第2章-2 無(wú)線個(gè)域網(wǎng)

2.2無(wú)線個(gè)域網(wǎng)與IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)第2章無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)2本節(jié)內(nèi)容簡(jiǎn)介☆無(wú)線個(gè)域網(wǎng)概述☆無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)☆I(lǐng)EEE802.15技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)☆無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的協(xié)議☆無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)3無(wú)線個(gè)域網(wǎng)概述個(gè)域網(wǎng)的基本概念

個(gè)域網(wǎng)(PersonalAreaNetwork，PAN)，是一種范圍較小的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，主要用于計(jì)算機(jī)設(shè)備之間的通信，還包括電話和個(gè)人電子設(shè)備等

PAN的通信范圍往往僅幾米，也可用于連接多個(gè)網(wǎng)絡(luò)

PAN被看作是最后一米的解決方案

無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WirelessPAN，WPAN)是一種采用無(wú)線連接的個(gè)域網(wǎng)

WPAN主要通過(guò)無(wú)線電或紅外線代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線電纜，實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端的互聯(lián)，組建個(gè)人信息網(wǎng)絡(luò)4無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的基本概念

WPAN是為了實(shí)現(xiàn)活動(dòng)半徑小(如幾米)、業(yè)務(wù)類型豐富、面向特定群體的連接而提出的新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

WPAN是一種與無(wú)線廣域網(wǎng)(WWAN)、無(wú)線城域網(wǎng)(WMAN)、無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)并列但覆蓋范圍更小的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示：5WPAN(802.15)10米以內(nèi)

WLAN(802.11)100米以內(nèi)WMAN(802.16)數(shù)千米WWAN(802.20)15千米四種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系與通信范圍

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WPAN主要應(yīng)用于個(gè)人用戶工作空間，其位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈的末端，用于實(shí)現(xiàn)同一地點(diǎn)終端與終端間的連接。從技術(shù)角度分析，WPAN系統(tǒng)通?？煞譃橐韵?個(gè)層次： ①應(yīng)用軟件和程序 ②固件和軟件棧 ③基帶裝置 ④無(wú)線電收發(fā)7

WPAN的主要特點(diǎn)有：

①高數(shù)據(jù)速率并行鏈路：>100Mbps

②鄰近終端之間的短距離連接：典型為1~10m ③標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線或電纜橋路與外部因特網(wǎng)或廣域網(wǎng)的連接 ④典型的對(duì)等式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ⑤中等用戶密度8無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的分類

通常將WPAN按傳輸速率分為低速、高速和超高速三類，如下圖所示:無(wú)線個(gè)域網(wǎng)低速WPAN高速WPAN超高速WPAN通信速率：0.25Mbps通信距離：10m工作頻率：2.4GHz通信速率：55Mbps通信距離：10m工作頻率：2.4GHz通信速率：110/200/480Mbps通信距離：10m、4m和4m以下工作頻率：3.1GHz~10.6GHz9 ●低速WPAN主要為近距離網(wǎng)絡(luò)互連而設(shè)計(jì)，采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)率低、通信距離近、功耗低、成本低，被廣泛用于工業(yè)監(jiān)測(cè)、辦公和家庭自動(dòng)化及農(nóng)作物監(jiān)測(cè)等 ●高速WPAN適合大量多媒體文件、短時(shí)的視頻和音頻流的傳輸，能實(shí)現(xiàn)各種電子設(shè)備間的多媒體通信 ●超寬帶WPAN的目標(biāo)包括支持IP語(yǔ)音、高清電視、家庭影院、數(shù)字成像和位置感知等信息的高速傳輸，具備近距離的高速率、較遠(yuǎn)距離的低速率、低功耗、共享環(huán)境下的高容量、高可擴(kuò)展性等10無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

WPAN的關(guān)鍵技術(shù)包括IrDA、HomeRF、UWB、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)等

IrDA(紅外)技術(shù)

IrDA是利用紅外線進(jìn)行通信的技術(shù)，最高通信速率僅115.2kbps，主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需申請(qǐng)頻率使用權(quán)，通信成本低廉，具有體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用等特點(diǎn)

超寬帶(UWB)技術(shù)

超寬帶(UltraWideBand，UWB)是一種基于IEEE802.15.3的超高速、短距離無(wú)線接入技術(shù)，通信范圍在10米范圍內(nèi)，能實(shí)現(xiàn)每秒數(shù)百兆位的數(shù)據(jù)傳輸率，具有抗干擾性強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬大、消耗電能低、保密性好等眾多優(yōu)勢(shì)11

HomeRF技術(shù)

HomeRF是數(shù)字無(wú)繩電話技術(shù)與WLAN技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物，它采用共享無(wú)線連接協(xié)議(ShareWirelessAccessProtocol，SWAP)，工作在2.4GHzISM頻段

藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙能支持短距離(如10米內(nèi))無(wú)線通信，能在手機(jī)、PDA、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等之間進(jìn)行信息交換，其工作于2.4GHzISM頻段，數(shù)據(jù)速率為1Mbps，采用時(shí)分雙工傳輸方案12

ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種短距離、低功率、低速率無(wú)線接入技術(shù)，工作于2.4GHzISM頻段，傳輸速率為20~250kbps，傳輸距離為10~100mZigBee終端節(jié)點(diǎn)ZigBee中心節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)1節(jié)點(diǎn)2節(jié)點(diǎn)3節(jié)點(diǎn)4PC控制節(jié)點(diǎn)5星型ZigBee網(wǎng)絡(luò)

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五種WPAN關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)

技術(shù)指標(biāo)藍(lán)牙HomeHFIrDAUWBZigBee工作頻段2.4GHz2.4GHz紅外線3.1~10.6GHz2.4GHz傳輸速率1Mbps6~10Mbps16Mbps480Mbps20~250kbps通信距離10m50m1m10m10~100m應(yīng)用前景中中一般好好14IEEE802.15技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

●IEEE、ITU等組織都致力于WPAN標(biāo)準(zhǔn)的制定，其中IEEE的研究重點(diǎn)主要是IEEE802.15系列，它也是目前最權(quán)威的WPAN標(biāo)準(zhǔn)，具體由802.15工作組負(fù)責(zé)制定，其分為7個(gè)任務(wù)組，如下表所示：15802.15子工作組工作內(nèi)容802.15.1藍(lán)牙1.x版802.15.2WLAN與WPAN共存802.15.3高速數(shù)據(jù)率802.15.3a超寬帶(UWB)802.15.4低數(shù)據(jù)速率及ZigBee802.15.5網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh)802.15.6用于醫(yī)療的人體內(nèi)無(wú)線通信SGrfidRFID在WPAN的應(yīng)用IEEE802.15任務(wù)組16

☆802.15.1標(biāo)準(zhǔn)

802.15.1本質(zhì)上是藍(lán)牙低層協(xié)議的一個(gè)正式標(biāo)準(zhǔn)化版本，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定工作仍由藍(lán)牙特別興趣組負(fù)責(zé)。

☆802.15.2標(biāo)準(zhǔn)

802.15.2標(biāo)準(zhǔn)制定了一個(gè)共存模型，以量化WPAN和WLAN的沖突。802.15.2實(shí)際上是一個(gè)策略建議，推薦了一系列解決WPAN與WLAN互干擾的技術(shù)策略和方案，主要可分為協(xié)同共存和非協(xié)同共存兩種。17

☆802.15.3標(biāo)準(zhǔn)

802.15.3-2003是針對(duì)高速WPAN制定的無(wú)線MAC層和物理層規(guī)范，允許WPAN在家中連接多達(dá)上百個(gè)無(wú)線應(yīng)用設(shè)備，傳輸速度可達(dá)11~55Mbps，適合多媒體數(shù)據(jù)傳輸，有效距離可達(dá)100m

☆802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

802.15.4-2006標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)低速WPAN。該標(biāo)準(zhǔn)以低功耗、低速率傳輸、低成本為目標(biāo)，旨在為個(gè)人或家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備間的低速互連提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，目前正不斷發(fā)展18IEEE802.15協(xié)議簇802.15.1藍(lán)牙協(xié)議

☆基帶協(xié)議 負(fù)責(zé)建立微型網(wǎng)內(nèi)各藍(lán)牙設(shè)備之間的物理收發(fā)鏈路

☆鏈路管理協(xié)議(LMP)

負(fù)責(zé)設(shè)備之間鏈路的建立和控制，包括控制和協(xié)商基帶分組的大小、安全、電源模式、設(shè)備周期性控制 ☆邏輯鏈路控制與適配協(xié)議(L2CAP)

支持上層協(xié)議復(fù)用、分組的分段和重組、服務(wù)質(zhì)量 ☆服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)19802.15.4/ZigBee路由協(xié)議

☆基本思想 為達(dá)到低成本、低功耗、可靠性高等設(shè)計(jì)目標(biāo)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用了Cluster-Tree與按需距離矢量(AODV)路由相結(jié)合的路由算法，但ZigBee使用的AODV與自組織網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)典AODV協(xié)議并不完全相同，可看做是一種簡(jiǎn)化版的AODV，即AODVjr。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可按照父子關(guān)系(舊節(jié)點(diǎn)允許新節(jié)點(diǎn)通過(guò)其加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，即形成父子關(guān)系)使用Cluster-Tree算法選擇路徑，即當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到分組后發(fā)現(xiàn)該分組不是給自身的，則只能轉(zhuǎn)發(fā)給它的父節(jié)點(diǎn)或者子節(jié)點(diǎn)20

☆Cluster-Tree

Cluster-Tree是一種由協(xié)調(diào)器展開(kāi)生成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適于節(jié)點(diǎn)靜止或移動(dòng)較少的場(chǎng)合，屬于靜態(tài)路由，無(wú)需存儲(chǔ)路由表

☆A(yù)ODVjr

AODVjr算法考慮了節(jié)能、簡(jiǎn)便等因素，簡(jiǎn)化了AODV的一些特點(diǎn)，但仍保持了AODV的原始功能，下圖所示為AODVjr工作過(guò)程。21AODVjr工作過(guò)程：ABHBICJEGDKF源節(jié)點(diǎn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)RREQ傳播路由請(qǐng)求包廣播路線

22ABHBICJEGDKF源節(jié)點(diǎn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)路由應(yīng)答包返回路線

23ABHBICJEGDKF源節(jié)點(diǎn)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)信息數(shù)據(jù)分組數(shù)據(jù)包和確認(rèn)包傳輸路徑

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☆

AODVjr的性能特點(diǎn)

①為減少控制開(kāi)銷和簡(jiǎn)化路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，未使用目標(biāo)節(jié)點(diǎn)序列號(hào)

②AODVjr無(wú)先驅(qū)節(jié)點(diǎn)列表，從而簡(jiǎn)化了路由表結(jié)構(gòu) ③如果鏈路中斷，AODVjr采用本地修復(fù)

④節(jié)點(diǎn)不發(fā)送HELLO分組，僅根據(jù)收到分組或MAC層提供的信息更新鄰居節(jié)點(diǎn)列表25

☆ZigBee路由

ZigBee路由中可將節(jié)點(diǎn)分為兩類：RN+和RN-。RN+指具有足夠存儲(chǔ)空間和能力執(zhí)行AODvjr路由協(xié)議的節(jié)點(diǎn)，RN-則指其存儲(chǔ)空間受限、無(wú)執(zhí)行AODVjr路由協(xié)議能力的節(jié)點(diǎn)，RN-收到一個(gè)分組后只能用Cluster-Tree算法處理

☆路由建立過(guò)程 ①節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建并向周圍節(jié)點(diǎn)廣播RREQ分組，如果收到RREQ的節(jié)點(diǎn)是RN-節(jié)點(diǎn)，就按Cluster-Tree路由轉(zhuǎn)發(fā)該分組。如為RN+節(jié)點(diǎn)，則根據(jù)RREQ信息建立相應(yīng)的路由發(fā)現(xiàn)表?xiàng)l目和路由表?xiàng)l目(在路由表中建立一個(gè)指向RREQ源節(jié)點(diǎn)的反向路由)，繼續(xù)廣播分組；26

②節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ前會(huì)計(jì)算將RREQ發(fā)送給鄰節(jié)點(diǎn)與本節(jié)點(diǎn)之間的鏈路開(kāi)銷，并將它加到RREQ中存儲(chǔ)的鏈路開(kāi)銷上，將更新后的鏈路開(kāi)銷存入路由發(fā)現(xiàn)表?xiàng)l目中； ③一旦RREQ到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或其父節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)就向RREQ的源節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)RREP分組(RN-節(jié)點(diǎn)也可回復(fù)RREP，但不記錄路由信息)，RREP應(yīng)沿已建立的反向路徑向源節(jié)點(diǎn)傳輸，收到RREP的節(jié)點(diǎn)建立到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的正向路徑并更新相應(yīng)路由；27 ④節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREP前，會(huì)計(jì)算反向路徑中下一跳與本節(jié)點(diǎn)間的鏈路開(kāi)銷，并將它加到RREP中存儲(chǔ)的鏈路開(kāi)銷上。當(dāng)RREP到達(dá)相應(yīng)RREQ的發(fā)起節(jié)點(diǎn)時(shí)，路由建立過(guò)程結(jié)束。28無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)ZigBee的分層協(xié)議棧

802.15.4和ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)：應(yīng)用層應(yīng)用接口層安全層網(wǎng)絡(luò)層MAC層物理層用戶ZigBee聯(lián)盟802.15.4ZigBeeProfiles網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)鏈路層802.15.4MAC802.15.4LLC/802.2LLC868/915PHY2400PHY802.15.4和ZigBee分層協(xié)議架構(gòu)

物理層☆物理(PHY)層物理層定義了物理無(wú)線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無(wú)線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)。

物理層數(shù)據(jù)服務(wù)五方面的功能：

（1）激活和休眠射頻收發(fā)器；

（2）信道能量檢測(cè)（energydetect）；

（3）檢測(cè)接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（linkqualityindication,LQI）；

（4）空閑信道評(píng)估（clearchannelassessment,CCA）；

（5）收發(fā)數(shù)據(jù)。30

☆

PHY層定義3個(gè)載波頻段27個(gè)信道用于收發(fā)數(shù)據(jù)：868MHz1個(gè)信道、915MHz10個(gè)信道、2450MHz16個(gè)信道31

☆介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)層

主要有以下功能：

1）采用CSMA/CA機(jī)制來(lái)訪問(wèn)物理信道

2）協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)

3）支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)與取消關(guān)聯(lián)

4）協(xié)調(diào)器產(chǎn)生信標(biāo)幀，普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步

5）實(shí)現(xiàn)間接傳輸

6）兩個(gè)MAC實(shí)體間提供數(shù)據(jù)可靠傳輸

7）可選的時(shí)槽保障

GTS支持

8）支持無(wú)線信道通信安全機(jī)制關(guān)聯(lián)：指一個(gè)設(shè)備在加入一個(gè)特定網(wǎng)絡(luò)時(shí)，向協(xié)調(diào)點(diǎn)注冊(cè)及身份認(rèn)證的過(guò)程。MAC層技術(shù)

☆MAC層數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

1）CSMA/CA傳輸機(jī)制

2）應(yīng)答重傳機(jī)制（RTS/CTS/ACK）

☆3種MAC層數(shù)據(jù)傳輸模式

1）普通節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)點(diǎn)；

2）協(xié)調(diào)點(diǎn)到普通節(jié)點(diǎn)；

3）對(duì)等節(jié)點(diǎn)間。

☆MAC層通信模式

1）信標(biāo)使能模式：通過(guò)信標(biāo)幀實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)點(diǎn)同步。

2）非信標(biāo)使能模式：使用傳統(tǒng)的CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行訪問(wèn)控制。1、MAC層數(shù)據(jù)傳輸模式設(shè)計(jì)目的

用最低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)在多噪聲無(wú)線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。2、MAC層幀格式34ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)組建網(wǎng)絡(luò)、為新加入節(jié)點(diǎn)分配地址、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)等功能，可支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

☆ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置

在網(wǎng)絡(luò)配置上，ZigBee有3類節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)點(diǎn)必須是FFD，路由節(jié)點(diǎn)也必須是FFD，終端節(jié)點(diǎn)可以是FFD或者RFD。35

☆ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、網(wǎng)狀型和樹(shù)型

①星型結(jié)構(gòu)。由一個(gè)協(xié)調(diào)點(diǎn)、一或多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成

②網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)。若干FFD之間是完全的對(duì)等通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可與通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，有一個(gè)會(huì)被推薦為協(xié)調(diào)點(diǎn)

③樹(shù)型結(jié)構(gòu)。節(jié)點(diǎn)可采用Cluster-Tree路由傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，末端葉節(jié)點(diǎn)一般為RFD36(a)星型結(jié)構(gòu)(b)網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)(c)樹(shù)型結(jié)構(gòu)FFDRFDZigBee的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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☆ZigBee的應(yīng)用層 應(yīng)用層包括：應(yīng)用支持(APS)、應(yīng)用框架(AF)、設(shè)備對(duì)象(ZDO)。

APS的主要功能包括：協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的處理、APS數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制、節(jié)點(diǎn)間的應(yīng)用對(duì)象綁定。AF為各用戶定義的應(yīng)用對(duì)象提供模板式的活動(dòng)空間，為每個(gè)應(yīng)用對(duì)象提供了鍵值對(duì)服務(wù)和報(bào)文服務(wù)兩種服務(wù)。ZDO可看作是一種公共應(yīng)用，提供了一個(gè)公共功能集，供用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象調(diào)用APS服務(wù)及網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)，主要功能包括設(shè)備服務(wù)發(fā)現(xiàn)等。38ZigBee的組網(wǎng)過(guò)程：

1）具有ZigBee