第4章國際標(biāo)準(zhǔn)WSN芯片

第4章國際標(biāo)準(zhǔn)與WSN芯片1國際標(biāo)準(zhǔn)與WSN芯片——提綱無線標(biāo)準(zhǔn)與IEEE802.15.4Zigbee標(biāo)準(zhǔn)與802.15.4Zigbee芯片功能介紹其他WSN芯片介紹2無線接入標(biāo)準(zhǔn)概述無線通信技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)三大趨勢：寬帶化、移動化和IP化3無線接入標(biāo)準(zhǔn)概述（續(xù)）4無線接入3G標(biāo)準(zhǔn)5無線——WiFi國際標(biāo)準(zhǔn)802.11n802.11a/g802.11b802.116無線——wifi標(biāo)準(zhǔn)比較7無線標(biāo)準(zhǔn)——WIFI頻段使用ISM頻段802.11a802.11n8無線標(biāo)準(zhǔn)——WIFIMIMO核心是SpatialDivisionMultiplexing利用空間上獨立的多組收發(fā)天線來發(fā)送和接收多條數(shù)據(jù)流（spatialstreams），從而以數(shù)據(jù)流倍數(shù)提高了吞吐。802.11n標(biāo)準(zhǔn)定義了最高可支持4條空間流。AP側(cè)典型的是3×3，網(wǎng)卡側(cè)典型的是2×2.9無線標(biāo)準(zhǔn)——WIFIMIMO效能3×3、2×3和2×2的性能差異三根天線豈不是要比兩根天線整整快50%？沒有那么多，因為實際速率受其它參數(shù)的影響，但是由于3×3用的發(fā)射天線更多，可以使實際性能比2×3最多高20%左右。注：增加天線的個數(shù)可以提高空間分集的正交性。10無線標(biāo)準(zhǔn)——WIFIMIMO效能3×3主流的原因3×3天線是性價比最高的選擇。如果繼續(xù)增加發(fā)送和接收天線的數(shù)目，對傳輸速率的影響很小，從上圖可以看出，如果使用3×4甚至4×4模式，系統(tǒng)的性能增加的很少，但系統(tǒng)的成本卻直線上升，這個成本的增加體現(xiàn)在兩方面，一方面是硬件系統(tǒng)復(fù)雜度增加，另一方面是系統(tǒng)耗電的增加和功耗增加帶來的散熱問題等。11無線標(biāo)準(zhǔn)——WIFIOFDMOFDM技術(shù)是一種多載波調(diào)頻技術(shù)，其主要思想是：將信道分為若干個正交子信道，然后將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，并調(diào)制到每個子信道上進(jìn)行傳輸，在接收端分開正交信號并減少子信道間干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，所以它們的頻譜是相互重疊的，這樣一來不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率與數(shù)據(jù)傳輸率。11a/g所使用的OFDM提供48個子通道（可用的），MIMO－OFDM提供了52個子通道（可用的），從而將速率從54Mbps提高到65Mbps.12無線標(biāo)準(zhǔn)——WIFIAPWA2612-AGN室內(nèi)型WA2610X-GN室外型WA2610E-AGN復(fù)雜型WA2620E-AGNWA2610-AGN13無線——藍(lán)牙國際標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙的概念

藍(lán)牙(Bluetooth)是由東芝、愛立信、IBM、Intel和諾基亞于1998年5月共同提出的近距離無線數(shù)字通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其目標(biāo)是實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速度1Mb／s(有效傳輸速度為721kb／s)、最大傳輸距離為10米，用戶不必經(jīng)過申請便可利用2.4GHz的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻帶，在其上設(shè)立79個帶寬為1MHz的信道，用每秒鐘切換1600次的頻率、滾齒方式的頻譜擴(kuò)散技術(shù)來實現(xiàn)電波的收發(fā)。14無線——藍(lán)牙協(xié)議棧15無線——藍(lán)牙國際標(biāo)準(zhǔn)4.0藍(lán)牙4.0為藍(lán)牙3.0的升級標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙4.0最重要的特性是省電科技，極低的運行和待機(jī)功耗可以使一粒紐扣電池連續(xù)工作數(shù)年之久。此外，低成本和跨廠商互操作性，3毫秒低延遲、100米以上超長距離、AES-128加密等諸多特色，可以用于計步器、心律監(jiān)視器、智能儀表、傳感器物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域，大大擴(kuò)展藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用范圍。藍(lán)牙4.0依舊向下兼容，包含經(jīng)典藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范和最高速度24Mbps的藍(lán)牙高速技術(shù)規(guī)范。三種技術(shù)規(guī)范可單獨使用，也可同時運行?，F(xiàn)在的藍(lán)牙4.0已經(jīng)走向了實用，在最新款的MacBookAir上已經(jīng)應(yīng)用了藍(lán)牙4.0技術(shù)。16無線——藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)4.0超低的峰值、平均和待機(jī)模式功耗－使用標(biāo)準(zhǔn)紐扣電池可運行一年乃至數(shù)年－低成本－不同廠商設(shè)備交互性－無線覆蓋范圍增強(qiáng)17無線標(biāo)準(zhǔn)——802.15.4系列標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4系列標(biāo)準(zhǔn)簡介IEEE802.15.4-2006國際標(biāo)準(zhǔn)主要對IEEE802.15.4-2003國際標(biāo)準(zhǔn)的物理層進(jìn)行修改，在868/915Mhz頻帶上傳輸O-QPSK和ASK調(diào)制，允許在信標(biāo)為起始的PAN中隊廣播信息進(jìn)行同步，確保傳輸作為重要的工作方式的選擇以及網(wǎng)絡(luò)建立等。威訊紫晶公司擁有基于該標(biāo)準(zhǔn)的MAC層軟件。IEEE802.15.4c國際標(biāo)準(zhǔn)主要是針對中國市場而制定的物理層和介質(zhì)鏈路層技術(shù)規(guī)范，是對原IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。在物理層和介質(zhì)鏈路層的核心技術(shù)規(guī)范上，專門針對中國無線管理委員會開放的780MHz頻段進(jìn)行了補(bǔ)充。在物理層技術(shù)規(guī)范上，支持O-QPSK和MPSK兩種調(diào)制方式，數(shù)據(jù)率支持250kbps，總共信道帶寬共計10MHz，分為四個子信道，每個子信道占用2MHz帶寬。在介質(zhì)連路曾技術(shù)規(guī)范上，沿用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范。IEEE802.15.4e國際標(biāo)準(zhǔn)主要是對IEEE802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)連路層技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了補(bǔ)充了修改，進(jìn)一步改善CSMA機(jī)制的性能，利用新規(guī)范的超幀結(jié)構(gòu)來加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信信能和對網(wǎng)絡(luò)變化的魯棒性。18無線標(biāo)準(zhǔn)——802.15.4系列標(biāo)準(zhǔn)（續(xù)）IEEE802.15.4g國際標(biāo)準(zhǔn)將在介質(zhì)連路層技術(shù)規(guī)范上得到進(jìn)一步加強(qiáng)，更加針對特定行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的升級。標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新點：IEEE802.15.4c國際標(biāo)準(zhǔn)在物理層和介質(zhì)鏈路層的核心技術(shù)規(guī)范上，專門針對中國無線管理委員會開放的780MHz頻段，除了將原有IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層和介質(zhì)鏈路層技術(shù)為該頻段進(jìn)行修改外，還經(jīng)過多次討論和論證，正式將中國無線個域網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)采納為可選標(biāo)準(zhǔn)，在國際標(biāo)準(zhǔn)的層面正式全面接受包含自主知識產(chǎn)權(quán)的中國國家標(biāo)準(zhǔn)和核心技術(shù)。主要內(nèi)容體現(xiàn)在物理層技術(shù)規(guī)范上，同時支持基于原IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的O-QPSK調(diào)制方式，還支持中國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的MPSK調(diào)制方式。這是中國標(biāo)準(zhǔn)首次被國際標(biāo)準(zhǔn)采納為其核心技術(shù)規(guī)范體系。IEEE802.15.4e標(biāo)準(zhǔn)在介質(zhì)鏈路層方面通過對超幀的進(jìn)一步定義和優(yōu)化，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)通信對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化的魯棒性，更加高效的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)新節(jié)點的加入和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴EEE802.15.4g標(biāo)準(zhǔn)則是針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在綠色電網(wǎng)行業(yè)方面的應(yīng)用，對介質(zhì)層技術(shù)規(guī)范提出改進(jìn)，以適應(yīng)特性應(yīng)用需求的網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)實現(xiàn)。19無線標(biāo)準(zhǔn)——802.15.4系列標(biāo)準(zhǔn)（續(xù)）中國相關(guān)企業(yè)主導(dǎo)制定通過的國際和國家標(biāo)準(zhǔn)?IEEE802.15.4b于2006年正式發(fā)布并被定為IEEE802.15.4-2006?IEEE802.15.4c標(biāo)準(zhǔn)編號是IEEEStd802.15.4c-2009，已于2009年3月正式頒布?GB/T15629.15.2010國家標(biāo)準(zhǔn)已于2010年10月正式頒布

中國相關(guān)企業(yè)正在參與制定的國際標(biāo)準(zhǔn)?IEEE802.15.4e標(biāo)準(zhǔn)已于2008年3月正式立項，預(yù)計2012年正式完成出版?IEEE802.15.4g標(biāo)準(zhǔn)已于2009年底完成立項，預(yù)計2012年正式完成出版?IEEE802.15.4K標(biāo)準(zhǔn)在2010年底完成立項?IEEE802.15.4j標(biāo)準(zhǔn)在2010年底完成立項?無線醫(yī)用傳感網(wǎng)頻譜使用規(guī)范20無線標(biāo)準(zhǔn)——802.15.4概述21無線標(biāo)準(zhǔn)——802.15.4特點數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒~250KB/秒，專注于低傳輸應(yīng)用功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用6~24個月

成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本

網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個設(shè)備。時延短：通常時延都在15ms~30ms安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）有效范圍?。河行Ц采w范圍10~75米，具體依據(jù)實際發(fā)射功率大小和各種不同的應(yīng)用模式而定工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段傳輸可靠：采用碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留專用時隙。22IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)：為在個人操作空間（POS）內(nèi)相互連通的無線設(shè)備提供通信標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15任務(wù)組TG1：制定IEEE802.15.1標(biāo)準(zhǔn)（藍(lán)牙無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)）；中等速率、近距離的WPAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。TG2：制定IEEE802.15.2標(biāo)準(zhǔn)，研究IEEE802.15.1與IEEE802.11（無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)）的共存問題TG3：制定IEEE802.15.3標(biāo)準(zhǔn)，研究高傳輸速率WPAN標(biāo)準(zhǔn)。TG4：制定IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，研究低速WPAN標(biāo)準(zhǔn)。23IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的主要特征：實現(xiàn)20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四種不同的傳輸速率；支持星型和點到點兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在網(wǎng)絡(luò)中采取兩種地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是有協(xié)調(diào)器分配的，64位地址是全球唯一的擴(kuò)展地址；采用可選的時槽保障（GuaranteedTimeSlots，GTS）機(jī)制；采用帶沖突避免的載波偵聽多路訪問（Carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA-CA）的信道訪問機(jī)制；支持ACK機(jī)制以保證可靠傳輸；低功耗機(jī)制；信道能量檢測（EnergyDetection，ED）；鏈路質(zhì)量指示（Linkqualityindication，LQI）；工作在ISM頻段上，其中在2450MHz波段上有16個信道，在915MHz波段上有30個信道，在868MHz上有3個信道；數(shù)據(jù)安全策略。24IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)：在一個POS內(nèi)使用相同無線信道并通過IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)相互通信的設(shè)備集合。全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD）協(xié)調(diào)器：與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：成員身份管理、鏈路信息管理、分組轉(zhuǎn)發(fā)25IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器持續(xù)供電，其他設(shè)備電池供電適合家庭自動化、個人計算機(jī)外圍設(shè)備、個人康護(hù)護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用26IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)點到點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任何兩個設(shè)備之間都可以通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)管理鏈路狀態(tài)信息、認(rèn)證設(shè)備身份等功能允許多跳路由的方式傳輸數(shù)據(jù)適合于設(shè)備分布范圍廣的應(yīng)用（工業(yè)檢測與控制）27IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4協(xié)議棧架構(gòu)基于開放系統(tǒng)互連模型（OSI）每一層都實現(xiàn)部分通信功能，并向高層提供服務(wù)物理層由射頻收發(fā)器和底層的控制模塊組成數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通訊的服務(wù)接口特定服務(wù)的聚合子層（SSCS）為IEEE802.15.4的MAC層接入IEEE802.2標(biāo)準(zhǔn)中定義的鏈路控制子層（LLC）子層提供聚合服務(wù)LLC為應(yīng)用層提供鏈路層服務(wù)28IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)功能概述超幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸模型MAC層幀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)可靠傳輸機(jī)制低功耗策略數(shù)據(jù)的安全服務(wù)29IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以超幀為周期組織LR-WPAN內(nèi)設(shè)備間的通訊信標(biāo)幀包含超幀將持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息超幀將時間劃分為活躍和不活躍兩個部分不活躍階段：設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)活躍階段：信標(biāo)幀發(fā)送時段、競爭訪問時段和非競爭訪問時段；劃分為16個等長時槽CSMA-CA訪問機(jī)制；30802.15.4標(biāo)準(zhǔn)解讀802.15.4-2006802.15.4a-2007802.15.4a-200731無線標(biāo)準(zhǔn)——802.15.4特點局限：普通的CSMA-CA的空口效率低，吞吐量小，即使GTS模式，也相對較低。節(jié)點睡眠調(diào)度簡單，省電有限；路由發(fā)現(xiàn)復(fù)雜，路由開銷大；MAC協(xié)議棧相對復(fù)雜，對動態(tài)組網(wǎng)的支持有限；完整安全框架實現(xiàn)復(fù)雜；優(yōu)點：有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)依托；開發(fā)廠商多，有參考協(xié)議棧；芯片成熟且比較豐富；信息安全框架較為完善；32國際標(biāo)準(zhǔn)與WSN芯片——提綱無線標(biāo)準(zhǔn)與IEEE802.15.4Zigbee標(biāo)準(zhǔn)與802.15.4Zigbee芯片功能介紹其他WSN芯片介紹33Zigbee協(xié)議棧與802.15.4標(biāo)準(zhǔn)34什么是zigbee

ZigBee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。802.15.4強(qiáng)調(diào)的就是省電、簡單、成本又低的規(guī)格。802.15.4的物理層（PHY）采用直接序列展頻（DSSS，DirectSequenceSpreadSpectrum）技術(shù)，將一個bit符號擴(kuò)展為多個符合，再經(jīng)由成幀后發(fā)送。在媒體存取控制（MAC）層方面，主要是沿用WLAN中802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA方式。所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，會先檢查信道是否有數(shù)據(jù)傳輸，若信道無數(shù)據(jù)傳輸，則開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸動作，若有產(chǎn)生碰撞，則稍后重新再傳。可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。

ZigBee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設(shè)備控制等。35zigbee標(biāo)準(zhǔn)解讀zigbee-2008詳細(xì)講述標(biāo)準(zhǔn)的文檔結(jié)構(gòu)36Zigbee與802.15.4ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)的

802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的、有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)。IEEE802.15.4僅處理MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。一個真正的ZigBee，由ZigBeeAlliance所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)絡(luò)層（NetworkLayer）、安全層（SecurityLayer）、應(yīng)用層（ApplicationLayer）、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料（Profile）；而由國際電子電機(jī)工程協(xié)會（IEEE）所制訂的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，則是定義了物理層（PHYLayer）及媒體存取層（MediaAccessControlLayer；MACLayer）。ZigBee協(xié)議套件的基本需求：

8位處理器協(xié)議套件軟件需要32K字節(jié)的ROM

最小協(xié)議套件軟件需要4K字節(jié)的ROM

通常，網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點需要更多的RAM，以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等37Zigbee聯(lián)盟簡介ZigBee聯(lián)盟組成成立于2001年9月成員為半導(dǎo)體廠商、無線IP供應(yīng)商、OEM廠商及終端用戶擁有150個成員，包括飛思卡爾、菲利普、三菱、三星、IBM及華為等ZigBee聯(lián)盟的宗旨在一個開放式全球標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上使穩(wěn)定的、低成本的、低功耗的、無線聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控和控制產(chǎn)品成為可能……38Zigbee聯(lián)盟CompXs

為了推動ZigBee技術(shù)的發(fā)展，Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee聯(lián)盟(ZigBeeAlliance)，包括有許多IC設(shè)計、家電、通訊設(shè)備、IP服務(wù)提供、玩具等廠商相繼加入,目前該聯(lián)盟已經(jīng)包含150多家會員。39Zigbee應(yīng)用低速無線設(shè)備·

TV·

VCR·

DVD·

CD

·

鼠標(biāo)·

鍵盤·

操作桿

·

保安·

HVAC·

照明·

門禁

·

玩具·

游戲器具

·

監(jiān)視·

診斷·

傳感器工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)消費電子個人健康監(jiān)護(hù)·

監(jiān)視·

傳感器·