物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)（智能家居）-短距離無(wú)線通信技術(shù)

短距離無(wú)線通信技術(shù)目錄短距離無(wú)線通信技術(shù)概述藍(lán)牙ZigbeeWLAN概述無(wú)線通信技術(shù)的起源和系統(tǒng)組成無(wú)線電波的傳播特性短距離無(wú)線通信技術(shù)無(wú)線通信技術(shù)的起源1864年，麥克斯韋建立了電磁理論；1888年，赫茲通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在；1896年，馬可尼發(fā)明了無(wú)線電報(bào)，并于1901年完成了跨域大西洋的通信實(shí)驗(yàn)，從而推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)入了無(wú)線通信時(shí)代。發(fā)展至今，通過(guò)衛(wèi)星通信、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信等技術(shù)，人們幾乎可以把所有類(lèi)型的信息發(fā)送到世界的各個(gè)角落。無(wú)線通信技術(shù)深刻地影響到了人們的工作和生活。系統(tǒng)組成

典型的無(wú)線通信系統(tǒng)包括信源、發(fā)送設(shè)備、傳輸信道、接收設(shè)備和信宿等五個(gè)部分無(wú)線電波的傳播特性無(wú)線電波是一種電磁波，以開(kāi)放的方式在自由空間中傳播，速度為3

108m/s，同樣也具有直射、反射、繞射和散射等波的特性。為了避免同一區(qū)域多個(gè)用戶使用的無(wú)線電波相互干擾，就需要將頻率根據(jù)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行分配，以避免頻率使用方面的混亂。無(wú)線電波頻率是一種有限的非耗損性資源，因此世界各國(guó)均設(shè)有專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分配和管理。無(wú)線電波的傳播特性無(wú)線電波分布在3KHz到300GHz之間，不同頻段具有不同的傳播特性。頻率低的無(wú)線電波在傳播過(guò)程中的損耗小，傳播距離遠(yuǎn)并且繞射能力強(qiáng)，但低頻段的頻率資源有限，系統(tǒng)容量小。高頻段的頻率資源比較豐富，系統(tǒng)容量大，但頻率越高傳播損耗就越大，傳播距離近并且繞射能力弱，同時(shí)高頻段的技術(shù)難度大、成本高。頻段名稱(chēng)頻率范圍波段波長(zhǎng)范圍極低頻（ELF）3~30Hz極長(zhǎng)波107m~108m超低頻（SLF）30~300Hz超長(zhǎng)波106m~107m特低頻（ULF）300~3000Hz特長(zhǎng)波100~1000km甚低頻（VLF）3~30kHz甚長(zhǎng)波10~100km低頻30~300kHz長(zhǎng)波1~10km中頻300~3000kHz中波100~1000m高頻3~3MHz短波10~100m甚高頻30~300MHz超短波1~10m特高頻300~3000MHz微波分米波0.1~1m超高頻30~3GHz厘米波1~10cm極高頻30~300GHz毫米波1~10mm至高頻300~3000GHz亞毫米波0.1~1mm無(wú)線電波的傳播特性按照發(fā)射天線到接收天線的傳播途徑的不同，無(wú)線電波傳播主要方式有直達(dá)波傳播、地波傳播和天波傳播等3種短距離無(wú)線通信技術(shù)短距離無(wú)線通信技術(shù)目前并沒(méi)有嚴(yán)格的定義。一般意義上，單跳有效傳輸距離在百米以內(nèi)，通信收發(fā)雙方通過(guò)無(wú)線電波傳輸信息，組網(wǎng)技術(shù)靈活的通信技術(shù)，就可以被稱(chēng)為短距離無(wú)線通信技術(shù)。短距離無(wú)線通信技術(shù)具有低功率、低成本、低復(fù)雜度、體積小、可用頻率多等特點(diǎn)。工作頻率多為免付費(fèi)、免申請(qǐng)的全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（Industrial,ScientificandMedical,ISM）頻段，不需要申請(qǐng)頻率資源使用許可證，同時(shí)設(shè)備價(jià)格低廉；終端之間采用無(wú)中心、自組織的對(duì)等通信模式；適用范圍廣，可根據(jù)不同應(yīng)用需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，特別適用于頻率資源稀缺的環(huán)境，所以應(yīng)用場(chǎng)景眾多。市場(chǎng)名稱(chēng)藍(lán)牙ZigbeeWLAN對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)名稱(chēng)802.15.1802.15.4802.11b帶寬720kbit/s20~250kbit/s>11Mbit/s傳輸距離（米）1~101~1001~100電池壽命（天）1~7100~1000<1占用系統(tǒng)資源250kB4kB~32kB>1MB網(wǎng)絡(luò)規(guī)模7255~6553532應(yīng)用范圍電纜替代品工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化文本和圖片傳輸藍(lán)牙藍(lán)牙的起源和特點(diǎn)傳統(tǒng)藍(lán)牙低功耗藍(lán)牙藍(lán)牙的起源和特點(diǎn)1998年，愛(ài)立信、諾基亞、東芝、IBM和Intel五家公司成立了特別興趣小組（SpecialInterestGroup,SIG）來(lái)聯(lián)合開(kāi)展一種短距離、低成本的無(wú)線通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作以歷史上頗具傳奇色彩的丹麥國(guó)王哈拉德二世的名字“藍(lán)牙”來(lái)命名，表達(dá)了將該技術(shù)推廣至全世界的信心。技術(shù)指標(biāo)傳統(tǒng)藍(lán)牙低功耗藍(lán)牙通信距離10~100米50米空中數(shù)據(jù)速率1~3Mbit/s1Mbit/s應(yīng)用吞吐量0.7~2.1Mbit/s0.2Mbit/s語(yǔ)音能力有無(wú)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞稚⒕W(wǎng)星形耗電量比例10.01~0.5信道數(shù)目7940最大操作電流<30mA<15mA建立連接時(shí)間6s3ms休眠電流損耗10μA4μA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目7~16777184無(wú)限傳統(tǒng)藍(lán)牙

傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范采用了靈活開(kāi)放的原則設(shè)計(jì)協(xié)議和協(xié)議棧。為保證種類(lèi)繁多的藍(lán)牙設(shè)備和應(yīng)用之間能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通，所有設(shè)備都要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，但并不要求必須實(shí)現(xiàn)全部協(xié)議，應(yīng)用可以根據(jù)自身需求選擇其他協(xié)議。在高層協(xié)議的設(shè)計(jì)方面，藍(lán)牙盡可能重用現(xiàn)存的協(xié)議，而不是重新設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)新協(xié)議，所以藍(lán)牙中包含了很多已經(jīng)穩(wěn)定成熟的協(xié)議。藍(lán)牙協(xié)議棧的靈活性和開(kāi)放性保障了設(shè)備制造廠商快速開(kāi)發(fā)多種多樣的兼容藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的軟硬件應(yīng)用。傳統(tǒng)藍(lán)牙協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)低功耗藍(lán)牙低功耗藍(lán)牙BLE是一種新型的超低功耗無(wú)線傳輸技術(shù)，功耗和傳輸速率是其重點(diǎn)提升的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，低功耗藍(lán)牙的峰值功耗僅為以前版本的1/2，一顆紐扣電池就能支持使用了藍(lán)牙4.0的電子設(shè)備正常工作一年以上。藍(lán)牙4.0規(guī)范定義了兩種實(shí)現(xiàn)方式：?jiǎn)文＃╯ingle-mode）方式和雙模（dual-mode）方式。雙模方式的芯片將低功耗藍(lán)牙協(xié)議集成到傳統(tǒng)藍(lán)牙控制器之中，實(shí)現(xiàn)兩種藍(lán)牙的共存共用；單模方式的芯片僅采用低功耗藍(lán)牙協(xié)議，降低了設(shè)備功耗，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)ZigbeeZigbee起源和特點(diǎn)Zigbee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Zigbee起源和特點(diǎn)

2002年，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣、美國(guó)摩托羅拉公司和荷蘭飛利浦公司共同組建Zigbee聯(lián)盟目標(biāo)是基于IEEE802.15.4通信標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)一種低成本、低速率、低功耗、低延遲、自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)該名稱(chēng)來(lái)源于蜜蜂（bee）通過(guò)折線（Zigzag）的之字舞與同伴共享花粉位置信息的現(xiàn)象，比較貼切地反映了Zigbee的技術(shù)特點(diǎn)2004年12月，Zigbee1.0版規(guī)范發(fā)布，隨后Zigbee聯(lián)盟又陸續(xù)通過(guò)了Zigbee2006、ZigbeePro和Zigbee3.0等規(guī)范Zigbee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Zigbee基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的通信功能來(lái)構(gòu)建低功耗、低成本的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。為了進(jìn)一步降低設(shè)備硬件成本，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)備分為全功能設(shè)備FFD和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD兩種。FFD可以充當(dāng)任一種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而RFD只能作為終端節(jié)點(diǎn)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以采用三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)浜蜆?shù)形拓?fù)鋃igbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)WLANWLAN的起源和特點(diǎn)WLAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)WLAN物理層WLANMAC層WLAN的起源和特點(diǎn)

WLAN（WirelessLAN）是基于IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的以無(wú)線信道為傳輸媒介的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)幫助用戶擺脫網(wǎng)線的限制，為用戶提供靈活、穩(wěn)定、高速和安全的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)用戶的筆記本電腦、平板電腦和智能手機(jī)等電子設(shè)備可以在生活和工作的各個(gè)場(chǎng)所通過(guò)WLAN便捷高效地共享文件，并且方便靈活地接入互聯(lián)網(wǎng)WLAN已成為眾所周知的和應(yīng)用最為廣泛的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Wi-Fi（WirelessFidelity），即無(wú)線保真，是為改善IEEE802.11無(wú)線設(shè)備互通性所成立的聯(lián)盟及其品牌的名稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)發(fā)布時(shí)間頻帶（GHz）最大帶寬調(diào)制方式兼容性802.111997.62.4~2.4852Mbit/sDSSS802.11802.11a1999.95.1~5.854Mbit/sOFDM802.11a802.11b1999.92.4~2.48511Mbit/sDSSS802.11b802.11g2003.62.4~2.48554Mbit/sDSSS或OFDM802.11b/g801.11n2009.102.4~2.485或5.1~5.8100Mbit/sOFDM802.11a/b/g/nWLAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最常使用的是基礎(chǔ)架構(gòu)模式（Infrastructure）。在該模式中，一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)AP和多個(gè)處于同一區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)主機(jī)采用星形拓?fù)浣M成基本服務(wù)集（BasicServiceSet，BSS）。每個(gè)AP被指定一個(gè)服務(wù)集標(biāo)識(shí)符（ServiceSetIDentifier，SSID），并周期性地對(duì)外廣播自己的SSID和MAC地址。網(wǎng)絡(luò)主機(jī)通過(guò)搜索接收到的SSID來(lái)識(shí)別AP并且選擇希望加入的網(wǎng)絡(luò)。在選擇過(guò)程中，如果沒(méi)有人為指定，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)通常會(huì)選通信質(zhì)量最好的AP。AP負(fù)責(zé)管理無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和接收、緩存、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)之間經(jīng)過(guò)AP來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。同時(shí)，AP可使用網(wǎng)線接入骨干有線網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)，并作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)，由此BSS內(nèi)的無(wú)線主機(jī)可以與外界網(wǎng)絡(luò)互連，且與有線網(wǎng)絡(luò)主機(jī)一樣，具有同等的網(wǎng)絡(luò)功能，可以通過(guò)路由器訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。BSS是WLAN網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元，多個(gè)BSS能夠同時(shí)連接有線網(wǎng)，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。AP通常由交流電持續(xù)供電，功率強(qiáng)，覆蓋半徑達(dá)上百米。，WLAN支持的另一常用的組網(wǎng)方式是點(diǎn)到點(diǎn)（Peer-to-Peer）模式，或稱(chēng)對(duì)等模式。對(duì)等模式采用靈活的組網(wǎng)方式，不需要固定的AP組建網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而是由WLAN網(wǎng)絡(luò)主機(jī)通過(guò)自組織的方式自發(fā)建立網(wǎng)絡(luò)，并且使用多跳的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)。在此模式中，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)既要利用網(wǎng)絡(luò)傳輸自己高層應(yīng)用的數(shù)據(jù)包，又要像路由器一樣緩存和轉(zhuǎn)發(fā)其他網(wǎng)絡(luò)主機(jī)的數(shù)據(jù)包，也就是說(shuō)，既是網(wǎng)絡(luò)功能的使用者，又是網(wǎng)絡(luò)功能的提供者。對(duì)等模式具有靈活強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但由于缺少了AP的集中管理，對(duì)等模式網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)路由的復(fù)雜度較高

WLAN物理層IEEE802.11b/g工作在ISM的2.4~2.4835GHz頻段，頻率干擾現(xiàn)象非常嚴(yán)重。802.11標(biāo)準(zhǔn)將該頻段83.5MHz的帶寬劃分為14個(gè)信道，每個(gè)信道的頻寬為22MHz，相鄰信道中心頻率的間隔為5MHzCH1在頻譜上和CH2、CH3、CH4、CH5都有重疊的部分，因此如果有一臺(tái)無(wú)線主機(jī)工作在CH1，而同時(shí)另一臺(tái)主機(jī)工作在CH2~CH5的其中之一的話，兩臺(tái)主機(jī)發(fā)出的信號(hào)會(huì)互相干擾。為避免這種情況的發(fā)生，802.11規(guī)定頻段存在重疊關(guān)系的相鄰信道不能同時(shí)被使用?；谶@個(gè)原則，同一區(qū)域只有3個(gè)信道是相互都不重疊的，如CH1、CH6和CH11，所以最多只能同時(shí)使用3個(gè)信道。由于各國(guó)對(duì)于實(shí)際使用的2.4GHzWLAN信道的規(guī)定不同，比如美國(guó)和加拿大只開(kāi)放CH1~CH11，歐洲和中國(guó)則開(kāi)放CH1~CH13，而日本開(kāi)放CH1~CH14，因此CH1、CH6和CH11是普遍被同時(shí)使用的3個(gè)信道。IEEE802.11工作的5GHz頻段被劃分為23個(gè)非重疊信道。WLANMAC層IEEE802.11的數(shù)據(jù)鏈路層包含邏輯鏈路控制層（LLC）和介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）兩個(gè)子層，并且采用了IEEE802.2定義的LLC子層。802.11MAC層采用的CSMA/CA技術(shù)與802.3以太網(wǎng)的CSMA/CD技術(shù)類(lèi)似，同樣使用載波偵聽(tīng)多路復(fù)用（CarrierSenseMultipleAccess，CSMA）。隱藏終端是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)常見(jiàn)現(xiàn)象，產(chǎn)生的原因在于無(wú)線通信