無線短距離通信 柴遠(yuǎn)波 課件全套 第1-8章 無線短距離通信概述 - 無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線短距離通信應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容第1章無線短距離通信概述第2章

WI-FI技術(shù)及其應(yīng)用第3章

ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用第4章藍(lán)牙技術(shù)及其應(yīng)用第5章UWB技術(shù)和60GHz通信技術(shù)第6章無線短距離通信主動傳輸技術(shù)第7章無線短距離通信與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)第8章無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線短距離通信概述引言短距離無線通信的特點(diǎn)及典型技術(shù)電波傳播模型引言無線通信系統(tǒng)模型引言無線通信的關(guān)鍵問題通信的兩大目標(biāo)：可靠性、有效性不可再生的無線頻譜資源惡劣的無線信道環(huán)境：損耗、衰落、干擾、多普勒、多徑效應(yīng)等節(jié)點(diǎn)的移動性、資源分配與管理無線通信的歷史1831Faraday發(fā)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換現(xiàn)象1864Maxwell奠定了電磁場理論的基礎(chǔ)1886Hertz驗(yàn)證了電磁波波動傳播特性1895Marconi演示長波傳輸?shù)臒o線電報(bào)1920Marconi發(fā)現(xiàn)短波及電離層反射現(xiàn)象1921美國底特律警察局首先將無線電臺裝于汽車上開創(chuàng)了移動通信的先河引言無線通信的歷史（續(xù)）1946年，出現(xiàn)了以基地臺為中心，覆蓋幾十公里半徑區(qū)域的大區(qū)制移動電話網(wǎng)1979年多區(qū)制蜂窩移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)80年代第一代模擬制的蜂窩系統(tǒng)90年代第二代全數(shù)字蜂窩移動系統(tǒng)、衛(wèi)星移動系統(tǒng)二十一世紀(jì)初第三代多媒體蜂窩移動系統(tǒng)如今第五代蜂窩移動系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)引言無線與移動通信成為信息技術(shù)研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)；短距離無線通信技術(shù)有了更為廣泛的應(yīng)用空間；WIFI、藍(lán)牙、ZigBee、移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)、超寬帶(UWB)以及短距離物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等各種熱點(diǎn)技術(shù)相繼出現(xiàn)；展現(xiàn)出各自巨大的應(yīng)用潛力。引言短距離無線通信特點(diǎn)低功耗（LowPower）由于應(yīng)用的便攜性和移動特性，低功耗是基本要求；另一方面，多種短距離無線通信應(yīng)用可能處于同一環(huán)境之下，如WLAN和微波RFID，在滿足服務(wù)質(zhì)量的要求下，要求有更低的輸出功率，避免造成相互干擾。短距離無線通信特點(diǎn)低成本（LowCost）：

短距離無線通信與消費(fèi)電子產(chǎn)品聯(lián)系密切，低成本是其能否推廣和普及的重要決定因素。此外，如RFID和WSN應(yīng)用，需要大量使用或大規(guī)模敷設(shè)，成本成為技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵。短距離無線通信特點(diǎn)多為室內(nèi)環(huán)境下（IndoorEnvironments）應(yīng)用：

與其它無線通信不同，由于作用距離限制，大部分短距離應(yīng)用的主要工作環(huán)境是在室內(nèi)，特別是WPAN應(yīng)用。短距離無線通信特點(diǎn)使用ISM頻段

考慮到產(chǎn)品和協(xié)議的通用性及民用特性，短距離無線通信技術(shù)基本上使用免許可證ISM（Industrial，ScientificandMedical）頻段。短距離無線通信特點(diǎn)電池供電（BatteryDrived）的收發(fā)裝置

短距離無線通信應(yīng)用設(shè)備一般都有小型化、移動性要求。在采用電池供電后，需要進(jìn)一步加強(qiáng)低功耗設(shè)計(jì)和電源管理技術(shù)的研究。典型的短距離無線通信技術(shù)ZigBee技術(shù)一種新興的低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，用于近距離無線連接。

ZigBee適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，如遙控、傳感器等，滿足工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)和醫(yī)用設(shè)備控制等領(lǐng)域的特定需求。例如，在無線傳感器環(huán)境中眾多傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，只需要很少的能量，以接力的方式將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了兩個(gè)物理層：一個(gè)采用2.4GHz波段及跳頻技術(shù)；另一個(gè)868/915MHz直接序列擴(kuò)頻（相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳送率為20～40Kbps）。典型的短距離無線通信技術(shù)ZigBee技術(shù)功耗低—在待機(jī)模式下，兩節(jié)5號電池可用半年～2年；速率低－基本速率是250kb/s；當(dāng)降低到28kb/s時(shí)，傳輸范圍可擴(kuò)大到134米，并獲得更高的可靠性；成本低—Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，又無專利費(fèi)，所以成本大為降低；網(wǎng)絡(luò)容量大—每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備；時(shí)延短—通常時(shí)延為15～30毫秒；安全性—Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128；有效覆蓋范圍10～75米之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率大小和各種不同應(yīng)用模式而定，能夠覆蓋普通家庭或辦公室環(huán)境。典型的短距離無線通信技術(shù)ZigBee技術(shù)根據(jù)ZigBee聯(lián)盟的觀點(diǎn)，ZigBee家庭應(yīng)用如下：

（1）空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制器,燈光、窗簾的自動控制；

（2）老年人與行動不便者的緊急呼叫器；

（3）電視與音響的萬用遙控器,無線鍵盤、鼠標(biāo)、玩具等；

（4）煙霧偵測器；

（5）智慧型標(biāo)簽。

典型的短距離無線通信技術(shù)IEEE802.11b（Wi-Fi）工作在2.4GHz，峰值傳輸速率為11Mbps，實(shí)際傳輸速率在5Mbps左右；直接序列擴(kuò)頻，無需直線傳播。Wi-Fi技術(shù)典型的短距離無線通信技術(shù)Wi-Fi技術(shù)IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)主要是對物理層(PH)和媒質(zhì)訪問控制層(MAC)進(jìn)行了規(guī)定，其中對MAC層的規(guī)定是重點(diǎn)。各廠商產(chǎn)品在同一物理層上可以互操作，邏輯鏈路控制層(LLC)是一致的，即MAC層以下對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用是透明的。典型的短距離無線通信技術(shù)Wi-Fi技術(shù)對等解決方案對等解決方案是一種最簡單的應(yīng)用方案，只要給每臺PC安裝一片無線網(wǎng)卡，即可相互訪問。如需與有線網(wǎng)絡(luò)連接，可以為其中一臺PC再安裝一片有線網(wǎng)卡，無線網(wǎng)中其余PC即利用這臺PC作為網(wǎng)關(guān)，訪問有線網(wǎng)絡(luò)或共享打印機(jī)等設(shè)備。典型的短距離無線通信技術(shù)Wi-Fi技術(shù)單接入點(diǎn)解決方案

接入點(diǎn)相當(dāng)于有線網(wǎng)絡(luò)中的集線器。無線接入點(diǎn)可連接周邊無線終端，形成星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過10Base-T端口與有線網(wǎng)絡(luò)相連，使整個(gè)無線網(wǎng)終端都能訪問有線網(wǎng)絡(luò)的資源，并可通過路由器訪問Internet。典型的短距離無線通信技術(shù)Wi-Fi技術(shù)多接入點(diǎn)解決方案

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，超過了單個(gè)接入點(diǎn)的覆蓋半徑時(shí)，可以采用多個(gè)接入點(diǎn)分別與有線網(wǎng)絡(luò)相連，從而形成以有線網(wǎng)絡(luò)為主干的多接入點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)，所有無線終端可以通過就近的接入點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，訪問整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源，從而突破無線網(wǎng)覆蓋半徑的限制。

UWB技術(shù)又被稱為脈沖無線電發(fā)射技術(shù)。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的定義，是指在3.1G-10.6G頻段內(nèi)占用10dB/帶寬大于500MHz的無線發(fā)射方案。UWB技術(shù)典型的短距離無線通信技術(shù)UWB技術(shù)曾被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和遙感領(lǐng)域，作為商用無線通信技術(shù)目前正受到越來越多的關(guān)注。UWB技術(shù)即不同于傳統(tǒng)的窄帶無線傳輸技術(shù)，也不同于3G擴(kuò)頻寬帶技術(shù)。傳統(tǒng)的窄帶或擴(kuò)頻寬帶系統(tǒng)都需要使用載波將基帶信號調(diào)制到射頻上，而UWB技術(shù)不需載波，能直接調(diào)制脈沖信號，產(chǎn)生帶寬高達(dá)幾GHz的窄脈沖波形，其帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前任何商業(yè)無線通信技術(shù)所占用的帶寬。UWB概述典型的短距離無線通信技術(shù)UWB吞吐量Highspeedatshortrange480Mb/sat~3mDoesnotpenetratewalls典型的短距離無線通信技術(shù)UWB信號的寬頻帶、低功率譜密度的特性，決定了UWB無線傳輸技術(shù)的以下優(yōu)勢：易于與現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)，如GPS、蜂窩通信系統(tǒng)、地面電視等共用頻段，大大提高了頻譜利用率；易于實(shí)現(xiàn)多用戶的短距離高速數(shù)據(jù)通信；對多徑衰落具有魯棒性。典型的短距離無線通信技術(shù)適合UWB技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用包括：高速無線個(gè)域網(wǎng)；無線以太接口鏈路；智能無線局域網(wǎng)；戶外對等網(wǎng)絡(luò)；傳感、定位和識別網(wǎng)絡(luò)

目前，UWB在多媒體設(shè)備，家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用前景已得到了專業(yè)界的普遍認(rèn)可，UWB將促進(jìn)智能網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的發(fā)展，形成真正以用戶為中心的無線世界。典型的短距離無線通信技術(shù)

UWB無線技術(shù)基于共用頻段思想，打破短距離無線通信頻率資源供不應(yīng)求及不兼容的現(xiàn)狀，為頻譜管理和無線系統(tǒng)工程中存在的諸多問題提供有效的解決方案；

UWB技術(shù)能為無線個(gè)域網(wǎng)接入技術(shù)提供低功耗、高帶寬且易于實(shí)現(xiàn)的底層技術(shù)支撐，實(shí)現(xiàn)便攜設(shè)備和固定設(shè)備、個(gè)人電腦和娛樂設(shè)備的空中接口，建立可兼容的全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)；

UWB系統(tǒng)能在短距離內(nèi)支持高達(dá)400Mb/s的信息傳輸率，并可通過減小傳輸速率來增加傳輸距離，實(shí)現(xiàn)精確的定位跟蹤；同時(shí)，UWB設(shè)備具有能支持有效多次反射路由機(jī)制的精確位置跟蹤功能，更有利于在動態(tài)節(jié)點(diǎn)的自組織網(wǎng)（adhoc）中實(shí)現(xiàn)定位。UWB概述典型的短距離無線通信技術(shù)UWB接口設(shè)備MeasuredUWBPulsetrainoutput典型的短距離無線通信技術(shù)60GHz通信技術(shù)60GHz無線通信技術(shù)概況60GHz無線通信的標(biāo)準(zhǔn)化 60GHz無線通信關(guān)鍵技術(shù)研究60GHz無線通信的應(yīng)用典型的短距離無線通信技術(shù)電波傳播模型無線信道的傳輸損耗模型自由空間損耗模型

Lfs=10lg(4πd/λ)dB =32.45+20lg

dkm+20lg

fMHzdB

特點(diǎn)：Lfs

∝d2，Lfs

∝f2電波傳播模型無線信道的傳輸損耗模型（續(xù)）無線視距損耗模型無線視距 由于大氣的存在，電磁波的傳播路徑并非直線，而是一條向地球彎曲的弧線，曲率約為地球半徑的4倍。電波傳播模型無線信道的傳輸損耗模型無線視距損耗模型（續(xù)）無線視距（續(xù)） 對于理想平滑地面，無線視距路徑距離為：

無線電波比直線視距傳的更遠(yuǎn)！電波傳播模型無線信道的傳輸損耗模型（續(xù)）無線視距損耗模型（續(xù)）地形對無線視距的影響 假設(shè)：不規(guī)則地形的平均起伏高度差為Δh

天線有效高度hae定義為天線高于地形平均海拔的高度 則：無線視距路徑距離的統(tǒng)計(jì)均值為：

不規(guī)則地形使無線視距路徑距離減小！無線短距離通信應(yīng)用技術(shù)內(nèi)容第1章無線短距離通信概述第2章WI-FI技術(shù)及其應(yīng)用第3章

ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用第4章藍(lán)牙技術(shù)及其應(yīng)用第5章UWB技術(shù)和60GHz通信技術(shù)第6章無線短距離通信主動傳輸技術(shù)第7章無線短距離通信與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)第8章無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Wi-Fi技術(shù)及應(yīng)用IEEE802.11協(xié)議體系結(jié)構(gòu)IEEE802.11基本結(jié)構(gòu)模型物理層數(shù)據(jù)鏈路層IEEE802.11MAC幀的格式Wi-Fi技術(shù)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展IEEE802.11基本結(jié)構(gòu)模型OSI參考模型IEEE802.11模型

IEEE802.11協(xié)議主要工作在ISO協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。IEEE802.11基本結(jié)構(gòu)模型如圖所示，其中數(shù)據(jù)鏈路層又劃分為LLC和MAC兩個(gè)子層。物理層物理層建立在傳輸介質(zhì)的基礎(chǔ)上，是系統(tǒng)和傳輸介質(zhì)的物理接口。物理層定義了通信設(shè)備與傳輸接口的機(jī)械、電氣、功能和過程特性，用以建立、維持和釋放物理連接。物理層的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)通信雙方的物理連接，以比特流的形式傳輸數(shù)據(jù)信息，并向數(shù)據(jù)鏈路層提供透明的傳輸服務(wù)。IEEE

802.11物理層按照采用的相關(guān)技術(shù)可分為FHSS、DSSS等相關(guān)類型，如圖2.4所示。圖2.4

IEEE

802.11物理層技術(shù)物理層FHSS2.4GHz的頻段被劃分成75個(gè)1MHz的子頻道，接收方和發(fā)送方協(xié)商一個(gè)調(diào)頻的模式，數(shù)據(jù)則按照這個(gè)序列在各個(gè)子頻道上傳輸，每次在IEEE802.11網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行的會話都可能采用了一種不同的跳頻模式，采用這種跳頻模式主要是為了避免兩個(gè)發(fā)送端同時(shí)采用同一個(gè)子頻段。FHSS系統(tǒng)中，為了避免干擾，發(fā)送方改變發(fā)射信號的中心頻率。信號頻率的變化（頻率跳躍）總是按照某種隨機(jī)的模式安排的，這種隨機(jī)模式只有發(fā)送方和接收方才理解。物理層DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)DSSS將2.4GHz的頻段劃分成14個(gè)22MHz的通道，臨近的通道互相重疊，在這14個(gè)頻段內(nèi)，只有3個(gè)頻段是互相不覆蓋的，數(shù)據(jù)就是從這14個(gè)頻段中的一個(gè)進(jìn)行傳輸而不需要進(jìn)行頻道之間的跳躍。物理層OFDM

在OFDM系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)速率為Rt的高速數(shù)據(jù)信號變換成n路數(shù)據(jù)速率Ri（Ri=R1+R2+…+Rn）的低速數(shù)據(jù)信號，并調(diào)制在一組正交子載波上進(jìn)行并行傳輸。在IEEE802.11a標(biāo)準(zhǔn)中，OFDM在20MHz頻段能夠提供傳輸速率高達(dá)54Mb/s的原始數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)實(shí)體間數(shù)據(jù)的可靠傳輸，利用物理層所建立起來的物理連接形成數(shù)據(jù)鏈路，將具有一定意義和結(jié)構(gòu)的信息在實(shí)體間進(jìn)行傳輸，同時(shí)為其上的網(wǎng)絡(luò)層提供有效的服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層的功能有如下幾點(diǎn)。1）成幀和同步2）差錯控制3）流量控制4）鏈路管理數(shù)據(jù)鏈路層CSMA/CACSMA/CA協(xié)議利用ACK信號來避免沖突的發(fā)生，只有當(dāng)客戶端收到網(wǎng)絡(luò)上返回的ACK信號后才確認(rèn)送出的數(shù)據(jù)已經(jīng)正確到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。CSMA/CA協(xié)議的工作流程如下：1)欲發(fā)送數(shù)據(jù)的工作站先檢測信道。2)如果沒有探測到網(wǎng)絡(luò)中正在傳輸數(shù)據(jù)，則附加等待一段時(shí)間，再隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間片繼續(xù)探測，如果無線網(wǎng)絡(luò)中仍舊沒有活動的話，就將數(shù)據(jù)發(fā)送出去.3)接收端收到數(shù)據(jù)后回送一個(gè)ACK數(shù)據(jù)包，如果這個(gè)ACK數(shù)據(jù)包被接收端收到，則這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送過程完成。數(shù)據(jù)鏈路層RTS/CTS協(xié)議RTS/CTS協(xié)議是IEEE802.1l采用的一種用來減少由隱藏節(jié)點(diǎn)問題造成沖突的協(xié)議。RTS/CTS協(xié)議的工作過程如下。節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送RTS信號，表明節(jié)點(diǎn)A要向節(jié)點(diǎn)B發(fā)送若干數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)B收到RTS后，向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)出CTS信號，表明已準(zhǔn)備就緒，節(jié)點(diǎn)A可以發(fā)送，而其余欲向B發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)則暫停發(fā)送。數(shù)據(jù)鏈路層CRC校驗(yàn)和包分片

在IEEE802.11協(xié)議中，每一個(gè)在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包都被附加上校驗(yàn)位CRC，以保證它在傳輸時(shí)沒有出現(xiàn)錯誤。這種二層校驗(yàn)技術(shù)在IEEE802.3中是由上層協(xié)議完成的。漫游管理

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境存在多個(gè)AP，且它們的微單元互相有一定范圍的重合時(shí)，無線用戶可以在整個(gè)WLAN覆蓋區(qū)內(nèi)移動，無線網(wǎng)卡能夠自動發(fā)現(xiàn)附近信號強(qiáng)度最大的AP，并通過這個(gè)AP收發(fā)數(shù)據(jù)，保持不間斷的網(wǎng)絡(luò)連接，這種行為稱為無線漫游。IEEE802.11的MAC子層負(fù)責(zé)解決漫游管理。數(shù)據(jù)鏈路層MAC訪問模式IEEE802.11的MAC層提供了分布式協(xié)調(diào)功能DCF（DistributedCoordinationFunction）和點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF（PointCoordinationFunction）兩種訪問模式。1）DCF提供競爭服務(wù)。發(fā)送數(shù)據(jù)之前，客戶端會檢查無線鏈路是否處于空閑狀態(tài)，若沒有空閑，則會隨機(jī)為每個(gè)幀選定一段規(guī)避時(shí)間來避免沖突發(fā)生。

2）PCF提供無競爭服務(wù)。由接入點(diǎn)AP全權(quán)控制傳輸媒介。接入點(diǎn)將一個(gè)接著一個(gè)詢問客戶端以獲取數(shù)據(jù)，還沒有被詢問到的客戶端沒有權(quán)利發(fā)送數(shù)據(jù)，客戶端只有在被詢問到的時(shí)候才能夠從接入點(diǎn)處收取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層電源管理IEEE802.11

MAC層有CAM（ContinuousAwareMode）和PSPM（PowerSavePollingMode）兩種電源管理模式。1）CAM模式：信號始終存在并耗費(fèi)電源。2）PSPM模式：由接入點(diǎn)的特殊信號來調(diào)節(jié)客戶端設(shè)備處于睡眠或喚醒狀態(tài)?？蛻舳嗽O(shè)備將周期性地進(jìn)入喚醒狀態(tài)，接收接入點(diǎn)傳來的Beacon信號。安全性管理IEEE802.11的MAC子層提供了一種稱為有線等效保密協(xié)議（WiredEquivalentPrivacy，WEP）的訪問控制和加密協(xié)議。IEEE802.11MAC幀的格式IEEE802.11的MAC幀的結(jié)構(gòu)如圖2.5所示。一個(gè)完整的MAC幀包括幀頭（MACHeader）、幀體（FrameBody）、幀校驗(yàn)序列（FCS）共同組成。1）MAC幀頭包括FrameControl（幀控制域），Duration/ID（持續(xù)時(shí)間/標(biāo)識）、Address（地址域）、SequenceControl（序列控制域）等。2）幀體包含的信息根據(jù)幀的類型有所不同，主要封裝的是上層的數(shù)據(jù)單元，長度為0～2312B，IEEE802.11幀最大長度為2346B，F(xiàn)CS（校驗(yàn)域）包含32位循環(huán)冗余碼。圖2.5

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802.11

MAC幀的結(jié)構(gòu)IEEE802.11MAC幀的格式幀控制域幀控制域是MAC幀最主要的組成部分，IEEE

802.11

MAC幀控制域的構(gòu)成如圖2.6所示。

圖2.6

IEEE802.11MAC幀控制域Duration/ID（持續(xù)時(shí)間/標(biāo)識域）Duration/ID用于表明該幀和它的確認(rèn)幀將會占用信道多長時(shí)間

IEEE802.11MAC幀的格式Address（地址域）Address包括源地址（SA）、目的地址（DA）、傳輸工作站地址（TA）、接收工作站地址（RA），其中SA與DA必不可少，AT和RA只對跨BSS的通信有用。SequenceControl（序列控制域）SequenceControl由代表MSDU（MACServerDataUnit）或MMSDU（MACManagementServerDataUnit）的12位序列號和表示MSDU與MMSDU的每一個(gè)片段的編號的4位片段號組成。IEEE802.11MAC幀的格式幀類型IEEE802.11中的MAC幀分為數(shù)據(jù)幀、管理幀和控制幀三類?？刂茙糜诟偁幤陂g的握手通信和正向確認(rèn)、結(jié)束非競爭期等；管理幀主要用于STA與AP之間協(xié)商、關(guān)系的控制，如關(guān)聯(lián)、認(rèn)證、同步等；數(shù)據(jù)幀用于在競爭期和非競爭期傳輸數(shù)據(jù)。1）IEEE802.11數(shù)據(jù)幀圖2.7IEEE

802.11數(shù)據(jù)幀的基本格式IEEE802.11MAC幀的格式Type代碼Subtype代碼幀名稱100000Data（數(shù)據(jù)）100001Data+F-ACK100010Data+F-Poll100011Data+F-ACK+F-Poll100100Nulldata（無數(shù)據(jù)：未傳輸數(shù)據(jù)）100101F-ACK（未傳輸數(shù)據(jù)）100110F-Poll（未傳輸數(shù)據(jù)）100111Data+F-ACK+F-Poll101000QosData101001Qos

Data+F-ACK101010Qos

Data+F-Poll101011Qos

Data+F-ACK+F-Poll101100QosNull（未傳輸數(shù)據(jù)）101101QosF-ACK（未傳輸數(shù)據(jù)）101110QosF-Poll（未傳輸數(shù)據(jù)）101111QosF-ACK+F-Poll（未傳輸數(shù)據(jù)）表2.1常見的數(shù)據(jù)幀IEEE802.11MAC幀的格式Type代碼Subtype代碼幀名稱000000Associationrequest（關(guān)聯(lián)請求）000001Associationresponse（關(guān)聯(lián)響應(yīng)）000010Reassociationrequest（重新關(guān)聯(lián)請求）000011Reassociationresponse（重新關(guān)聯(lián)響應(yīng)）000100Proberequest（探測請求）000101Proberesponse（探測響應(yīng)）001000Beacon（信標(biāo)）001001ATIM（通知傳輸指示消息）001010Disassociation（取消關(guān)聯(lián)）001011Authentication（身份驗(yàn)證）001100Deauthentication（解除身份驗(yàn)證）表2.2常見的管理幀IEEE802.11MAC幀的格式幀類型

3）IEEE802.11控制幀IEEE802.11控制幀負(fù)責(zé)區(qū)域的清空、信道的取得及載波監(jiān)聽的維護(hù)，并于收到數(shù)據(jù)時(shí)予以肯定確認(rèn)，借此提高工作站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕贗EEE802.11中，常見的控制幀如表2.3所示。Type代碼Subtype代碼幀名稱011010PowerSave（PS）-Poll（省電-輪詢）011011

RTS（請求發(fā)送）011100

CTS（清除發(fā)送）011101ACK（確認(rèn)）011110

F-End（無競爭周期結(jié)束）011111

F-End（無競爭周期結(jié)束）+F-ACK（無競爭周期確認(rèn)）IEEE802.11MAC幀的格式幀類型2）IEEE802.11管理幀IEEE802.11管理幀負(fù)責(zé)監(jiān)督，主要用來加入或退出無線網(wǎng)絡(luò)及處理接入點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)移事宜。管理幀的基本格式如圖2.8所示。在IEEE802.11中，常見的管理幀如表2.2所示。圖2.8管理幀的基本格式Wi-Fi的物理層技術(shù)原理與協(xié)議IEEE

802.11的物理層主要定義了無線數(shù)據(jù)的傳輸方式和信號調(diào)制的方法。標(biāo)準(zhǔn)中定義的無線射頻傳輸方式都采用了擴(kuò)頻技術(shù)，只是擴(kuò)頻方式有區(qū)別，主要分為直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)和跳頻擴(kuò)頻（FHSS）技術(shù)。圖2.9

Wi-Fi的物理層傳輸過程Wi-Fi技術(shù)及應(yīng)用IEEE802.11協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Wi-Fi技術(shù)Wi-Fi的物理層技術(shù)原理與協(xié)議擴(kuò)頻通信技術(shù)Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展擴(kuò)頻通信技術(shù)擴(kuò)頻通信技術(shù)的“擴(kuò)”主要體現(xiàn)在頻譜的擴(kuò)展上，它用來傳輸信息的射頻帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息本身帶寬，射頻帶寬的擴(kuò)展是通過擴(kuò)頻碼調(diào)制的方式來實(shí)現(xiàn)的按照擴(kuò)頻方式的不同，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)主要分為直接序列擴(kuò)頻（DSSS）、跳頻擴(kuò)頻（FHSS）、跳時(shí)（TH）及幾種方式的組合。直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)

直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的原理是通過用高速率的碼序列與所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息碼序列模二加（波形相乘）后產(chǎn)生的復(fù)合碼序列去控制載波的相位，從而獲得直接序列擴(kuò)頻信號，具體原理框圖如圖2.10所示。擴(kuò)頻通信技術(shù)

1）IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中定義DSSS系統(tǒng)通過采用11位的短PN碼并以11MHz對數(shù)據(jù)信號擴(kuò)頻來實(shí)現(xiàn)。2）IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議把Wi-Fi所在的2.4GHz頻段劃分成14個(gè)帶寬為22MHz（20dB所占的頻譜）的信道，每一個(gè)信道的間隔為5MHz，并且臨近的信道互相重疊。圖2.10

DSSS原理框圖擴(kuò)頻通信技術(shù)3）IEEE802.11b通過采用CCK和DQPSK相結(jié)合的調(diào)制方式，使傳輸速率最高可以達(dá)到5.5Mb/s和11Mb/s，并且這兩種速率下的系統(tǒng)也是工作在2.4GHz波段。4）在這種調(diào)制方式之下，每個(gè)符號由8b的碼字組成，即d0，d1，d2，…，d7共8個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)比特。雖然5.5Mb/s和11Mb/s都采用了CCK的編碼調(diào)制方式，但各有特點(diǎn)，這里主要以11Mb/s系統(tǒng)進(jìn)行介紹。5）系統(tǒng)的抗干擾性主要是通過解擴(kuò)來處理的。在接收端，被擴(kuò)頻的窄帶信號經(jīng)過相關(guān)解擴(kuò)之后重新恢復(fù)成窄帶信號。而對于進(jìn)入接收機(jī)的干擾信號，經(jīng)過相關(guān)解擴(kuò)之后通過與偽隨機(jī)碼序列相乘可以得到寬帶信號。這樣再經(jīng)過在窄帶濾波器的濾波作用，多余的寬帶信號被濾除，只留下通帶內(nèi)較窄頻段的干擾信號及被解擴(kuò)的窄帶信號。擴(kuò)頻通信技術(shù)

6）在11Mb/s系統(tǒng)中，每兩個(gè)相鄰的連續(xù)數(shù)據(jù)比特為一組，所以8b數(shù)據(jù)共分為4組，每組獲得一個(gè)角頻率，共有4個(gè)角頻率（0，π，π

/2和-

π

/2）。具體的比特對應(yīng)模型編碼和對應(yīng)的角頻率如表2.4所示。表2.4比特對應(yīng)模型編碼和對應(yīng)角頻率比特模型（di，di+1）角頻率比特模型（di，di+1）角頻率00010π/201π11-π/2擴(kuò)頻通信技術(shù)當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)信息是8bCCK碼字，即d

={d0，d1，d2，…，d7}時(shí)，采用11chip/s擴(kuò)頻碼并經(jīng)過CCK調(diào)制之后，其碼字C為：擴(kuò)頻通信技術(shù)跳頻擴(kuò)頻（FHSS）技術(shù)跳頻擴(kuò)頻技術(shù)可以利用頻率捷變（frequencyagility）的方法將數(shù)據(jù)擴(kuò)展到頻譜為83MHz以上。頻率捷變的一個(gè)特點(diǎn)就是無線設(shè)備可以在可用的射頻頻段內(nèi)快速地改變發(fā)送的頻率。FHSS跳變的原理框圖如2.12圖所示。圖2.12

FHSS跳變的原理框圖擴(kuò)頻通信技術(shù)1）IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定，F(xiàn)HSS跳頻模式下信號的接收和發(fā)射共占用79個(gè)信道，并且采用慢跳頻技術(shù)，相鄰信道之間的間隔為1MHz。2）在FHSS跳頻系統(tǒng)中，不同設(shè)備之間跳頻信號可以正確被接收的前提條件FHSS跳頻系統(tǒng)之間的同步性。

3）為了保持跳頻設(shè)備中頻率合成器的頻率同步，使信號在信道中跳變時(shí)始終保持線性的相位，F(xiàn)HSS跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)主要選取了GFSK（高斯濾波頻移鍵控）的調(diào)制方式，并且采用非相干的FSK解調(diào)方法。Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）

DCF接入機(jī)制又稱為CSMA/CA機(jī)制，所以它是基于CSMA的基本算法，同時(shí)又以RTS/CTS的交換協(xié)議作為它的輔助媒體接入訪問方式。1）載波偵聽多址防碰撞機(jī)制（CSMA/CA）

載波偵聽多址防碰撞機(jī)制（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，CSMA/CA）是MAC層多址接入策略的一部分，其原理基礎(chǔ)就是載波偵聽。IEEE802.11定義了兩種載波偵聽的方式。物理載波偵聽檢測方式：基于物理層載波檢測的方式虛擬載波偵聽檢測方式：由MAC層提供，通過網(wǎng)絡(luò)分配矢

量（NAV）來實(shí)現(xiàn)。Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議

載波偵聽的檢測機(jī)制由兩個(gè)狀態(tài)組成：RTS/CTS協(xié)議中的NAV狀態(tài)；基于物理層載波偵聽無線信道給STA提供的數(shù)據(jù)發(fā)送的狀態(tài)。Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議

2）RTS/CTS協(xié)議通常使用RTS/CTS要占用一定的網(wǎng)絡(luò)資源，這樣就給網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來了額外的負(fù)擔(dān)，所以RTS/CTS協(xié)議常用在需要大量傳輸數(shù)據(jù)的場合。圖2.13表示了RTS/CTS的工作模式。圖2.13

RTS/CTS工作模式Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議

RTS/CTS協(xié)議的傳輸系統(tǒng)中RTS/CTS的工作過程

網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信工作節(jié)點(diǎn)B發(fā)送一個(gè)RTS數(shù)據(jù)幀給接入點(diǎn)及其他通信工作節(jié)點(diǎn)。每個(gè)收到該消息的數(shù)據(jù)通信工作節(jié)點(diǎn)就把信息存放在它的網(wǎng)絡(luò)分配矢量NAV中。收到RTS幀的接入點(diǎn)就發(fā)送一個(gè)短消息CTS作為回應(yīng)。Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議基本的接入方式是如果無線局域網(wǎng)內(nèi)的一個(gè)數(shù)據(jù)通信工作節(jié)點(diǎn)偵聽檢測到通信信道的狀態(tài)是空閑的，那么它會在選擇等待DIFS之后再次對信道進(jìn)行檢測，如果這時(shí)通信信道仍然保持空閑，通信工作節(jié)點(diǎn)就會發(fā)送一個(gè)MPDU，接收工作節(jié)點(diǎn)就開始判斷所接收到的數(shù)據(jù)包是否正確，然后給發(fā)送數(shù)據(jù)信息的工作節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK確認(rèn)幀，以告知對方數(shù)據(jù)傳送成功。圖2.14數(shù)據(jù)幀成功傳送的過程Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議點(diǎn)協(xié)調(diào)功能（PCF）

在PCF工作模式下，只有當(dāng)無線局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信工作節(jié)點(diǎn)處于被接納的狀態(tài)時(shí)，它才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的發(fā)送。每個(gè)數(shù)據(jù)通信的工作節(jié)點(diǎn)事先都按照一定優(yōu)先級方式設(shè)定了數(shù)據(jù)信息發(fā)送的順序PCF采用的是一種無競爭的接入方式，工作節(jié)點(diǎn)之間的通信主要采用的是輪詢的方式，即局域網(wǎng)內(nèi)每個(gè)數(shù)據(jù)通信的工作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)要按照先后順序依次先進(jìn)行輪詢，再確定該工作節(jié)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)要進(jìn)行發(fā)送。Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議輪詢機(jī)制PCF工作模式下采用輪詢機(jī)制的最大優(yōu)點(diǎn)就可以有效地避免局域網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信的工作節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)發(fā)生沖突。圖2.15

PCF工作模式中的輪詢過程Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議超幀超幀由無競爭時(shí)間CFP和競爭時(shí)間CP兩部分組成的。圖2.16無競爭時(shí)間（CFP）與競爭時(shí)間（CP）交錯Wi-Fi的MAC層接入?yún)f(xié)議PCF的特征：1）點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF是可選的，它通過無線局域網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)協(xié)調(diào)器對每一個(gè)工作節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢，并且被輪詢的工作節(jié)點(diǎn)允許不經(jīng)過信道的競爭來傳輸數(shù)據(jù)。2）點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF提供的面向連接的服務(wù)，可以提供無競爭幀的傳輸。3）點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF可以支持有限的QoS功能，同時(shí)還能提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)服務(wù)。4）點(diǎn)協(xié)調(diào)功能PCF采用的是集中控制的算法，無線局域網(wǎng)內(nèi)的點(diǎn)協(xié)調(diào)器起著中心控制的作用。Wi-Fi技術(shù)及應(yīng)用IEEE802.11協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Wi-Fi技術(shù)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化運(yùn)營商接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)AC應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Wi-Fi業(yè)務(wù)方式Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量優(yōu)化建議校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化ADSL接入LAN接入EPON接入圖2.17運(yùn)營商接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化AC應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖2.18

FITAC+AP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化對比項(xiàng)目FATAPAC+AP技術(shù)模式傳統(tǒng)模式新生模式安全性傳統(tǒng)加密、認(rèn)證方式，普通安全性

實(shí)現(xiàn)射頻環(huán)境監(jiān)控，高安全性網(wǎng)絡(luò)管理對每臺AP均需進(jìn)行數(shù)據(jù)配置AP零配置，數(shù)據(jù)、升級批量下發(fā)，數(shù)據(jù)保密，安裝迅速，維護(hù)簡單用戶管理類似有線，根據(jù)AP接入的有線端口區(qū)分權(quán)限無線專門虛擬專用組網(wǎng)，根據(jù)用戶名區(qū)別，用戶數(shù)據(jù)提取，處理簡單WLAN

組網(wǎng)規(guī)模L2漫游，無法L3漫游，僅適合小規(guī)模組網(wǎng)可L2、L3漫游，CAPWAP隧道傳輸，拓?fù)錈o關(guān)性，適合大規(guī)模組網(wǎng)增值業(yè)務(wù)能力實(shí)現(xiàn)簡單數(shù)據(jù)接入可擴(kuò)展語音、無線VPN，無線專網(wǎng)等增值業(yè)務(wù)表2.5FITAP和FATAPD對比Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化

AC+FITAP根據(jù)AC在城域網(wǎng)的部署位置不同，有兩種不同的組網(wǎng)方式。1）AC+FITAP的二層部署AC的二層部署指無線交換機(jī)僅僅作為二層設(shè)備來使用，并不作為無線用戶的網(wǎng)關(guān)，無線交換機(jī)可以將不同的用戶組分配到指定的VLAN。無線交換機(jī)將用戶的數(shù)據(jù)包進(jìn)行兩層透傳。2）AC+FITAP的三層部署AC的三層部署指無線交換機(jī)作為認(rèn)證計(jì)費(fèi)點(diǎn)來使用，相對于BAS設(shè)備，無線交換機(jī)是無線用戶的網(wǎng)關(guān)。無線交換機(jī)在用戶通過認(rèn)證后，將用戶的數(shù)據(jù)包通過三層轉(zhuǎn)發(fā)。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化Wi-Fi業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程Wi-Fi業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程描述如下。1）STA首先SCAN無線設(shè)備的射頻信號，并取得連接；2）連接后，STA發(fā)起DHCPrequest，尋求獲取DHCP地址;3）BAS在確認(rèn)經(jīng)過AP到達(dá)BAS端口的數(shù)據(jù)報(bào)文帶上的是Wi-Fi的端口號后，將核實(shí)用戶身份的報(bào)文發(fā)到SDX予以確認(rèn)；4）SDX確認(rèn)后，反饋合法用戶信息給BAS；5）BAS根據(jù)用戶通過身份驗(yàn)證情況，給STA下發(fā)DHCPresponse，STA獲取DHCP地址；6）STA根據(jù)該地址，在網(wǎng)頁重定向到Wi-Fi的Portal認(rèn)證頁面，進(jìn)行radius認(rèn)證；7）認(rèn)證通過后，就可以上網(wǎng)。Wi-Fi技術(shù)及應(yīng)用IEEE802.11協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Wi-Fi技術(shù)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化運(yùn)營商接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)AC應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提升Wi-Fi業(yè)務(wù)方式Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量優(yōu)化建議校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量優(yōu)化建議PPPOE方式在上聯(lián)無線和有線物理鏈路暢通的情況下，對應(yīng)用層邏輯鏈路沒有要求，即用戶在無線網(wǎng)卡由于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層面無法獲取地址的情況下，仍可以直接撥號上網(wǎng)，有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性。Portal方式需要做到：1）用戶需獲取一個(gè)用于重定向Portal的DHCP地址；2）Portal服務(wù)器能夠?qū)⒂脩糨斎氲娜我忭撁嬷囟ㄏ虻秸J(rèn)證Portal頁面上；3）用戶能夠在Portal頁面上順利地輸入用戶名和密碼，并登錄。校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)圖2.22校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DWi-Fi技術(shù)及應(yīng)用IEEE802.11協(xié)議體系結(jié)構(gòu)Wi-Fi技術(shù)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和優(yōu)化校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)AP覆蓋設(shè)計(jì)Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的頻率規(guī)劃1）2.4GHz頻率規(guī)劃2.4GHz劃分為14個(gè)子信道，可工作的信道為13個(gè)，每個(gè)子頻道帶寬為22MHz。為了避免頻道之間的干擾，一般選用1、6和11信道。2）5.8GHz頻率規(guī)劃

5.8GHz頻段劃分為5個(gè)子信道，信道號為149、153、157、161和165，帶寬125MHz。每個(gè)子頻道帶寬20MHz，采用雙信道捆綁技術(shù)時(shí)可以達(dá)到40MHz。雖然5.8GHz使用的是互不交疊的信道，但在AP部署密集的情況下，應(yīng)錯開相鄰信道，減少頻率的干擾。校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)覆蓋指標(biāo)1）校區(qū)所有房間(面板AP除外)內(nèi)要求無線信號在室內(nèi)任何空間信號強(qiáng)度2.4G、5.8G同時(shí)不低于-60dBm，丟包率小于1%；2）室外環(huán)境無線信號在無線蜂窩覆蓋邊緣信號強(qiáng)度2.4G、5.8G同時(shí)不低于-75dBm。同時(shí)為了達(dá)到信號穩(wěn)定，同頻率、同信道的干擾信號強(qiáng)度不得高于-75dBm。3）目標(biāo)覆蓋重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)99%以上位置，用戶終端收到的下行信號不小于60dBm；4）在目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)，單用戶接入最大下行業(yè)務(wù)速率不小于AP理論帶寬的50%。校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建設(shè)容量設(shè)計(jì)1）校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行多終端接入設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)802.11nAP須能支持并發(fā)30-50個(gè)用戶；2）在不加密的情況下，2.4GHz上行或下行單向吞吐量不低于75Mbps，5.8GHz上行或下行單向吞吐量不低于155Mbps。校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)AP覆蓋設(shè)計(jì)校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)AP覆蓋設(shè)計(jì)AP覆蓋設(shè)計(jì)1）在整體覆蓋的規(guī)劃上，要保證無線接入器AP信號的有效覆蓋，選擇合適的AP天線，并對AP進(jìn)行相關(guān)配置。2）對于同時(shí)存在多個(gè)WLAN覆蓋的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，AP在部署時(shí)應(yīng)盡量避免頻率之間的相互干擾。3）通過降低AP的發(fā)射功率來縮小AP信號的覆蓋范圍，減少同頻率之間相互干擾的問題。4）在覆蓋方案中選擇AP的廠家和型號時(shí)，應(yīng)綜合考慮設(shè)備的覆蓋方案、支持的標(biāo)準(zhǔn)、性價(jià)比、系統(tǒng)整體間可能存在的頻率干擾等因素。校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)AP覆蓋設(shè)計(jì)AP部署方式AP分為室外型AP和室內(nèi)型AP兩種。室內(nèi)型AP又可分為外置天線AP、內(nèi)置天線AP、天線加饋線式AP和面板式AP。針對室內(nèi)的覆蓋，當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)的AP部署方式主要分為放裝部署方式、室分部署方式、智分部署方式和面板式部署方式。校園Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)AP覆蓋設(shè)計(jì)1)放裝部署方式AP和天線部署在走廊或者是房間里。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是部署實(shí)施簡單且經(jīng)濟(jì)，適合于較為空曠的場景。2)室分部署方式AP放在走廊或者是弱電間里，在走廊里加裝功分器、耦合器、天線、饋線等多種中間設(shè)備。3)智分部署方式智分部署方式是將智分AP放在走廊，通過饋線延伸把天線部署在房間內(nèi)，這種方式既綜合了放裝和室分的優(yōu)點(diǎn)，又解決了放裝方式在房間內(nèi)信號衰減、室分方式部署和維護(hù)困難的問題。Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展Wi-Fi技術(shù)與智能家居系統(tǒng)圖2.22基于Wi-Fi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)基于Wi-Fi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)由Wi-Fi家庭局域網(wǎng)、家庭網(wǎng)關(guān)、無線路由器、Internet網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)（2G、3G、4G、5G等通信網(wǎng)絡(luò)）和控制終端組成，如圖2.22所示。Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展Wi-Fi技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）網(wǎng)絡(luò)可視對講2）防盜報(bào)警3）家電智能控制4）遠(yuǎn)程監(jiān)控5）信息服務(wù)Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展Wi-Fi聯(lián)合5G組網(wǎng)技術(shù)1）融合組合技術(shù)的難點(diǎn)2）無感知認(rèn)證技術(shù)3）綠色通信的相關(guān)規(guī)定無線短距離通信應(yīng)用技術(shù)第1章無線短距離通信概述第2章

WI-FI技術(shù)及其應(yīng)用第3章

ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用第4章藍(lán)牙技術(shù)及其應(yīng)用第5章UWB技術(shù)和60GHz通信技術(shù)第6章無線短距離通信主動傳輸技術(shù)第7章無線短距離通信與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)第8章無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目錄第3章

ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用§3.2ZigBee協(xié)議體系§3.4ZigBee技術(shù)的應(yīng)用§3.1ZigBee技術(shù)概述§3.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成§3.1ZigBee技術(shù)概述ZigBee技術(shù)是一種低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、短距離的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）功耗低。（2）成本低。（3）時(shí)延短。（4）網(wǎng)絡(luò)容量大。（5）可靠性高。（6）安全性高?！?.1ZigBee技術(shù)概述特性取值狀態(tài)頻段868MHz/915MHz和2.4GHz數(shù)據(jù)傳輸速率868MHz：20Kb/s915MHz：42Kb/s2.4GHz：250Kb/s調(diào)制方式868MHz/915MHz：BPSK2.4GHz：O-QPSK擴(kuò)頻方式直接序列擴(kuò)頻通信范圍10～100m通信延時(shí)15～30ms信道數(shù)目868MHz：1915MHz：102.4GHz：16尋址方式64bit

IEEE地址，16bit網(wǎng)絡(luò)地址信道接入CSMA/CA和時(shí)隙化的CSMA/CA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫切巍湫?、網(wǎng)形功耗極低狀態(tài)模式激活、休眠§3.2ZigBee協(xié)議體系§3.2ZigBee協(xié)議體系1．物理層（PHY）物理層是由半雙工的無線收發(fā)器和其接口組成的，主要負(fù)責(zé)以下任務(wù)：

（1）控制無線收發(fā)器的激活與關(guān)閉；

（2）選擇信道頻率；（3）提供鏈路質(zhì)量指示（LQI）；

（4）對當(dāng)前信道進(jìn)行能量檢測（ED）；

（5）為CSMA-CA提供信道空閑評估；（6）發(fā)送和接收數(shù)據(jù)?！?.2ZigBee協(xié)議體系2．媒體訪問控制層（MAC）媒體訪問控制層在相鄰節(jié)點(diǎn)之間建立一條可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒質(zhì)，負(fù)責(zé)控制對物理信道的訪問。主要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）協(xié)調(diào)器的MAC層負(fù)責(zé)產(chǎn)生信標(biāo)（Beacon）；（2）與信標(biāo)幀同步；（3）在兩個(gè)對等的MAC實(shí)體間提供一條可靠的鏈路；§3.2ZigBee協(xié)議體系2．媒體訪問控制層（MAC）（4）實(shí)現(xiàn)對個(gè)域網(wǎng)的關(guān)聯(lián)與解除關(guān)聯(lián)；（5）采用CSMA-CA機(jī)制控制信道訪問；（6）維護(hù)設(shè)備安全；（7）維護(hù)時(shí)隙保障（GTS）機(jī)制；（8）負(fù)責(zé)維護(hù)PIB中與MAC層相關(guān)的信息，存儲與MAC層相關(guān)的常量和屬性?！?.2ZigBee協(xié)議體系3．網(wǎng)絡(luò)層（NWK）（1）開始一個(gè)新網(wǎng)段，即發(fā)起一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)；（2）配置新設(shè)備，如一個(gè)新的設(shè)備可以配置為ZigBee協(xié)調(diào)器或加入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)；（3）通過接收器控制功能控制節(jié)點(diǎn)加入/離開網(wǎng)絡(luò)；（4）使用網(wǎng)絡(luò)層安全服務(wù)；（5）將幀路由至其目的地，只有ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)消息；

§3.2ZigBee協(xié)議體系3．網(wǎng)絡(luò)層（NWK）（6）發(fā)現(xiàn)和維護(hù)設(shè)備間的路由，這個(gè)能力是為了更有效地路由消息；（7）發(fā)現(xiàn)單跳鄰居，鄰居間可以直接通信而不需要經(jīng)過任何其他設(shè)備的中繼服務(wù)；（8）儲存單跳鄰居的信息；（9）為加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配地址，只有ZigBee協(xié)調(diào)器和路由器可以分配地址?！?.2ZigBee協(xié)議體系4．應(yīng)用層（APL）

應(yīng)用層是協(xié)議棧的最高層，由三部分組成：應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和應(yīng)用框架（AF）。

APS連接網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，是它們之間的接口。§3.2ZigBee協(xié)議體系4．應(yīng)用層（APL）

ZDO負(fù)責(zé)設(shè)備的管理工作，包括定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（如屬于協(xié)調(diào)器、路由器還是終端設(shè)備）、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備、發(fā)起和響應(yīng)綁定請求、在設(shè)備之間建立安全機(jī)制。AF應(yīng)用框架是設(shè)備應(yīng)用對象的工作環(huán)境，是應(yīng)用層與APS層的接口。它負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的端點(diǎn)?！?.2.1物理層

IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)：2.4GHz物理層和868MHz/915MHz物理層。它們都基于DSSS（直接序列擴(kuò)頻），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率不同。2.4GHz頻段為全球統(tǒng)一的、開放的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。ZigBee物理層的三個(gè)頻段總共劃分出了27個(gè)信道。通常情況下，一個(gè)ZigBee設(shè)備不能同時(shí)兼容這三個(gè)頻段?！?.2.1物理層工作頻段868MHZ915MHZ2.4GHz信道數(shù)（個(gè)）11016調(diào)試方式差分編碼的二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制16進(jìn)制正交調(diào)制擴(kuò)頻方式碼片長度為15的M序列直接擴(kuò)頻碼片長度為8的M序列直接擴(kuò)頻碼元率20kBaud40kBaud60.5kBaud速率20Kb/s40Kb/s250Kb/sZigBee物理層三個(gè)頻段性能特性對比§3.2.1物理層物理層幀格式同步頭物理幀頭物理層幀負(fù)荷4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)長度可變前導(dǎo)碼（Preamble）SFD幀長度（7b）保留位（1b）PSDU§3.2.1物理層物理層邏輯結(jié)構(gòu)示意圖（1）PLME：PHY層管理實(shí)體，處理與物理層管理相關(guān)的原語。

（2）PHYPIB：PHY層PAN信息數(shù)據(jù)庫，存儲物理層PAN相關(guān)屬性。

（3）PD-SAP：PHY數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn)，物理層與MAC層的數(shù)據(jù)接口。任務(wù)是接收將要發(fā)送的MAC幀，向MAC層報(bào)告收到的MAC幀，為MAC層提供PHY數(shù)據(jù)服務(wù)。

§3.2.1物理層物理層邏輯結(jié)構(gòu)示意圖（4）PLME-SAP：PLME服務(wù)訪問點(diǎn)，物理層與MAC層的管理接口。任務(wù)是接收MAC層的管理請求原語，向MAC層報(bào)告管理指示原語和確認(rèn)原語，為上層MAC層提供PHY管理服務(wù)。

（5）RF-SAP：射頻服務(wù)訪問點(diǎn)，為PHY層提供射頻收發(fā)服務(wù)。

§3.2.2媒體接入控制層MAC層邏輯結(jié)構(gòu)示意圖（1）MAC通用部分子層（MCPS）：實(shí)現(xiàn)MAC層一般功能。任務(wù)包括MAC幀的封裝、解封裝；執(zhí)行CSMA-CA算法共享物理信道。

§3.2.2媒體接入控制層MAC層邏輯結(jié)構(gòu)示意圖（2）MLME：MAC層管理實(shí)體，處理除數(shù)據(jù)原語之外的所有管理原語，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的MAC層功能。§3.2.2媒體接入控制層MAC層邏輯結(jié)構(gòu)示意圖（3）MACPIB：MAC層PAN信息數(shù)據(jù)庫，存儲MAC層PAN相關(guān)屬性。（4）MCPS-SAP：MCPS服務(wù)訪問點(diǎn)，MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)接口。任務(wù)是接收網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，向網(wǎng)絡(luò)層報(bào)告MAC層服務(wù)數(shù)據(jù)單元，為網(wǎng)絡(luò)層提供MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)?！?.2.2媒體接入控制層MAC層邏輯結(jié)構(gòu)示意圖（5）MLME-SAP：MLME服務(wù)訪問點(diǎn)，MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的管理接口。接收發(fā)送數(shù)據(jù)原語以外的管理服務(wù)原語，為網(wǎng)絡(luò)層提供MAC管理服務(wù)。§3.2.2媒體接入控制層MAC幀結(jié)構(gòu)字節(jié)：210/21/2/80/20/2/8可變2幀控制幀序列碼目的PAN標(biāo)識符目的地址源PAN標(biāo)識符源地址凈荷幀校驗(yàn)地址域MAC幀頭MAC幀負(fù)載MAC幀尾§3.2.2媒體接入控制層位：0～234567～910～1112～1314～15幀類型加密位后續(xù)幀控制位應(yīng)答請求同意PAN指示保留目的地址模式保留源地址模式MAC幀控制域結(jié)構(gòu)§3.2.2媒體接入控制層

幀類型子域幀類型值（m2m1m0）描述000信標(biāo)幀001數(shù)據(jù)幀010應(yīng)答幀011MAC命令幀100～111保留§3.2.2媒體接入控制層

信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)字節(jié)：214/100KMN2幀控制序列號地址域超幀描述字段GTS分配字段帶轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標(biāo)地址信標(biāo)幀負(fù)載幀校驗(yàn)MAC幀頭MAC數(shù)據(jù)服務(wù)單元MAC幀尾§3.2.2媒體接入控制層

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)字節(jié)：21420N2幀控制序列號地址域數(shù)據(jù)幀負(fù)載幀校驗(yàn)MAC幀頭MAC數(shù)據(jù)服務(wù)單元MAC幀尾§3.2.2媒體接入控制層

響應(yīng)幀結(jié)構(gòu)字節(jié)：212幀控制序列號幀校驗(yàn)MAC幀頭MAC幀尾§3.2.2媒體接入控制層

MAC命令幀結(jié)構(gòu)字節(jié)：214～201N2幀控制序列號地址域命令類型數(shù)據(jù)幀負(fù)載幀校驗(yàn)MAC幀頭MAC數(shù)據(jù)服務(wù)單元MAC幀尾§3.2.2媒體接入控制層

成功的無應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸流程§3.2.2媒體接入控制層

成功的有應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸過程§3.2.2媒體接入控制層

信標(biāo)使能傳輸模式的流程圖§3.2.2媒體接入控制層

非信標(biāo)使能傳輸模式的流程圖§3.2.3網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層邏輯結(jié)構(gòu)示意圖在ZigBee協(xié)議棧中，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能如下。（1）設(shè)備連接網(wǎng)絡(luò)與斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)采用的機(jī)制，以及幀信息傳送過程中采用的安全機(jī)制。（2）設(shè)備節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)、維護(hù)和轉(zhuǎn)交?！?.2.3網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層邏輯結(jié)構(gòu)示意圖（3）發(fā)現(xiàn)一跳（one-hop）鄰近節(jié)點(diǎn)設(shè)備及存儲其相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息。（4）提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并為應(yīng)用層提供相應(yīng)的服務(wù)接口?！?.2.3網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)2字節(jié)2字節(jié)2字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)0/80/80/1變長變長幀控制目的地址源地址廣播半徑域廣播序列號目的地址源地址多點(diǎn)傳送控制源路由幀幀的有效載荷網(wǎng)絡(luò)層幀報(bào)頭網(wǎng)絡(luò)層有效載荷§3.2.4應(yīng)用層

應(yīng)用層是ZigBee協(xié)議的最高層，通過該層可以控制整個(gè)協(xié)議棧的運(yùn)行。ZigBee協(xié)議的應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（APS）、應(yīng)用層框架（AF）和ZigBee設(shè)備對象（ZDO）?！?.2.4應(yīng)用層應(yīng)用支持子層邏輯結(jié)構(gòu)1．應(yīng)用支持子層（APS）§3.2.4應(yīng)用層應(yīng)用支持子層幀格式1．應(yīng)用支持子層（APS）應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式應(yīng)用支持子層幀格式§3.2.4應(yīng)用層2．應(yīng)用層框架（AF）ZigBee應(yīng)用層框架是應(yīng)用設(shè)備和ZigBee設(shè)備連接的環(huán)境。在應(yīng)用層框架中，應(yīng)用對象通過APSDE-SAP發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而對應(yīng)用對象的控制和管理則通過ZigBee設(shè)備對象（ZDO）公用接口來實(shí)現(xiàn)?！?.2.4應(yīng)用層3．ZigBee設(shè)備對象（ZDO）

ZigBee設(shè)備對象位于應(yīng)用層框架和應(yīng)用支持子層之間，其描述的是一個(gè)基本的功能接口函數(shù)，這一功能接口函數(shù)在設(shè)備規(guī)范、APS和ZDO之間提供了函數(shù)接口，滿足所有應(yīng)用操作對ZigBee協(xié)議棧的一般需求。ZDO提供了相關(guān)接口，使應(yīng)用對象與協(xié)議棧的下一層相連，通過APSDE-SAP傳輸數(shù)據(jù)信息，通過APSME-SAP傳輸控制信息?！?.2.5ZigBee安全管理

ZigBee提供三級安全模式，包括非安全模式、接入控制列表（ACL）模式和安全模式，采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)AES-128的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。安全模式對接收或發(fā)送的幀提供全部的四種安全服務(wù)：訪問控制、數(shù)據(jù)加密、幀完整性檢查和序列更新。MAC層、NWK層和APL層都有可靠的安全傳輸機(jī)制用于它們自己的數(shù)據(jù)幀§3.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成利用ZigBee技術(shù)可以方便地組建廉價(jià)的低速率無線個(gè)域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)中的成員按照所具備功能的不同劃分成三個(gè)不同的種類，即協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持IEEE802.15.4定義的兩種類型的物理設(shè)備：全功能設(shè)備（FFD）、精簡功能設(shè)備（RFD）。§3.3.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)成員協(xié)調(diào)器功能示意圖§3.3.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)成員路由器功能示意圖§3.3.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)成員終端設(shè)備功能示意圖§3.3.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)§3.3.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其網(wǎng)絡(luò)建立流程是不一樣的。下面以網(wǎng)狀拓?fù)錇槔齺矸治鯶igBee網(wǎng)絡(luò)的建立流程。組建一個(gè)完整的ZigBee網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化；節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個(gè)步驟：通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)；通過已有父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。§3.3.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立ZigBee節(jié)點(diǎn)通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)流程§3.3.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立組網(wǎng)算法流程圖§3.4ZigBee技術(shù)的應(yīng)用

ZigBee技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域主要包括家庭自動化、家庭安全、工業(yè)與環(huán)境監(jiān)控、個(gè)人醫(yī)療看護(hù)等行業(yè)中的低速率無線通信，以下是在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)：空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制、照明系統(tǒng)的自動控制、窗簾的自動控制、家用電器的遠(yuǎn)程控制、門禁系統(tǒng)控制等。工業(yè)控制：結(jié)合各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。商業(yè)：智慧型標(biāo)簽等。§3.4ZigBee技術(shù)的應(yīng)用公共場所：煙霧探測器等。農(nóng)業(yè)控制：收集包括土壤濕度、氮濃度、pH值等土壤信息和空氣濕度、氣壓等氣候信息。醫(yī)療：醫(yī)療傳感器實(shí)時(shí)地檢測患者、老人與行動不便者的血壓、體溫和心跳等信息，有助于醫(yī)生對患者的監(jiān)護(hù)和治療。本章小結(jié)

ZigBee技術(shù)是一種低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、短距離的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee建立在IEEE802.15.4的無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之上。主要由IEEE802.15.4小組和ZigBee聯(lián)盟兩個(gè)組織負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)要解決的問題是設(shè)計(jì)一個(gè)維持最小流量的通信鏈路和低復(fù)雜度的無線收發(fā)信機(jī)。本章小結(jié)

IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和媒體訪問控制層。IEEE802.15.4定義的兩個(gè)物理層分別工作在868/915SMHz和2.4GHz兩個(gè)頻段上。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz的歐洲頻段和915MHz的美國與澳大利亞等國的頻段。高頻段則全球通用。本章小結(jié)

ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層架構(gòu)。其中應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層、應(yīng)用架構(gòu)層及ZigBee的設(shè)備對象以及制造商定義的應(yīng)用對象。每個(gè)層都有一套特定的服務(wù)方法和上一層連接。數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)，而管理實(shí)體提供所有的服務(wù)類型。每個(gè)層的服務(wù)實(shí)體通過服務(wù)接入點(diǎn)和上一層相接，每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)提供大量服務(wù)方法來完成相應(yīng)的操作。本章小結(jié)

ZigBee提供非安全模式、接入控制列表模式和安全模式三級安全模式，在安全模式采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)AES-128的對稱密碼，可依據(jù)應(yīng)用場景的不同靈活確定其安全屬性。本章小結(jié)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有三種組網(wǎng)方式：星型網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)。利用ZigBee技術(shù)可以靈活地組建廉價(jià)的低速率無線個(gè)域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)中的成員按照所具備功能的不同劃分成三個(gè)不同的種類，即協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。本章小結(jié)

Zigbee技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域主要包括家庭自動化、家庭安全、工業(yè)與環(huán)境監(jiān)控、個(gè)人醫(yī)療看護(hù)等行業(yè)中的低速率的無線通信。短距離無線通信技術(shù)第1章無線短距離通信概述第2章

WI-FI技術(shù)及其應(yīng)用第3章

ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用第4章

藍(lán)牙技術(shù)及其應(yīng)用第5章UWB技術(shù)和60GHz通信技術(shù)第6章無線短距離通信主動傳輸技術(shù)第7章無線短距離通信與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)第8章無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目錄第4章

藍(lán)牙技術(shù)及其應(yīng)用§4.2傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)§4.4低功耗藍(lán)牙技術(shù)§4.1藍(lán)牙技術(shù)概述§4.3高速藍(lán)牙技術(shù)§4.5藍(lán)牙4.1§4.6藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用

§4.1藍(lán)牙技術(shù)概述

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)達(dá)，各種通信電纜五花八門，人們在覺得它們必不可少的同時(shí)，又傷透了腦筋，如電纜使用不便、連線頻出故障、各種電纜之間無法通用等一系列問題。為了取消連線，以較低成本實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線通信，便誕生了藍(lán)牙技術(shù)，它是一種低功率短距離的無線連接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的代稱?！?.1藍(lán)牙技術(shù)概述

藍(lán)牙技術(shù)具有以下主要特點(diǎn):（1）工作頻率為2.4GHz及抗干擾性。藍(lán)牙技術(shù)工作在2.4GHz工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)ISM頻段，該頻段在世界范圍內(nèi)都可以自由使用，不存在“國界”障礙。為避免干擾，設(shè)計(jì)了小數(shù)據(jù)分組和快速確認(rèn)跳頻方案，以確保鏈路穩(wěn)定?！?.1藍(lán)牙技術(shù)概述

藍(lán)牙技術(shù)具有以下主要特點(diǎn):（2）使用方便，“即插即用”。嵌入藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備一旦搜尋到另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，馬上就可以建立聯(lián)系，利用相關(guān)的控制軟件，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。（3）支持語音。（4）無需基站。藍(lán)牙系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以藍(lán)牙模塊為節(jié)點(diǎn)，無須建立基站，就可以進(jìn)行無線連接?！?.1藍(lán)牙技術(shù)概述

藍(lán)牙技術(shù)具有以下主要特點(diǎn):（5）尺寸小、功耗低。藍(lán)牙工作或待機(jī)時(shí)所消耗的電能大約只相當(dāng)于手機(jī)的3％～5％，工作于3～5V的低電壓，它具有四種功耗模式，能夠在通信量減少或通信結(jié)束時(shí)轉(zhuǎn)入到低功耗模式?！?.1藍(lán)牙技術(shù)概述

藍(lán)牙技術(shù)具有以下主要特點(diǎn):（6）多路多方向鏈接。藍(lán)牙無線收發(fā)器的10m鏈接距離不限制在直線范圍內(nèi)，可穿透一般的障礙物。藍(lán)牙設(shè)備能自動尋找它周圍的藍(lán)牙設(shè)備，一旦找到就會自動連接，一個(gè)藍(lán)牙系統(tǒng)可同時(shí)連接多達(dá)7個(gè)設(shè)備，構(gòu)成一個(gè)微微網(wǎng)。相鄰的微微網(wǎng)之間可以通過一個(gè)同時(shí)跨接兩個(gè)微微網(wǎng)的設(shè)備相連，使這種無線連接的范圍得以延伸?！?.1藍(lán)牙技術(shù)概述

藍(lán)牙技術(shù)具有以下主要特點(diǎn):（7）保密性。藍(lán)牙傳輸具有全方位特性，因此它就有可能被任意方向的設(shè)備竊聽或破壞，所以藍(lán)牙的防竊聽能力就顯得格外重要。為此，藍(lán)牙在其基帶協(xié)議中加入了鑒權(quán)和加密措施。另外，藍(lán)牙采用的跳頻技術(shù)本身也具有一定的保密性能。§4.2傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)

傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)是基于藍(lán)牙2.1+EDR協(xié)議為基礎(chǔ)的藍(lán)牙技術(shù)。傳統(tǒng)藍(lán)牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)§4.2.1藍(lán)牙無線規(guī)范

根據(jù)藍(lán)牙發(fā)射功率的電平值，可以把藍(lán)牙設(shè)備劃分為3個(gè)功率等級，如表所示:功率等級最大輸出功率正常輸出功率最小輸出功率123100mW(20dBm)2.5mW(4dBm)1mW(0dBm)—1mW(0dBm)—1mW(0dBm)0.25mW(-6dBm)—藍(lán)牙功率等級§4.2.2藍(lán)牙基帶規(guī)范基帶層位于藍(lán)牙協(xié)議棧的藍(lán)牙射頻層之上，與射頻層一起構(gòu)成藍(lán)牙規(guī)范的物理層。藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，基帶部分將來自高層協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，向下傳給射頻進(jìn)行發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時(shí)，射頻解調(diào)恢復(fù)接收到的數(shù)據(jù)并上傳給基帶，基帶再對其進(jìn)行解碼，向高層傳輸。§4.2.2藍(lán)牙基帶規(guī)范從本質(zhì)上看，基帶層作為一個(gè)鏈接控制器，描述了基帶鏈路控制器的數(shù)字信號處理規(guī)范，并與鏈路管理器協(xié)同工作，負(fù)責(zé)執(zhí)行連接建立和功率控制等鏈路層的任務(wù)?；鶐瞻l(fā)器在跳頻（頻分）的同時(shí)將時(shí)間劃分（時(shí)分），采用時(shí)分雙工（TDD）工作方式（交替發(fā)送和接收），基帶負(fù)責(zé)把數(shù)字信號寫入收發(fā)器并從收發(fā)器中讀取數(shù)據(jù)?！?.2.3其他幾個(gè)重要協(xié)議藍(lán)牙整體協(xié)議架構(gòu)§4.2.3其他幾個(gè)重要協(xié)議1．鏈路管理協(xié)議（LMP）鏈路管理協(xié)議是藍(lán)牙協(xié)議棧中的一個(gè)重要組成部分。它主要完成三個(gè)方面的工作：①處理、控制和協(xié)商發(fā)送數(shù)據(jù)所使用的分組的大??；②管理藍(lán)牙單元的功率模式和在微微網(wǎng)中的狀態(tài)；③處理鏈路和密鑰的生成、交換與控制?！?.2.3其他幾個(gè)重要協(xié)議2．邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）L2CAP位于基帶協(xié)議之上，是數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，是一個(gè)為高層傳輸層和應(yīng)用層協(xié)議屏蔽基帶協(xié)議的適配協(xié)議。L2CAP通過協(xié)議的復(fù)用、分段和重組及提取，向上層協(xié)議提供面向鏈接和無鏈接的數(shù)據(jù)服務(wù)。L2CAP允許高層協(xié)議和應(yīng)用發(fā)送和接收高達(dá)64KB的數(shù)據(jù)分組，L2CAP還允許單信道的流控制和重傳。L2CAP只支持異步無鏈接（ACL）鏈路。§4.2.3其他幾個(gè)重要協(xié)議3．服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）是藍(lán)牙核心協(xié)議之一，是一個(gè)基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的協(xié)議，應(yīng)用程序依靠SDP發(fā)現(xiàn)哪些服務(wù)可用及這些服務(wù)的屬性。服務(wù)的屬性包括服務(wù)的類型及使用該服務(wù)必須具備的機(jī)制或協(xié)議等。服務(wù)器維護(hù)服務(wù)記錄列表，服務(wù)記錄列表描述與該服務(wù)器有關(guān)的服務(wù)的特征。每個(gè)服務(wù)列表包括服務(wù)的信息?？蛻舳丝梢酝ㄟ^發(fā)送SDP請求從服務(wù)器記錄中索取服務(wù)信息。