié)議:能夠產(chǎn)生高層協(xié)議與基帶協(xié)議之間的邏輯連接;它給信道的每個端點分配信道標識符(ChannelIdentifier,CID)。L2CAP也為高層協(xié)議管理數(shù)據(jù)的分段與重組，高層協(xié)議數(shù)據(jù)包要大于341字節(jié)的基帶最大傳輸單元(MTU)。連接建立的過程包括:設(shè)備之間期望的QoS信息交換。L2CAP監(jiān)控資源的使用來確保達到QoS要求。RFCOMM藍牙RFCOMM協(xié)議:基于ETSITS07.10標準的子集，在L2CAP協(xié)議層之上為電纜替代應(yīng)用提供串口仿真。RFCOMM將串行的比特流組裝成字節(jié)和數(shù)據(jù)分組，提供可靠的排序的串行比特流傳輸;使用請求發(fā)送/清除發(fā)送(RTS/CTS)和數(shù)據(jù)終端準備就緒/數(shù)據(jù)設(shè)置準備就緒(DataTerminalReady/DataSetReady,DTR/DSR)控制信號。應(yīng)用到RFCOMM中的ETSI的標準的一個修改:是基于信譽的流量控制機制。該機制：限制幀的傳輸速率來保證接收設(shè)備的輸入緩沖區(qū)不會溢出。如果一個連接的信譽計數(shù)到0，RFCOMM將停止并等待直到它從接收設(shè)備中得到更多的信譽量，表明輸入緩沖區(qū)能夠接收數(shù)據(jù)。SDP服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP，servicediscoveryprotocol)：在微微網(wǎng)中用來發(fā)現(xiàn)藍牙設(shè)備中的可用服務(wù)，并確定這些可用服務(wù)的屬性。服務(wù)發(fā)現(xiàn)：可以通過請求/響應(yīng)模式來完成。一個應(yīng)用在特定的L2CAP連接上，針對可用的服務(wù)發(fā)出協(xié)議數(shù)據(jù)單元請求信息；然后等待目標設(shè)備的響應(yīng)。服務(wù)發(fā)現(xiàn)：可以針對特定要求的服務(wù)通過搜索、請求信息來實現(xiàn)；也可以針對所有的可用服務(wù)中通過瀏覽、請求信息來實現(xiàn)。10.2.6藍牙的實際應(yīng)用藍牙微微網(wǎng)的建立：是通過設(shè)備發(fā)現(xiàn)過程和主設(shè)備與被發(fā)現(xiàn)的從設(shè)備的配對實現(xiàn)。不斷的重復(fù)上述過程，可以建立含有7個激活的從設(shè)備的藍牙PAN，在休眠狀態(tài)下可以有255個從設(shè)備可保持與微微網(wǎng)的連接。在配對過程中，從設(shè)備會收到一個跳頻同步數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包基于主設(shè)備的48比特MAC地址，目的是讓從設(shè)備遵循這種跳頻模式。一旦這種低等級的連接形成，那么主設(shè)備將會建立起服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)連接：用來確定采用哪個應(yīng)用模型與從設(shè)備建立連接。而后LMP協(xié)議：依據(jù)特定服務(wù)要求來配置鏈路。藍牙PAN（微微網(wǎng)）和相關(guān)應(yīng)用模型的實例

如果上面的例子中的移動電話和藍牙耳機建立了配對：它將在另外一個微微網(wǎng)中成為主設(shè)備，如此這般就形成了散射網(wǎng)。這個移動電話在這兩個微微網(wǎng)中將會時間共享。第一個微微網(wǎng)中，由主設(shè)備為其分配時隙；在第二個微微網(wǎng)中，移動電話輪流為藍牙耳機和其他的配對設(shè)備分配時隙。因為在兩個微微網(wǎng)中，跳頻模式由不同的主設(shè)備的MAC地址決定，因此它們不能相互協(xié)調(diào)工作，當選擇同一個頻率時還會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的碰撞。但這種情況并不經(jīng)常發(fā)生（統(tǒng)計表明，每79×79=6241個數(shù)據(jù)包才發(fā)生一次），因此它對數(shù)據(jù)吞吐量并沒有實際意義的影響。下面通過一個應(yīng)用實例來理解藍牙在實際中的應(yīng)用，給出從開始建鏈到不同的應(yīng)用等一步一步的工作過程，理解這些步驟對于實際工作是非常有用的。(1)藍牙同步PDA應(yīng)用模式：PDA同步

(2)PDA通過藍牙與Internet的連接應(yīng)用模式：PDA與Internet的連接(3)藍牙移動電話撥號上網(wǎng)應(yīng)用模式：通過藍牙移動電話撥號上網(wǎng)

10.2.7藍牙的發(fā)展現(xiàn)狀和展望在與其他基于PAN標準的無線USB和UWB等較高的數(shù)據(jù)速率競爭時，藍牙的FHSS物理層規(guī)范限制了藍牙的應(yīng)用范圍。在藍牙2.0中的數(shù)據(jù)傳輸速率已經(jīng)達到了3Mbps，但是隨著兩個設(shè)備之間所傳輸數(shù)據(jù)容量的不斷增加，用戶期望得到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在2005年5月，藍牙SIG聲明，正與UWB開發(fā)者們協(xié)作增強藍牙的功能，以達到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率來適應(yīng)需要高傳輸速率的應(yīng)用：如在PAN內(nèi)與便攜式設(shè)備傳輸數(shù)字視頻信號。這個發(fā)展的目的是要加強藍牙品牌的效應(yīng)。藍牙品牌被認為具有市場實力，但從消費者的觀點看，后向兼容還是非常昂貴的，因為UWB和目前的2.4GHzFHSS物理層是不能互操作的。10.2.7藍牙的發(fā)展現(xiàn)狀和展望——續(xù)V3.0(2009年):核心是“GenericAlternateMAC/PHY”(AMP)，這是一種全新的交替射頻技術(shù)，允許藍牙協(xié)議棧針對任一任務(wù)動態(tài)地選擇正確射頻。傳輸速率更高功耗更低。V4.0(2010年):包括三個子規(guī)范，即傳統(tǒng)藍牙技術(shù)、高速藍牙和新的藍牙低功耗技術(shù)。藍牙4.0的改進之處主要體現(xiàn)在：電池續(xù)航時間和節(jié)能：使用標準紐扣電池可運行一年乃至數(shù)年有效傳輸距離：最大范圍可超過100米。健壯性：所有數(shù)據(jù)包都使用24-bitCRC校驗，確保最大程度抵御干擾。安全：使用AES-128CCM加密算法進行數(shù)據(jù)包加密和認證。延遲：最短可在3毫秒內(nèi)完成連接設(shè)置并開始傳輸數(shù)據(jù)。10.3無線USB10.3.1起源和主要特征10.3.2協(xié)議棧10.3.3WUSB無線技術(shù)10.3.4媒體接入控制層10.3.5無線USB信道10.3.6無線USB的應(yīng)用10.3.7現(xiàn)狀和未來發(fā)展10.3.1起源和主要特征無線USB：是USB實現(xiàn)者論壇推動的結(jié)果，目的是為了將已經(jīng)很成功的有線USB接口推進到無線領(lǐng)域。無線USB設(shè)計的核心：保持與有線USB之間強大的連接功能。為了促進無線USB的發(fā)展，無線USB推廣組于2004年2月成立，目標是：將USB的簡單易用、兼容性好以及低成本的原理應(yīng)用到高速的無線技術(shù)。使得無線USB(WirelessUSB,WUSB)能在WPAN中處于領(lǐng)先地位。該技術(shù)發(fā)展的資本：USB強大的工業(yè)支持和品牌效應(yīng)。無線USB設(shè)計目標WUSB（無線USB）規(guī)范的1.0版本在2005年5月發(fā)行：使用超寬帶(UWB)無線通信技術(shù)，使物理層數(shù)據(jù)速率達到了480Mbps（3m內(nèi)）；3-10米內(nèi)110Mb/s功耗低；傳輸范圍可達10m。這使得無線UWB可用來：向多媒體消費者電子設(shè)備傳輸較好的視頻數(shù)據(jù)；提供與PC外圍設(shè)備和其他移動設(shè)備之間的高速連接。WUSB設(shè)備：通過基于媒體接入?yún)f(xié)議的主機安排TDMA方式共享帶寬。使用集線器和星形拓撲結(jié)構(gòu)，每個主機支持最多127個設(shè)備；與有線USB一樣，需要設(shè)計出系統(tǒng)軟件來處理任何時候設(shè)備與主機之間的連接或斷開?！半p重”身份的設(shè)備：同樣能夠被定義啟用點對點的連接。10.3.2協(xié)議棧無線USB協(xié)議棧的基礎(chǔ)：是由MBOA-SIG開發(fā)的PHY層和MAC層規(guī)范。自從2005年3月MBOA-SIG和WiMedia聯(lián)盟合并以后，這些規(guī)范被最后確定，并由WiMedia-MBOA聯(lián)盟繼續(xù)發(fā)展。無線USB協(xié)議棧

介質(zhì)訪問控制器（UWBMAC）無線USB驅(qū)動主機控制器接口IP網(wǎng)絡(luò)無線1394其他在USB無線電上運行的技術(shù)匯聚層應(yīng)用超寬帶無線電（UWBPHY）UWB無線電平臺介質(zhì)訪問控制器（UWBMAC）無線USB驅(qū)動主機控制器接口IP網(wǎng)絡(luò)無線1394其他在USB無線電上運行的技術(shù)匯聚層應(yīng)用超寬帶無線電（UWBPHY）UWB無線電平臺10.3.3WUSB無線技術(shù)WUSB物理層：應(yīng)用了MB-OFDM聯(lián)盟(MBOA)的UWB無線技術(shù)，工作在3.1～10.06GHz的頻段上。支持無線USB設(shè)備上強制使用的53.5Mbps,106.7Mbps和200Mbps數(shù)據(jù)速率；附加的高達480Mbps的數(shù)據(jù)速率在設(shè)備上是可選項，而在主機上是強制使用的。支持所有的無線USB設(shè)備:強制使用的1～3頻段（信道1，如圖10.4），支持可選的其他頻段組。必須支持每個頻段組的所有時頻碼(TFC)。10.3.3WUSB無線技術(shù)信道2信道4信道5信道3頻段頻段頻段頻段頻段頻段頻段頻段頻段頻段頻段頻段頻段頻段信道1528MHz寬帶無線USBMBOA頻段10.3.4媒體接入控制層WiMediaMAC關(guān)鍵設(shè)計特性

在下圖所示的超幀結(jié)構(gòu)中定義了MAC層時隙。每65ms的超幀被劃分成256個媒體接入時隙(MediaAccessSlot,MAS)，每個時隙持續(xù)256s。每個超幀中的前導(dǎo)MAS作為信標期:在信標期:設(shè)備根據(jù)他們的能力和資源請求和主機交換信息。在信標期:設(shè)備可以使用分配預(yù)留協(xié)議(DistributedReservationProtocol,DRP),預(yù)留一個或多個媒體接入時隙。使得應(yīng)用時可以保證與數(shù)據(jù)流同步的媒體接入。65ms超幀N-1超幀N超幀N+1信標期間介質(zhì)訪問時隙（MAS）256微秒WiMediaMAC層的超幀結(jié)構(gòu)10.3.5無線USB信道WUSB規(guī)范:定義了無線USB信道的超幀結(jié)構(gòu);定義了超幀結(jié)構(gòu)中相關(guān)的MAS預(yù)留;控制機制中建立的方法。無線USB信道的產(chǎn)生方法：主機通過DRP預(yù)留媒體接入時間的時隙。這樣的時隙可以被集群中的所有設(shè)備用來通信。主機使用一個被稱為微調(diào)度管理指令(Micro-ScheduledManagementCommand,MMC)的控制包序列來控制信道，MMC在預(yù)留的媒體接入時隙中發(fā)送。這些命令用來為集群中主機和設(shè)備之間的通信，動態(tài)地規(guī)劃及控制信道時間。10.3.5無線USB信道MMC（微調(diào)度管理指令）：是一個包含集群ID的廣播數(shù)據(jù)包，使得設(shè)備能夠識別其所屬集群的控制包。每一個MMC規(guī)定了直到下一個MMC時，預(yù)留時間的微調(diào)度信道時間分配(MS-CTA)的分類。在前一個MMC規(guī)定的每個MS-CTA的指導(dǎo)和應(yīng)用下，這些分配可以用來在集群中進行數(shù)據(jù)通信。超幀N-1超幀N超幀N+1DRP信息預(yù)留的MAS下一個MMC下一個MMC下一個MMC處理組1處理組3處理組2圖10.6MAC層超幀中的無線USB信道表10.11無線USB設(shè)備類型

受主機引導(dǎo)的信標設(shè)備要具備以下性能：1.捕獲集群外設(shè)備發(fā)送的控制協(xié)議信息；能夠檢查覆蓋范圍外的WimediaMAC設(shè)備是否出現(xiàn)。2.能通過WUSB信道將信息傳回主機。

受主機引導(dǎo)的信標設(shè)備要具備這些性能，必須支持以下三個功能：1.數(shù)據(jù)包計數(shù)功能：在信標周期內(nèi)，通過周期地計算數(shù)據(jù)包數(shù)目，主機能夠確認一個受引導(dǎo)的信標設(shè)備是否有隱藏鄰點。2.數(shù)據(jù)包捕獲功能：通過捕獲隱藏鄰點的信標，主機可以確認DPR預(yù)留，如果需要,它會調(diào)整自己的預(yù)留。3.數(shù)據(jù)包傳輸功能：在傳輸數(shù)據(jù)時，通過提供適當?shù)男艠藬?shù)據(jù)和引導(dǎo)受引導(dǎo)信標，主機可以通知當前的隱藏鄰點和集群中附近設(shè)備的DPR預(yù)留。這些控制機制同時也能確保多個無線USB集群能夠在空間上以最小的干擾交疊。10.3.6無線USB的應(yīng)用無線USB的一個設(shè)計目標：就是它應(yīng)該保持有線USB“即插即用”的快捷方便的功能。無線概念中的“開機即用”。要求無線USB設(shè)備在第一次使用時，能夠自動地安裝驅(qū)動和安全特性，同時能夠以最小的用戶輸入認證來識別并和其他設(shè)備連接。無線USB的功能：使用星形拓撲結(jié)構(gòu)能讓一個主機可以控制多達127個終端設(shè)備；允許具有雙重角色設(shè)備(DualRoleDevice,DRD)的功能，即同時具有主機和設(shè)備的功能。10.3.6無線USB的應(yīng)用無線USB的功能：允許同時具有主機和設(shè)備的功能。這就使得兩個雙重角色設(shè)備可以通過簡單的點到點方式連接，每一個作為主機角色的設(shè)備通過公用的MAC層信道來管理單獨的無線USB信道（稱之為默認反向鏈接）。DRD還可以作為設(shè)備角色連接到一個或多個無線USB信道，同時作為主機角色為其他設(shè)備提供無線USB信道。例如，無線USB打印機對于筆記本電腦來說是設(shè)備，對于數(shù)碼相機來說是主機。10.3.7現(xiàn)狀和未來發(fā)展盡管無線USB還處于發(fā)展的初始階段，但是，無線USB很可能很快成為PC外圍設(shè)備以及其他消費電子設(shè)備的無線連接標準。打印機，掃描機,外接硬盤和數(shù)碼相機等等，都將沒有任何的電線直接連接到你電腦上。未來最好的選擇：藍牙與WUSB聯(lián)袂實現(xiàn)完美的UWB連接：藍牙可以用作高速（如：文件傳輸）及低速（如：耳機至手機的語音信道）傳輸?shù)膽?yīng)用接口。此外，它還可以用于控制與網(wǎng)絡(luò)維護任務(wù)。實現(xiàn)高速傳輸?shù)淖畹讓?underlyinglayer)是WUSB/UWB組合物理層。利用WUSB作為實現(xiàn)基礎(chǔ)，根據(jù)PAN傳輸?shù)膶Χ嗽O(shè)備具有的功能，高速數(shù)據(jù)傳輸可以由WUSB處理。

10.4ZigBee(IEEE802.15.4)10.4.1起源和主要特征10.4.2協(xié)議棧10.4.3ZigBeePHY層10.4.4媒體接入和鏈路控制層10.4.5ZigBee的實際應(yīng)用10.4.6現(xiàn)狀和未來發(fā)展10.4.1起源和主要特征ZigBee(IEEE802.15.4)：是基于處理遠程監(jiān)控和控制以及傳感器網(wǎng)絡(luò)需求的技術(shù)標準。ZigBee主要用于傳輸?shù)蛿?shù)據(jù)速率的通信：傳輸速率最高為250kbps。工作范圍：30m左右；具有超低的功率損耗：它的目標是提供設(shè)備控制信道，而不像無線USB技術(shù)是以高速率數(shù)據(jù)流信道為目的。ZigBee網(wǎng)絡(luò)所需功率：一般只相當于藍牙PAN功率的1%，所以電池壽命可長達數(shù)月到數(shù)年。

為了實現(xiàn)超低功率損耗，采取了以下的一些具體步驟：減少包括報頭（地址和其他的頭部信息）在內(nèi)的傳輸數(shù)據(jù)量；減少收發(fā)機的任務(wù)周期，包括斷電和睡眠模式中的功率管理機制。ZigBee定義了兩種設(shè)備：一種是完全功能設(shè)備：它實現(xiàn)全部的協(xié)議棧，能夠與節(jié)點同步，具備控制器的功能，能與任何拓撲結(jié)構(gòu)的任意類型的設(shè)備相連；另一種是簡化功能的設(shè)備：它實現(xiàn)簡化的協(xié)議集，在簡單的連接拓撲結(jié)構(gòu)中（星形或點到點結(jié)構(gòu)）只能作為端節(jié)點從FFD發(fā)送/接收信息。ZigBee技術(shù)非常適合于無線監(jiān)控和控制應(yīng)用：目標成本（1～5美元）非常低：例如，個人住宅和商業(yè)樓的自動化（智能家居）以及工業(yè)生產(chǎn)過程的控制。在家庭應(yīng)用中，ZigBee可以用來建立家庭網(wǎng)絡(luò)(HomeAreaNetwork,HAN)，允許在單個控制單元的命令下用擴散的非協(xié)調(diào)遠程控制器去控制多個設(shè)備。10.4.2協(xié)議棧圖10.7ZigBee協(xié)議棧概要ZigBee應(yīng)用框架應(yīng)用支持層（APS）APS安全管理器信息格式端點多路復(fù)用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層（NWK）NWK安全管理器NWK消息代理路由管理器網(wǎng)絡(luò)管理器邏輯鏈路控制邏輯鏈路控制網(wǎng)絡(luò)/安全層的主要作用：建立新網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)的傳輸。對數(shù)據(jù)進行加密，保證數(shù)據(jù)的完整性。支持/應(yīng)用層的主要作用：根據(jù)服務(wù)和需求使多個器件之間進行通信。主要根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開發(fā)。邏輯網(wǎng)絡(luò)控制、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層：都為實時要求高的應(yīng)用進行了優(yōu)化，優(yōu)化措施有：設(shè)備喚醒速度快；Zigbee的響應(yīng)速度較快,網(wǎng)絡(luò)連接時間短，一般分別在15ms和30ms的范圍內(nèi)。相比較,藍牙需要3～10s、WiFi需要3s。網(wǎng)絡(luò)層：負責網(wǎng)絡(luò)的啟動、關(guān)聯(lián)、斷開關(guān)聯(lián)、設(shè)備地址的分配、網(wǎng)絡(luò)安全、幀路由等一般工作。網(wǎng)絡(luò)層可以支持多重的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖10.8所示。通過使用ZigBee路由器，網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)可使網(wǎng)絡(luò)達到64000個節(jié)點，通過請求－響應(yīng)算法達到高效路由，而不是通過路由表。星形連接ZibBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)鏈接ZibBee路由器ZibBee端設(shè)備圖10.8支持ZigBee的拓撲結(jié)構(gòu)ZibBee端設(shè)備與藍牙相似，在協(xié)議棧的頂層，Zigbee應(yīng)用層應(yīng)用模型定義為支持特定的應(yīng)用模式。例如，照明應(yīng)用模型包括：表示光線等級和覆蓋范圍的傳感器負載控制器的開關(guān)和變暗。10.4.3ZigBeePHY層表10.12IEEE802.15.4的無線頻段和數(shù)據(jù)速率2.4GHzISM頻段中的16個非重疊信道允許16個PAN同時工作。物理層：是協(xié)議的最底層，承付著和外界直接作用的任務(wù)。主要目的：控制RF收發(fā)器工作ZigBee的物理信道

10.4.4媒體接入和鏈路控制層媒體接入和鏈路控制層的主要作用：負責設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和結(jié)束；接入方式分兩種：基于競爭的：CSMA/CA無競爭的：由PAN協(xié)調(diào)器按TDMA分配時隙確認模式的數(shù)據(jù)傳送和接收；收不到確認，會重傳。10.4.4媒體接入和鏈路控制層表10.13ZigBee設(shè)備類型10.4.5ZigBee的實際應(yīng)用表10.14ZigBee的應(yīng)用領(lǐng)域ZigBee應(yīng)用實例基于ZigBee技術(shù)的無線三表遠程抄表系統(tǒng)采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。每幢單元樓設(shè)置一個ZigBee遠端節(jié)點；一個小區(qū)設(shè)置一個ZigBee中心節(jié)點ZigBee中心節(jié)點數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA或ADSL上傳到集抄中心10.4.6現(xiàn)狀和未來發(fā)展ZigBee：是傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠程控制領(lǐng)域有競爭力的技術(shù)中的一種。ZigBee的優(yōu)勢：基于IEEE標準；廣泛的工業(yè)聯(lián)盟，保證了它在大量產(chǎn)品中的互操作性。ZigBee聯(lián)盟未來發(fā)展目標中包括了ZigBee2.0規(guī)范，該規(guī)范基于目前由IEEE802.15TGa開發(fā)的增強的低數(shù)據(jù)速率規(guī)范。這個工作小組致力于基于802.15.4標準的可選物理層規(guī)范，目標是1m或者更好的定位精確度、更高的數(shù)據(jù)吞吐量、超低的功率、更遠的范圍以及更低成本。10.4.6現(xiàn)狀和未來發(fā)展——續(xù)目前，ZigBee的開發(fā)以大廈自動化設(shè)備、產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域為目標。尤其在自動儀表領(lǐng)域，ZigBee擁有很高的關(guān)注度。但在家電市場，由于競爭技術(shù)較多，ZigBee得以普及的可能性很低，發(fā)展前景難以預(yù)料。10.5IrDA10.5.1起源和主要特征10.5.2協(xié)議棧10.5.3IrDA物理層10.5.4數(shù)據(jù)鏈接層10.5.5IrDA可選協(xié)議棧10.5.6IrDA的實際應(yīng)用10.5.7IrDA的現(xiàn)狀和未來發(fā)展10.5.1起源和主要特征

紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(IrDA)：作為一個非盈利組織機構(gòu)成立于1993年，其目標是通過發(fā)展和支持一些保證硬件和軟件協(xié)同工作的標準，來促進PC與其他設(shè)備之間的紅外線通信鏈路的使用。IrDA：一種低成本、低功耗的串行數(shù)據(jù)連接標準；支持半雙工、點到點的連接；覆蓋范圍至少1m；數(shù)據(jù)速率最大達115kbps（SIR和標準功率模式）。在2.4GHz頻段，IrDA的工作波長只有1m，而藍牙的工作波長則為12.5cm。與射頻發(fā)射機全方位覆蓋不同的是，IrDA點到點的連接模式要求：Ir收發(fā)機的校準要在±30度的范圍內(nèi)，以便接收機能在要求的最小功率密度啟動（參見圖10.10）。這種物理的要求：使得IrDA非常適合一些應(yīng)用，如安全的簡單對象交換；但是也不適合一些其他的應(yīng)用，如Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)、支持音頻或電話的耳機。圖10.10IrDA設(shè)備校準IrDA端口IrDA設(shè)備半角15°可以；角度未對準，但在波束內(nèi)不可以；角度未對準，但在波束外10.5.2協(xié)議棧IrDA棧：支持數(shù)據(jù)鏈路的初始化、關(guān)閉、連接啟動、斷開連接。設(shè)備地址發(fā)現(xiàn)和沖突解決、數(shù)據(jù)速率協(xié)商以及信息交換。312物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層鏈路管理協(xié)議（IrLMP）鏈路接入?yún)f(xié)議（IrLAP）物理層（IrPHY）圖10.11IrDA強制協(xié)議棧和OSI模型10.5.3IrDA物理層IrDA紅外物理規(guī)范(IrPHY)包括紅外光束的許多方面：波長：規(guī)定紅外線波長為0.85～0.90m；這種波長的光發(fā)射二極管和光學的檢測器容易制造而且成本低。最大最小功率等級；發(fā)光功率mW/sr（毫瓦每弧度），同時規(guī)定了兩種功率模式：在低功耗模式中，鏈路距離可以達到0.2m，最大功率強度可以達到28.2mW/sr；在標準模式中，鏈路距離可以達到1m，最大功率強度可以達到500mW/sr。光束角度；光學組件的物理配置。表10.16IrDA數(shù)據(jù)率和調(diào)制方法時鐘16×比特速率數(shù)據(jù)比特（NRZ）差分歸零制（RZI）比特期間7關(guān)3開6關(guān)16時鐘周期/比特期間圖10.12IR短脈沖（SIRRZI調(diào)制）10.5.4數(shù)據(jù)鏈接層IrDA的兩個強制協(xié)議：鏈接接入?yún)f(xié)議(IrLAP)：IrLAP建立了設(shè)備到設(shè)備的連接；用于在一定范圍內(nèi)控制設(shè)備發(fā)現(xiàn)和設(shè)備尋址。關(guān)于設(shè)備發(fā)現(xiàn)，是設(shè)備隨機的選擇和交換32位的IrLAP地址。IrLAP連接中的設(shè)備擁有主從關(guān)系，主設(shè)備負責發(fā)送命令幀、初始化連接以及傳輸、組織和控制數(shù)據(jù)流，包括處理數(shù)據(jù)鏈路的錯誤。建立最佳的公共數(shù)據(jù)傳輸速率。鏈接管理協(xié)議(IrLMP)：將IrLAP建立的鏈接中的服務(wù)和應(yīng)用多元化；IrLMP還用于解決：當發(fā)現(xiàn)一臺新的設(shè)備要求同樣的IrLAP地址時的地址沖突。10.5.5IrDA可選協(xié)議棧信息訪問服務(wù)（LM-IAS）微傳輸協(xié)議（Tiny-TP）Ir鏈路管理協(xié)議（IrLMP）Ir鏈路訪問協(xié)議（IrLAP）物理層（IrPHY）圖10.13IrDA可選協(xié)議棧Tiny-TP（微傳輸協(xié)議）是中間協(xié)議層，提供簡單的傳輸協(xié)議來控制IrLMP連接上的流量。它同時還提供了分割-重組服務(wù)，來阻止由于有限的設(shè)備緩沖空間而導(dǎo)致的死鎖情況。紅外線電纜替代(IrCOMM)：可以仿真?zhèn)鹘y(tǒng)的串行（并行）端口連接，應(yīng)用于像打印這類的服務(wù)。IrOBEX：是一種可選擇的應(yīng)用層協(xié)議，用來使應(yīng)用能夠交換大量的專用數(shù)據(jù)對象，如文件、電子商務(wù)卡片和數(shù)字圖像。它定義任何文件轉(zhuǎn)換為一般對象；提供工具,使得這些對象在鏈路的接收端可以被正確識別和處理。IrOBEX:扮演類似因特網(wǎng)協(xié)議中超文本傳輸協(xié)議(HypertextTransferProtocol,HTTP)的角色。通過仿真低級別的包括TCP/IP在內(nèi)的以太網(wǎng)連接，IrLAN允許設(shè)備接入局域網(wǎng)。10.5.6IrDA的實際應(yīng)用IrDA是當今應(yīng)用最為廣泛的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該技術(shù)提供了一種簡單而又安全的方法，用于個人計算機和通信設(shè)備之間的文件傳輸，并且一些應(yīng)用緊密相關(guān)：如PDA和筆記本電腦的同步、商務(wù)卡和移動電話的數(shù)據(jù)交換等。10.5.7IrDA的現(xiàn)狀和未來發(fā)展用戶要求：在設(shè)備之間傳輸壓縮的視頻文件，能在不到10秒鐘的時間內(nèi)傳輸播放1小時（100～200MB）的MPEG2（MovingPicturesExpertsGroup，動態(tài)圖像專家組）。消費者能使用移動電話從街上的自動機器上下載視頻內(nèi)容。2003年以來，IrDAIrBurst和超快IR(UltraFastIR,UFIR)特別興趣小組都致力于下一代IrDA規(guī)范的研究：IrDAIrBurst的目標是數(shù)據(jù)速率：達到100Mbps；UFIR的目標是數(shù)據(jù)速率：達到500Mbps。突破目前1m的傳輸范圍的限制，增加IrDA有效的覆蓋范圍。這就使得“移動電話可以作為數(shù)字錢包使用”的應(yīng)用模式能夠在室外使用，能夠應(yīng)用在例如汽車高速公路的收費系統(tǒng)。10.6近場通信10.6.1起源和主要特征10.6.2NFC物理層10.6.3協(xié)議棧10.6.4NFC的實際應(yīng)用10.6.5NFC的現(xiàn)狀及未來發(fā)展10.6.1起源和主要特征近場通信(NFC)：是一個超短范圍的無線通信技術(shù)。它是用磁場感應(yīng)使得兩個物理上接觸的，或者是在幾厘米范圍內(nèi)的設(shè)備能互相通信。目標：通過自動連接和配置實現(xiàn)簡單的點到點的連接。由于距離非常短，NFC設(shè)備之間的通信只需要極低的電場或磁場強度，完全低于正常的噪聲發(fā)射門限，因此它對于使用的頻帶不受授權(quán)限制。

10.6.1起源和主要特征NFC和標準RF無線通信的本質(zhì)區(qū)別在于：RF信號：是在收發(fā)設(shè)備之間傳送的。近場通信：是基于兩個設(shè)備之間的直接磁場或者電場的耦合來實現(xiàn)的，而不是通過無線電波在自由空間的傳播。ECMA340標準：由ECMA共同組織在2004年12月采用，定義了NFC的通信模式，該模式使用工作在13.56MHz中心頻率的感應(yīng)耦合設(shè)備。10.6.2NFC物理層ECMA340規(guī)定:磁場感應(yīng)接口工作在13.56MHz;數(shù)據(jù)速率為106kbps、212kbps和424kbps，它與飛利浦公司的MIFARE?和索尼公司的FeliCa非接觸式智能卡接口相兼容。遠場RF通信中:測量傳輸功率和接收判決門限使用dBm；NFC測量磁場強度(H)：用安培/米(A/m)表示。表10.17ECMA340NFC磁場強度標準ECMA340標準定義了兩種通信模式，主動式和被動式。在主動模式中，通信是由起始設(shè)備（發(fā)起者）產(chǎn)生的RF場發(fā)起的，目標設(shè)備（目標）也產(chǎn)生一個調(diào)制RF場來響應(yīng)發(fā)起者的命令。表10.18列出了主動模式的調(diào)制方式及比特編碼方案。表10.18ECMA340主動模式的調(diào)制和比特編碼方案在被動模式中（表10.19）：發(fā)起者通過RF場開始通信，但是目標設(shè)備通過負載調(diào)制（而不是產(chǎn)生電磁場）進行響應(yīng)。負載調(diào)制（如4.8.4節(jié)所述），發(fā)起設(shè)備的RF場施加到目標設(shè)備從而調(diào)制其負載，這將在初始載波頻率(13.56MHz)兩旁產(chǎn)生邊頻，從而能夠被檢測。表10.19ECMA340被動模式調(diào)制和比特編碼方法10.6.3協(xié)議棧因為NFC沒有提供OSI模型中全部的網(wǎng)絡(luò)特性，因此協(xié)議棧很有限，只有一個簡單傳輸協(xié)議，它定義了：NFC鏈路的激活；數(shù)據(jù)交換；解除激活。單個發(fā)起設(shè)備可以和多個目標設(shè)備相互作用，每個目標設(shè)備在設(shè)備選擇進程的開始階段產(chǎn)生一個40比特的ID。發(fā)現(xiàn)目標設(shè)備ID的過程包括一個解決沖突的進程。當多個目標設(shè)備在同一個時間內(nèi)響應(yīng)時，就可能會產(chǎn)生沖突，特別是在被動模式中（參見圖10.14）。數(shù)據(jù)比特（響應(yīng)者1）數(shù)據(jù)比特（響應(yīng)者2）結(jié)合的響應(yīng)曼切斯特編碼檢測的比特（發(fā)起者）隨機重發(fā)延時隨機重發(fā)延時前兩個比特被成功檢測磁撞檢測發(fā)起者傳輸重傳請求下兩個比特被成功檢測磁撞檢測重傳請求圖10.14NFC多響應(yīng)設(shè)備的碰撞檢測通過使用曼切斯特編碼，可以進行比特級的碰撞檢測。因為在一個完全比特周期，沒有感知到電平的轉(zhuǎn)變時就檢測到了碰撞。這種情況僅僅發(fā)生在當一個目標設(shè)備發(fā)送的0比特與另外一個目標設(shè)備發(fā)送的1比特沖突時。沖突發(fā)生之前接收的比特可被恢復(fù)，目標設(shè)備被要求從不可恢復(fù)的比特開始重發(fā)數(shù)據(jù)。響應(yīng)的目標設(shè)備，使用隨機延時來確保這個過程不會陷入重復(fù)的碰撞循環(huán)中。10.6.4NFC的實際應(yīng)用表10.20NFC的使用模式10.6.4NFC的實際應(yīng)用表10.20NFC的使用模式10.6.5NFC的現(xiàn)狀及未來發(fā)展商業(yè)應(yīng)用的NFC：在德國Hanau的公交車系統(tǒng)的運輸票務(wù)和付費；臺灣的“臺北密集運輸系統(tǒng)”。這些試驗是基于諾基亞NFC構(gòu)架，被嵌入在諾基亞3220移動電話里。目前的規(guī)劃：是未來的數(shù)據(jù)速率達到1.7Mbps，接近藍牙2.0的3Mbps。10.7本章小結(jié)物理層數(shù)據(jù)速率（Mbps）WUSB（可選的）WUSB（強制的）藍牙類1藍牙類3藍牙類2圖10.15PAN技術(shù)：范圍對比數(shù)據(jù)速率第11章無線個域網(wǎng)實現(xiàn)11.1無線PAN的技術(shù)選擇11.2試驗測試11.3無線PAN安全11.4第四部分總結(jié)11.1無線PAN的技術(shù)選擇11.1.1確定用戶需求11.1.2確定技術(shù)需求11.1.3評估現(xiàn)有的技術(shù)11.1.1確定用戶需求

11.1.1確定用戶需求

11.1.2確定技術(shù)需求

11.1.2確定技術(shù)需求

11.1.3評估現(xiàn)有的技術(shù)

表11.3PAN技術(shù)特性比較11.2試驗測