《短距離無(wú)線通信及組網(wǎng)技術(shù)》課件第1章

第1章緒論1.1短距離無(wú)線通信技術(shù)1.2各種短距離無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r1.3各種短距離無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn)比較1.4無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1.1短距離無(wú)線通信技術(shù)作為有線通信的補(bǔ)充和發(fā)展，無(wú)線通信系統(tǒng)自20世紀(jì)，特別是21世紀(jì)初以來(lái)得到了迅猛的發(fā)展。其中蜂窩移動(dòng)通信從模擬無(wú)線通信到數(shù)字無(wú)線通信，從早期的大區(qū)制蜂窩系統(tǒng)，支持很少的用戶，很低的數(shù)據(jù)速率，但是有較遠(yuǎn)的傳輸距離，到目前的宏蜂窩、微蜂窩，通信半徑越來(lái)越小，支持用戶越來(lái)越多，數(shù)據(jù)傳輸速率越來(lái)越高；從2?G、2.5?G到目前將要在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的3?G，毫無(wú)疑問(wèn)，蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的產(chǎn)生、發(fā)展及應(yīng)用是通信領(lǐng)域最偉大的成就之一。近年來(lái)，在計(jì)算機(jī)等相關(guān)技術(shù)的快速進(jìn)步，高性能、高集成度的CMOS和GaAs半導(dǎo)體技術(shù)和超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展及低功耗、低成本消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品對(duì)數(shù)據(jù)通信的強(qiáng)烈需求的推動(dòng)下，使得短距離無(wú)線通信技術(shù)得到了快速提高，無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)及移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(WMN)技術(shù)取得了巨大進(jìn)展，各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的相互融合也進(jìn)入了研究者的視野，未來(lái)包括蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、公共交換網(wǎng)絡(luò)(PSTN)、WLAN/WPAN、藍(lán)牙技術(shù)及ZigBee技術(shù)，均將融合集成到因特網(wǎng)的骨干網(wǎng)中。什么是短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)？到目前為止學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)此并沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的定義。一般來(lái)講，短距離無(wú)線通信的主要特點(diǎn)為通信距離短，覆蓋距離一般在10～200?m；另外，無(wú)線發(fā)射器的發(fā)射功率較低，發(fā)射功率一般小于100?mW，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。短距離無(wú)線通信技術(shù)的范圍很廣，在一般意義上，只要通信收發(fā)雙方通過(guò)無(wú)線電波傳輸信息，并且傳輸距離限制在較短的范圍內(nèi)，通常是幾十米以內(nèi)，就可以稱為短距離無(wú)線通信。低成本、低功耗和對(duì)等通信，是短距離無(wú)線通信技術(shù)的三個(gè)重要特征和優(yōu)勢(shì)。低功耗是相對(duì)其他無(wú)線通信技術(shù)而言的一個(gè)特點(diǎn)，這與其通信距離短這個(gè)先天特點(diǎn)密切相關(guān)。由于傳播距離近，遇到障礙物的幾率也小，因而發(fā)射功率普遍都很低，通常在１毫瓦量級(jí)。對(duì)等通信是短距離無(wú)線通信的重要特征，有別于基于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的無(wú)線通信技術(shù)。終端之間對(duì)等通信，無(wú)須網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行中轉(zhuǎn)，因此空中接口設(shè)計(jì)和高層協(xié)議都相對(duì)比較簡(jiǎn)單，無(wú)線資源的管理通常采用競(jìng)爭(zhēng)的方式(如載波偵聽(tīng))。一般來(lái)講，短距離無(wú)線通信技術(shù)從數(shù)據(jù)速率可分為高速短距離無(wú)線通信和低速短距離無(wú)線通信兩類(lèi)。高速短距離無(wú)線通信的最高數(shù)據(jù)速率高于100?Mb/s，通信距離小于10?m，典型技術(shù)有高速UWB；低速短距離無(wú)線通信的最低數(shù)據(jù)速率低于1?Mb/s，通信距離小于100?m，典型技術(shù)有ZigBee、低速UWB、藍(lán)牙。高速短距離無(wú)線通信技術(shù)，目前主要應(yīng)用于連接下一代便攜式消費(fèi)電器和通信設(shè)備。它支持各種高速率的多媒體應(yīng)用、高質(zhì)量聲像配送、多兆字節(jié)音樂(lè)和圖像文檔傳送等。低速短距離無(wú)線通信技術(shù)，主要用于家庭、工廠與倉(cāng)庫(kù)的自動(dòng)化控制、安全監(jiān)視、保健監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)視、軍事行動(dòng)、消防隊(duì)員操作指揮、貨單自動(dòng)更新、庫(kù)存實(shí)時(shí)跟蹤以及游戲和互動(dòng)式玩具等方面的低速應(yīng)用。1.2各種短距離無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r1.2.1藍(lán)牙技術(shù)早在1994年，瑞典的愛(ài)立信(Ericsson)公司便已經(jīng)著手藍(lán)牙技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作，意在通過(guò)一種短程無(wú)線連接替代已經(jīng)廣泛使用的有線連接。1998年2月，Ericsson、Nokia、Intel、Toshiba和IBM共同組建特別興趣小組。在此之后，3Com、Lucent、Microsoft和Motorola等公司也相繼加盟藍(lán)牙計(jì)劃。它們的共同目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種全球通用的小范圍無(wú)線通信技術(shù)，即藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)是針對(duì)目前近距離的便攜式器件之間的紅外線鏈路(InfraredLink，簡(jiǎn)稱IrDA)而提出的，應(yīng)用紅外線收發(fā)器連接雖然能免去電線或電纜的連接，但是使用起來(lái)有許多不便，不僅距離只限于1～2?ｍ，而且必須在視線上直接對(duì)準(zhǔn)，中間不能有任何阻擋，同時(shí)只限于在兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行連接，不能同時(shí)連接更多的設(shè)備。藍(lán)牙不是用于遠(yuǎn)距離通信的技術(shù)，它是低成本、短距離的無(wú)線個(gè)人網(wǎng)絡(luò)傳輸(WirelessPersonal

Area

Network，WPAN)應(yīng)用，其主要目標(biāo)是提供一個(gè)全世界通行的無(wú)線傳輸環(huán)境，通過(guò)無(wú)線電波來(lái)實(shí)現(xiàn)所有移動(dòng)設(shè)備之間的信息傳輸服務(wù)。這些移動(dòng)設(shè)備包括手機(jī)、筆記本電腦、PDA、數(shù)字相機(jī)、打印機(jī)等等。具體地說(shuō)，藍(lán)牙的目標(biāo)是提供一種通用的無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)，用微波取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中錯(cuò)綜復(fù)雜的電纜，在藍(lán)牙設(shè)備間實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信。因此，其載頻選用在全球都可用的2.45?GHzISM頻帶。藍(lán)牙收/發(fā)信機(jī)采用跳頻擴(kuò)譜(Frequency

Hopping

Spread

Spectrum，F(xiàn)HSS)技術(shù)。根據(jù)藍(lán)牙規(guī)范1.0B規(guī)定，在2.4～2.4835?GHz之間ISM頻帶上以1600跳/s的速率進(jìn)行跳頻，可以得到79個(gè)1?MHz帶寬的信道。跳頻技術(shù)的采用使得藍(lán)牙的無(wú)線鏈路自身具備了更高的安全性和抗干擾能力。除采用跳頻擴(kuò)譜的低功率傳輸外，藍(lán)牙還采用鑒權(quán)和加密等措施來(lái)提高通信的安全性。在發(fā)射帶寬為1?MHz時(shí)，藍(lán)牙的有效數(shù)據(jù)速率為721?kb/s，并采用低功率時(shí)分復(fù)用方式發(fā)射，適合10?cm～10?m范圍內(nèi)的通信，若是增加功率或是加上某些外設(shè)(如專用的放大器)，目前可達(dá)到100?m的距離。根據(jù)藍(lán)牙協(xié)議數(shù)據(jù)包在某個(gè)載頻上的某個(gè)時(shí)隙內(nèi)傳遞，不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)(包括鏈路管理和控制消息)占用不同信道，并通過(guò)查詢(Inquiry)和尋呼(Paging)過(guò)程來(lái)同步跳頻頻率和不同藍(lán)牙設(shè)備的時(shí)鐘。藍(lán)牙寬帶協(xié)議結(jié)合電路開(kāi)關(guān)和分組交換機(jī)，適用于語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)聲道支持64?kb/s同步(語(yǔ)音)鏈接，而異步信道支持任一方向上高到721?kb/s和回程方向57.6?kb/s的非對(duì)稱鏈接。因此，它可以足夠快地應(yīng)付蜂窩系統(tǒng)上非常大的數(shù)據(jù)傳輸率。藍(lán)牙支持點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，可采用無(wú)線方式將若干藍(lán)牙設(shè)備連成一個(gè)微微網(wǎng)，多個(gè)微微網(wǎng)又可互聯(lián)成特殊分散網(wǎng)，形成靈活的多重微微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)各類(lèi)設(shè)備之間的快速通信。它能在一個(gè)微微網(wǎng)內(nèi)尋址8個(gè)設(shè)備(實(shí)際上互聯(lián)的設(shè)備數(shù)量是沒(méi)有限制的，只不過(guò)在同一時(shí)刻只能激活8個(gè)，其中1個(gè)為主設(shè)備，7個(gè)為從設(shè)備)。藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1.0的版本已由該藍(lán)牙特殊利益集團(tuán)于1999年7月26日正式向全世界發(fā)布。這是一個(gè)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的、完整而全面的技術(shù)規(guī)范，它可以使計(jì)算機(jī)、通信和信息家電的生產(chǎn)廠家按照此技術(shù)規(guī)范真正能夠開(kāi)始設(shè)計(jì)和制造嵌入藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品。作為一種電纜替代技術(shù)，藍(lán)牙具有低成本、高速率的特點(diǎn)，它可把內(nèi)嵌有藍(lán)牙芯片的計(jì)算機(jī)、手機(jī)和多種便攜通信終端互聯(lián)起來(lái)，為其提供語(yǔ)音和數(shù)字接入服務(wù)，實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)交換和處理，并且藍(lán)牙的使用和維護(hù)成本據(jù)稱要低于其他任何一種無(wú)線技術(shù)。目前藍(lán)牙技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是多點(diǎn)連接，即一臺(tái)設(shè)備同時(shí)與多臺(tái)(最多7臺(tái))其他設(shè)備互聯(lián)。今后，市場(chǎng)上不同廠商的藍(lán)牙產(chǎn)品將能夠相互聯(lián)通。藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用主要有以下三類(lèi)：

(1)語(yǔ)音/數(shù)據(jù)接入，指將一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)安全的無(wú)線鏈路連接到通信設(shè)備上，完成與廣域網(wǎng)的連接。

(2)外圍設(shè)備互聯(lián)，指將各種設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙鏈路連接到主機(jī)上。

(3)個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)，主要用于個(gè)人網(wǎng)絡(luò)與信息的共享與交換。藍(lán)牙技術(shù)出眾的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)藍(lán)牙工作在全球開(kāi)放的2.4?GHzISM頻段。

(2)使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)，把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道(HopChannel)，在一次連接中，無(wú)線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個(gè)信道“跳”到另一個(gè)信道。

(3)一臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備可同時(shí)與其他7臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備建立連接。

(4)數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mb/s。

(5)低功耗、通信安全性好。

(6)在有效范圍內(nèi)可越過(guò)障礙物進(jìn)行連接，沒(méi)有特別的通信視角和方向要求。

(7)組網(wǎng)簡(jiǎn)單方便。采用“即插即用”的概念，嵌入藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備一旦搜索到另一藍(lán)牙設(shè)備，馬上就可以建立連接，傳輸數(shù)據(jù)。

(8)支持語(yǔ)音傳輸。1.2.2Wi-Fi技術(shù)

Wi-Fi(WirelessFidelity，無(wú)線高保真)屬于無(wú)線局域網(wǎng)的一種，通常是指符合IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，是利用無(wú)線接入手段的新型局域網(wǎng)解決方案。Wi-Fi的主要特點(diǎn)是傳輸速率高、可靠性高、建網(wǎng)快速便捷、可移動(dòng)性好、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)彈性化、組網(wǎng)靈活、組網(wǎng)價(jià)格較低等。與藍(lán)牙技術(shù)一樣，Wi-Fi技術(shù)同屬于短距離無(wú)線通信技術(shù)。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面Wi-Fi技術(shù)比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá)100?m左右，不用說(shuō)家庭、辦公室，就是小一點(diǎn)的整棟大樓也可使用。

Wi-Fi技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按其速度和技術(shù)新舊可分為：IEEE?802.11b、IEEE?802.11a、IEEE?802.11g。

IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布于1999年9月，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它的工作頻率也是2.4?GHz，與無(wú)繩電話、藍(lán)牙等許多不需要頻率使用許可證的無(wú)線設(shè)備共享同一頻段，且采用加強(qiáng)版的DSSS，傳輸率可以根據(jù)環(huán)境的變化在11?Mb/s、5.5?Mb/s、2?Mb/s和1?Mb/s之間動(dòng)態(tài)切換。目前IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的WLAN標(biāo)準(zhǔn)，其缺點(diǎn)是速度還是不夠高，且所在的2.4?GHz的ISM頻段的帶寬比較窄(僅有85?MHz)，同時(shí)還要受到微波、藍(lán)牙等多種干擾源的干擾。

IEEE?802.11a標(biāo)準(zhǔn)使用5?GHz-NII頻率，總帶寬達(dá)到300?MHz，遠(yuǎn)大于IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)所在的ISM頻段，且這個(gè)頻段比較干凈，干擾源較少。它使用OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分多路復(fù)用)調(diào)制技術(shù)，傳輸速率為54?Mb/s，比IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)采用的補(bǔ)碼鍵控(ComplementaryCodeKeying，CCK)調(diào)制方案快。但是，因?yàn)镮EEE?802.11a標(biāo)準(zhǔn)采用的設(shè)備的制造成本比較高，且與目前市場(chǎng)早已廣泛部署的IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備不兼容，所以，雖然推出很久，但是卻一直無(wú)法挑戰(zhàn)IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)的主流地位。速度更快的IEEE?802.11g標(biāo)準(zhǔn)使用與IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)相同的2.4?GHz的ISM免特許頻段，采用了兩種調(diào)制方式：IEEE?802.11a標(biāo)準(zhǔn)采用的OFDM和IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)采用的CCK。通過(guò)采用這兩種分別與IEEE?802.11a標(biāo)準(zhǔn)和IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)相同的調(diào)制方式，使IEEE?802.11g標(biāo)準(zhǔn)不但達(dá)到了IEEE?802.11a標(biāo)準(zhǔn)的54?Mb/s的傳輸速率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)在廣泛采用的IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的兼容。IEEE?802.11g標(biāo)準(zhǔn)雖然還在草稿階段，但是根據(jù)最近國(guó)際消費(fèi)電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)判斷，IEEE?802.11g標(biāo)準(zhǔn)將有可能被大多數(shù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：其一，無(wú)線電波的覆蓋范圍廣，基于藍(lán)牙技術(shù)的電波覆蓋范圍非常小，半徑大約只有15?m，而Wi-Fi的半徑則可達(dá)100?m左右。最近，Vivato公司推出了一款新型交換機(jī)，據(jù)悉，該款產(chǎn)品能夠把目前Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接近100?m的通信距離擴(kuò)大到約6500?m。其二，雖然由Wi-Fi技術(shù)傳輸?shù)臒o(wú)線通信質(zhì)量不是很好，數(shù)據(jù)安全性能比藍(lán)牙差一些，傳輸質(zhì)量也有待改進(jìn)，但傳輸速度非?？?，可以達(dá)到11?Mb/s，符合個(gè)人和社會(huì)信息化的需求。其三，廠商進(jìn)入該領(lǐng)域的門(mén)檻比較低。廠商只要在機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、咖啡店、圖書(shū)館等人員較密集的地方設(shè)置“熱點(diǎn)”，并通過(guò)高速線路將Internet接入上述場(chǎng)所。這樣，由于“熱點(diǎn)”所發(fā)射出的電波可以達(dá)到距接入點(diǎn)半徑數(shù)十米至100米的地方，用戶只要將支持無(wú)線LAN的筆記本電腦或PDA拿到該區(qū)域內(nèi)，即可高速接入Internet。也就是說(shuō)，廠商不用耗費(fèi)資金來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線接入，從而節(jié)省了大量的成本。

Wi-Fi是由AP(AccessPoint)和無(wú)線網(wǎng)卡組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。AP一般稱為網(wǎng)絡(luò)橋接器或接入點(diǎn)，它是當(dāng)作傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，因此任何一臺(tái)裝有無(wú)線網(wǎng)卡的PC均可透過(guò)AP去分享有線局域網(wǎng)絡(luò)甚至廣域網(wǎng)絡(luò)的資源，其工作原理相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)置無(wú)線發(fā)射器的Hub或者是路由；而無(wú)線網(wǎng)卡則是負(fù)責(zé)接收由AP所發(fā)射信號(hào)的CLIENT端設(shè)備。Wi-Fi與有線相比有許多優(yōu)點(diǎn)，具體如下：

(1)無(wú)須布線。Wi-Fi最主要的優(yōu)勢(shì)在于不需要布線，可以不受布線條件的限制，因此非常適合移動(dòng)辦公用戶的需要，具有廣闊的市場(chǎng)前景。目前它已經(jīng)從傳統(tǒng)的醫(yī)療保健、庫(kù)存控制和管理服務(wù)等特殊行業(yè)向更多行業(yè)拓展開(kāi)去，甚至開(kāi)始進(jìn)入家庭以及教育機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域。

(2)健康安全。IEEE?802.11規(guī)定的發(fā)射功率不可超過(guò)100?mW，實(shí)際發(fā)射功率約為60～70?mW，這是一個(gè)什么樣的概念呢？手機(jī)的發(fā)射功率約為200?mW～1?W之間，手持式對(duì)講機(jī)的發(fā)射功率高達(dá)5?W，而且無(wú)線網(wǎng)絡(luò)使用方式并非像手機(jī)一樣直接接觸人體，應(yīng)該是絕對(duì)安全的。

(3)簡(jiǎn)單的組建方法。一般架設(shè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的基本配備就是無(wú)線網(wǎng)卡及一臺(tái)AP，如此便能以無(wú)線的模式，配合既有的有線架構(gòu)來(lái)分享網(wǎng)絡(luò)資源，架設(shè)費(fèi)用和復(fù)雜程序遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)。如果只是幾臺(tái)電腦的對(duì)等網(wǎng)，也可不用AP，只需為每臺(tái)電腦配備無(wú)線網(wǎng)卡。特別是對(duì)于寬帶的使用，Wi-Fi更顯優(yōu)勢(shì)，有線寬帶網(wǎng)絡(luò)(ADSL、小區(qū)局域網(wǎng)(LAN)等)到戶后，連接到一個(gè)AP，然后在電腦中安裝一塊無(wú)線網(wǎng)卡即可。普通的家庭有一個(gè)AP已經(jīng)足夠，甚至用戶的鄰里得到授權(quán)后，無(wú)須增加端口，也能以共享的方式上網(wǎng)。

(4)長(zhǎng)距離工作。雖然無(wú)線Wi-Fi的工作距離不大，但是在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完備的情況下，IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)的真實(shí)工作距離可以達(dá)到100?m以上，解決了高速移動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)問(wèn)題、誤碼問(wèn)題，Wi-Fi設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與基站之間的切換和安全認(rèn)證都得到了很好的實(shí)現(xiàn)。1.2.3IrDA技術(shù)紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)(InfraredDataAssociation，IrDA)成立于1993年，是致力于建立紅外線無(wú)線連接的非營(yíng)利組織。起初，采用IrDA標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線設(shè)備僅能在1?m范圍內(nèi)以115.2?kb/s的速率傳輸數(shù)據(jù)，很快發(fā)展到4?Mb/s的速率，后來(lái)，速率又達(dá)到16?Mb/s。

IrDA技術(shù)是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)，它也許是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)的技術(shù)。目前它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備(如PDA、手機(jī))上廣泛使用。事實(shí)上，當(dāng)今每一個(gè)出廠的PDA及許多手機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)等產(chǎn)品都支持IrDA技術(shù)。

IrDA的主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須申請(qǐng)頻率的使用權(quán)，因而紅外通信成本低廉。它還具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)；由于數(shù)據(jù)傳輸率較高，因而適于傳輸大容量的文件和多媒體數(shù)據(jù)。此外，紅外線發(fā)射角度較小，傳輸安全性高。

IrDA的不足在于它是一種視距傳輸，2個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)，中間不能被其他物體阻隔，因而該技術(shù)只能用于2臺(tái)(非多臺(tái))設(shè)備之間的連接。IrDA目前的研究方向是如何解決視距傳輸問(wèn)題及提高數(shù)據(jù)傳輸率。1.2.4UWB技術(shù)超寬帶技術(shù)(UltraWideband，UWB)是另一個(gè)新發(fā)展起來(lái)的無(wú)線通信技術(shù)。UWB通過(guò)基帶脈沖作用于天線的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。窄脈沖(小于1ns)產(chǎn)生極大帶寬的信號(hào)。脈沖采用脈位調(diào)制(PulsePositionModulation，PPM)或二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)調(diào)制。UWB被允許在3.1～10.6GHz的波段內(nèi)工作，主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率，能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中。除此之外，這種新技術(shù)適用于對(duì)速率要求非常高(大于100Mb/s)的LAN或PAN。軍事部門(mén)已對(duì)UWB進(jìn)行了多年研究，開(kāi)發(fā)出了分辨率極高的雷達(dá)。直到2002年2月14日，美國(guó)FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì))才準(zhǔn)許該技術(shù)進(jìn)入民用領(lǐng)域。所以對(duì)于商業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域，UWB還是新鮮事物。但據(jù)報(bào)道，一些公司已開(kāi)發(fā)出UWB收發(fā)器，用于制造能夠看穿墻壁、地面的雷達(dá)和圖像裝置，這種裝置可以用來(lái)檢查道路、橋梁及其他混凝土和瀝青結(jié)構(gòu)建筑中的缺陷，可用于地下管線、電纜和建筑結(jié)構(gòu)的定位。另外，在消防、救援、治安防范及醫(yī)療、醫(yī)學(xué)圖像處理中都大有用武之地。

UWB的一個(gè)非常有前途的應(yīng)用是汽車(chē)防撞系統(tǒng)。戴姆勒克萊斯勒公司已經(jīng)試制出用于自動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)的雷達(dá)。在不久的將來(lái)，這種防撞雷達(dá)將成為高級(jí)汽車(chē)的一個(gè)選件。UWB最具特色的應(yīng)用將是視頻消費(fèi)娛樂(lè)方面的無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)?？疾飕F(xiàn)有的無(wú)線通信方式，IEEE?802.11b標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙的速率太慢，不適合傳輸視頻數(shù)據(jù)；54?Mb/s速率的IEEE?802.11a標(biāo)準(zhǔn)可以處理視頻數(shù)據(jù)，但費(fèi)用昂貴；而UWB有可能在10?m范圍內(nèi)，支持高達(dá)110?Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，不需要壓縮數(shù)據(jù)，可以快速、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)地完成視頻數(shù)據(jù)處理。1.2.5NFC技術(shù)

NFC(NearFieldCommunication，近距離無(wú)線傳輸)是由Philips、Nokia和Sony公司主推的一種類(lèi)似于RFID(非接觸式射頻識(shí)別)的短距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。和RFID不同，NFC采用了雙向的識(shí)別和連接。在20?cm距離內(nèi)工作于13.56?MHz頻率范圍。

NFC最初僅僅是遙控識(shí)別和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的合并，但現(xiàn)在已發(fā)展成無(wú)線連接技術(shù)。它能快速自動(dòng)地建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為蜂窩設(shè)備、藍(lán)牙設(shè)備、Wi-Fi設(shè)備提供一個(gè)“虛擬連接”，使電子設(shè)備可以在短距離范圍進(jìn)行通信。NFC的短距離交互大大簡(jiǎn)化了整個(gè)認(rèn)證識(shí)別過(guò)程，使電子設(shè)備間互相訪問(wèn)更直接、更安全和更清楚，不會(huì)再聽(tīng)到各種電子雜音。

NFC通過(guò)在單一設(shè)備上組合所有的身份識(shí)別應(yīng)用和服務(wù)，幫助解決記憶多個(gè)密碼的麻煩，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)的安全保護(hù)。有了NFC，多個(gè)設(shè)備如數(shù)碼相機(jī)、PDA、機(jī)頂盒、電腦、手機(jī)等之間的無(wú)線互聯(lián)、彼此交換數(shù)據(jù)或服務(wù)都將有可能實(shí)現(xiàn)。此外，NFC還可以將其他類(lèi)型無(wú)線通信(如Wi-Fi和藍(lán)牙)“加速”，實(shí)現(xiàn)更快和更遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè)電子設(shè)備都有自己的專用應(yīng)用菜單，而NFC可以創(chuàng)建快速安全的連接，而無(wú)須在眾多接口的菜單中進(jìn)行選擇。與知名的藍(lán)牙等短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)不同的是，NFC的作用距離進(jìn)一步縮短且不像藍(lán)牙那樣需要有對(duì)應(yīng)的加密設(shè)備。同樣，構(gòu)建Wi-Fi家族無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需要多臺(tái)具有無(wú)線網(wǎng)卡的電腦、打印機(jī)和其他設(shè)備。除此之外，還得有一定技術(shù)的專業(yè)人員才能勝任這一工作。而NFC被置入接入點(diǎn)之后，只要將其中兩個(gè)靠近就可以實(shí)現(xiàn)交流，比配置Wi-Fi連接容易得多。1.2.6ZigBee技術(shù)

ZigBee可以說(shuō)是藍(lán)牙的同族兄弟，它使用2.4?GHz波段，采用跳頻技術(shù)。與藍(lán)牙相比，ZigBee更簡(jiǎn)單，速率更慢，功率及費(fèi)用也更低。它的基本速率是250?kb/s，當(dāng)降低到28?kb/s時(shí)，傳輸范圍可擴(kuò)大到134?m，并獲得更高的可靠性。另外，ZigBee可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)，比藍(lán)牙能更好地支持游戲、消費(fèi)電子、儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用。人們期望能在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)和玩具等領(lǐng)域繼續(xù)拓展ZigBee的應(yīng)用。1.3各種短距離無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn)比較上面簡(jiǎn)單地介紹了各種無(wú)線通信技術(shù)的特征，同時(shí)對(duì)近年來(lái)相關(guān)短距離無(wú)線通信技術(shù)的性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。表1-1為幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)在通信速率、通信特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合的比較。1.4無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于有線通信方式對(duì)應(yīng)用范圍的限制，無(wú)線通信技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，但是一般來(lái)說(shuō)，移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)通常以蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或無(wú)線局域網(wǎng)的形式存在，也就是說(shuō)，需要以通信基站或者無(wú)線局域網(wǎng)接入點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。在蜂窩移動(dòng)通信中，移動(dòng)通信基站負(fù)責(zé)終端的接入，路由和交換功能通過(guò)移動(dòng)交換機(jī)提供，同時(shí)通過(guò)移動(dòng)交換機(jī)接入公用固定網(wǎng)絡(luò)；在無(wú)線局域網(wǎng)中，具備無(wú)線網(wǎng)卡的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線接入點(diǎn)連接到局域網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線網(wǎng)橋可以連接兩個(gè)距離較遠(yuǎn)并且不方便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線的局域網(wǎng)，無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層完成橋接和信號(hào)中繼功能。從網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議來(lái)看，無(wú)線局域網(wǎng)是一個(gè)單跳網(wǎng)絡(luò)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的快速發(fā)展與普及，在Internet環(huán)境下，移動(dòng)IP協(xié)議可以支持主機(jī)的移動(dòng)性，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)連接到存在外地代理的固定有線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線鏈路或撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)等各種方式接入Internet。在移動(dòng)IP協(xié)議中，為支持節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性引入了地址管理機(jī)制，但是在Internet骨干網(wǎng)中，仍然采用原有的路由協(xié)議(RIP、OSPF等)進(jìn)行IP數(shù)據(jù)分組的逐跳轉(zhuǎn)發(fā)?？傮w來(lái)講，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線局域、移動(dòng)IP協(xié)議都屬于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施范疇，它們需要類(lèi)似基站、訪問(wèn)服務(wù)點(diǎn)或外地代理這樣的中心控制設(shè)備。但是，在很多特殊環(huán)境(如動(dòng)態(tài)環(huán)境下)和應(yīng)急情況下，沒(méi)有可用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施如何通信？這就要求能夠動(dòng)態(tài)的、可以快速部署的、不依賴或者很少依賴現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)，也就是無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，也稱Adhoc網(wǎng)絡(luò)。

Adhoc網(wǎng)絡(luò)中信息流采用分組數(shù)據(jù)格式，傳輸采用包交換機(jī)制，基于TCP/IP協(xié)議族。若干個(gè)移動(dòng)終端組成一個(gè)獨(dú)立的IP網(wǎng)絡(luò)，與固定的互聯(lián)網(wǎng)并行，需要時(shí)也可以與固定的互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)。根據(jù)底層采用的無(wú)線通信技術(shù)而有所不同，網(wǎng)絡(luò)部署速度從數(shù)秒到數(shù)個(gè)小時(shí)。1.4.1無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的基本概念無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)(AdhocNetwork)是由一組帶有無(wú)線通信收發(fā)裝置的移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳臨時(shí)性無(wú)中心網(wǎng)絡(luò)，可以在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)快速構(gòu)建起一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，并且不需要現(xiàn)有信息基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的支持，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)終端可以自由移動(dòng)，地位相等，也稱為多跳無(wú)線網(wǎng)(Multi-hopWirelessNetwork)。

Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一種移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，是移動(dòng)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的一種類(lèi)型，它是移動(dòng)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的交叉和結(jié)合。一方面，網(wǎng)絡(luò)的信息交換采用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的分組交換機(jī)制，而不是電話交換網(wǎng)中的電路交換機(jī)制；另一方面，用戶終端是可以移動(dòng)的便攜式終端，如筆記本計(jì)算機(jī)、PDA、車(chē)載機(jī)等，并配置有相應(yīng)的無(wú)線收發(fā)裝置，用戶可以隨意移動(dòng)或處于靜止?fàn)顟B(tài)。在自組網(wǎng)中，用戶終端不僅可以移動(dòng)，而且兼有路由器和主機(jī)兩種功能。一方面作為主機(jī)，終端具有運(yùn)行各種面向用戶的應(yīng)用程序的能力；同時(shí)，作為路由器，終端可以運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議，根據(jù)路由策略和路由表完成數(shù)據(jù)的分組轉(zhuǎn)發(fā)和路由維護(hù)工作。在部分通信網(wǎng)絡(luò)遭到破壞后，這種分布式控制和無(wú)中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能維持剩余的通信能力，確保重要的通信指揮暢通，因而具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性。作為一種無(wú)中心分布控制網(wǎng)絡(luò)，自組網(wǎng)是一種自治的無(wú)線多跳網(wǎng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，可以在不能利用或不方便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的情況下，提供通信支撐環(huán)境，拓寬移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合。自組網(wǎng)中沒(méi)有固定的路由器，所有節(jié)點(diǎn)都是移動(dòng)的，并且都可以以任意的方式動(dòng)態(tài)地保持與其他節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系。在這種環(huán)境中，由于終端的無(wú)線覆蓋范圍的有限性，兩個(gè)無(wú)法直接進(jìn)行通信的用戶終端可以借助于其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可以充當(dāng)路由器，完成發(fā)現(xiàn)和維持到其他節(jié)點(diǎn)路由的功能。1.4.2無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的分類(lèi)

1．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測(cè)量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。在通信方式上，雖然可以采用有線、無(wú)線、紅外和光等多種形式，但一般認(rèn)為短距離的無(wú)線低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用，為明確起見(jiàn)，一般稱做無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(如WLAN和蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò))有著不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，后者在高度移動(dòng)的環(huán)境中通過(guò)優(yōu)化路由和資源管理策略最大化帶寬的利用率，同時(shí)為用戶提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止的。因?yàn)樗鼈兺ǔ＿\(yùn)行在人無(wú)法接近的惡劣的甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，能源無(wú)法替代，設(shè)計(jì)有效的策略延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問(wèn)題。當(dāng)然,從理論上講，太陽(yáng)能電池能持久地補(bǔ)給能源，但工程實(shí)踐中生產(chǎn)這種微型化的電池還有相當(dāng)?shù)碾y度。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究初期，人們一度認(rèn)為成熟的Internet技術(shù)加上Adhoc路由機(jī)制對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是足夠充分的，但深入的研究表明：傳感器網(wǎng)絡(luò)有著與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)明顯不同的技術(shù)要求，前者以數(shù)據(jù)為中心，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。為了適應(yīng)廣泛的應(yīng)用程序，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)遵循著“端到端”的邊緣論思想，強(qiáng)調(diào)將一切與功能相關(guān)的處理都放在網(wǎng)絡(luò)的端系統(tǒng)上，中間節(jié)點(diǎn)僅僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)，這未必是一種合理的選擇。一些為自組織的Adhoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的協(xié)議和算法未必適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和應(yīng)用的要求。節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)(如地址等)的作用在傳感器網(wǎng)絡(luò)中就顯得不是十分重要，因?yàn)閼?yīng)用程序不怎么關(guān)心單節(jié)點(diǎn)上的信息；中間節(jié)點(diǎn)上與具體應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)處理、融合和緩存也顯得很有必要。在密集型的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離非常短，低功耗的多跳通信模式節(jié)省功耗，同時(shí)增加了通信的隱蔽性，也避免了長(zhǎng)距離的無(wú)線通信易受外界噪聲干擾的影響。這些獨(dú)特的要求和制約因素為傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究提出了新的技術(shù)問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線Adhoc網(wǎng)絡(luò)相比有以下差異：

(1)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多。

(2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)密度較大。

(3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信主要采用廣播和組播。

(4)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間有限。

1)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

(1)節(jié)點(diǎn)組成。在不同應(yīng)用中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這四部分組成。被監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的形式?jīng)Q定了傳感器的類(lèi)型。處理器通常選用嵌入式CPU，如Motorola的68HC16、ARM公司的ARM7和Intel的8086等。數(shù)據(jù)傳輸單元主要由低功耗、短距離的無(wú)線通信模塊組成，比如RFM公司的TR1000等。因?yàn)樾枰M(jìn)行較復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度與管理，系統(tǒng)需要一個(gè)微型化的操作系統(tǒng)，UCBerkeley為此專門(mén)開(kāi)發(fā)了TinyOS，當(dāng)然，mCOS-II和嵌入式Linux等也是不錯(cuò)的選擇。圖1-1描述了傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成，其中箭頭的方向表示數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)中的流動(dòng)方向。圖1-1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成

(2)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)任意散落在被監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，這一過(guò)程是通過(guò)飛行器撒播、人工埋置和火箭彈射等方式完成的。節(jié)點(diǎn)以自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)多跳中繼方式將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳到Sink節(jié)點(diǎn)，最終借助長(zhǎng)距離或臨時(shí)建立的Sink鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程中心以進(jìn)行集中處理。衛(wèi)星鏈路可用作Sink鏈路，借助游弋在監(jiān)測(cè)區(qū)上空的無(wú)人飛機(jī)回收Sink節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)也是一種方式。傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

2)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

MEMS支持下的微小傳感器技術(shù)和節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信能力為傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景，主要體現(xiàn)在軍事、環(huán)境、健康、家庭和其他商業(yè)領(lǐng)域。當(dāng)然,在空間探索和災(zāi)難拯救等特殊的領(lǐng)域中，傳感器網(wǎng)絡(luò)也有其得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(1)軍事應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域中，傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)成為C4ISRT(Command，Control，Communication，Computing，Intelligence，Surveillance，ReconnaissanceandTargeting)系統(tǒng)不可或缺的一部分。C4ISRT系統(tǒng)的目標(biāo)是利用先進(jìn)的高新技術(shù)，為未來(lái)的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè)計(jì)一個(gè)集命令、控制、通信、計(jì)算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場(chǎng)指揮系統(tǒng)，這受到了軍事發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍重視。因?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的，自組織性和容錯(cuò)能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無(wú)法比擬的，也正是這一點(diǎn)，使傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，包括監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標(biāo)，評(píng)估損失，偵察和探測(cè)核、生物和化學(xué)攻擊。在戰(zhàn)場(chǎng)上，指揮員往往需要及時(shí)準(zhǔn)確地了解部隊(duì)、武器裝備和軍用物資供給的情況。鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息，并通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)送至指揮所，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來(lái)自各戰(zhàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢(shì)圖。在戰(zhàn)爭(zhēng)中，對(duì)沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關(guān)重要的，通過(guò)鋪設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，以更隱蔽的方式近距離地觀察敵方的布防；當(dāng)然，也可以直接將傳感器節(jié)點(diǎn)撒向敵方陣地，在敵方還未來(lái)得及反應(yīng)時(shí)迅速收集利于作戰(zhàn)的信息。傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息。在生物和化學(xué)戰(zhàn)中，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)及時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)爆炸中心，將會(huì)為我軍提供寶貴的反應(yīng)時(shí)間，從而最大可能地減小傷亡。傳感器網(wǎng)絡(luò)也可避免核反應(yīng)部隊(duì)直接暴露在核輻射的環(huán)境中。在軍事應(yīng)用中，與獨(dú)立的衛(wèi)星和地面雷達(dá)系統(tǒng)相比，傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①分布節(jié)點(diǎn)中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比，這一直是衛(wèi)星和雷達(dá)這類(lèi)獨(dú)立系統(tǒng)難以克服的技術(shù)問(wèn)題之一。②傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、高冗余的設(shè)計(jì)原則為整個(gè)系統(tǒng)提供了較強(qiáng)的容錯(cuò)能力。③傳感器節(jié)點(diǎn)與探測(cè)目標(biāo)的近距離接觸大大消除了環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響。④節(jié)點(diǎn)中多種傳感器的混合應(yīng)用有利于提高探測(cè)的性能指標(biāo)。⑤多節(jié)點(diǎn)聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測(cè)區(qū)域。⑥借助于個(gè)別具有移動(dòng)能力的節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的調(diào)整能力,可以有效地消除探測(cè)區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點(diǎn)。

(2)環(huán)境科學(xué)。隨著人們對(duì)于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來(lái)越廣泛。通過(guò)傳統(tǒng)方式采集原始數(shù)據(jù)是一件困難的工作，傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便，比如，跟蹤候鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的遷移，研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響，監(jiān)測(cè)海洋、大氣和土壤的成分等。ALERT系統(tǒng)中就有數(shù)種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)降雨量、河水水位和土壤水分，并依此預(yù)測(cè)爆發(fā)山洪的可能性。類(lèi)似地，傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)準(zhǔn)確、及時(shí)地預(yù)報(bào)森林火災(zāi)也是有幫助的。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中，以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)、土壤的酸堿度和施肥狀況等。

(3)醫(yī)療健康。如果在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn)，如心率和血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備，利用傳感器網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情，進(jìn)行及時(shí)處理。還可以利用傳感器網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在研制新藥品的過(guò)程中是非常有用的，而安裝在被監(jiān)測(cè)對(duì)象身上的微型傳感器也不會(huì)給人的正常生活帶來(lái)太多的不便。此外，在藥物管理等諸多方面，它也有新穎而獨(dú)特的應(yīng)用?？傊瑐鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)為未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了更加方便、快捷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。

(4)空間探索。探索外部星球一直是人類(lèi)夢(mèng)寐以求的理想，借助于航天器布撒的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表面長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，應(yīng)該是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。NASA的JPL(JetPropulsionLaboratory)研制的SensorWebs就是為將來(lái)的火星探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的，已在佛羅里達(dá)宇航中心周?chē)沫h(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試和完善。

(5)其他商業(yè)應(yīng)用。自組織、微型化和對(duì)外部世界的感知能力是傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了傳感器網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)領(lǐng)域也會(huì)有不少的機(jī)會(huì)。比如，嵌入家具和家電中的傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Internet連接在一起，將會(huì)為我們提供更加舒適、方便和具有人性化的智能家居環(huán)境；德國(guó)某研究機(jī)構(gòu)正在利用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為足球裁判研制一套輔助系統(tǒng)，以減小足球比賽中越位和進(jìn)球的誤判率。此外，在災(zāi)難拯救、倉(cāng)庫(kù)管理、交互式博物館、交互式玩具、工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)都將會(huì)孕育出全新的設(shè)計(jì)和應(yīng)用模式。

2．移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)在移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)中，各個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)都可以自由移動(dòng)，因此事實(shí)上很多文獻(xiàn)均將無(wú)線Adhoc網(wǎng)絡(luò)等同于移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)，本書(shū)中討論的也均為移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)范疇。移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)變化的基于無(wú)線信道的自組織網(wǎng)絡(luò)，它的體系結(jié)構(gòu)、QoS保障和應(yīng)用等問(wèn)題比較復(fù)雜并難以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)和蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中使用的各種協(xié)議和技術(shù)無(wú)法被直接使用，因此需要為Adhoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)專門(mén)的協(xié)議和技術(shù)。

1)移動(dòng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

Adhoc網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)變化的基于無(wú)線信道的自組織網(wǎng)絡(luò)，它的體系結(jié)構(gòu)、QoS保障和應(yīng)用等問(wèn)題比較復(fù)雜并難以實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)和蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中使用的各種協(xié)議和技術(shù)無(wú)法被直接使用，因此需要為Adhoc網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)專門(mén)的協(xié)議和技術(shù)。

(1)信道接入技術(shù)。信道接入技術(shù)控制著節(jié)點(diǎn)如何接入無(wú)線信道，對(duì)Adhoc網(wǎng)絡(luò)的性能起著決定性的作用。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線信道不同于普通網(wǎng)絡(luò)的共享廣播信道、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線信道和蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中由基站控制的無(wú)線信道，它是多跳共享的多點(diǎn)信道。此外，Adhoc網(wǎng)絡(luò)還存在隱終端、暴露終端和入侵終端等問(wèn)題。

(2)路由協(xié)議。路由協(xié)議是Adhoc網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。要實(shí)現(xiàn)無(wú)線多跳路由，必須要有專用路由協(xié)議的支持。IETF成立的MANET工作組目前主要負(fù)責(zé)Adhoc網(wǎng)絡(luò)IP層路由的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

(3)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。早期的Adhoc網(wǎng)絡(luò)主要是為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)的，沒(méi)有對(duì)體系結(jié)構(gòu)作過(guò)多考慮，但是當(dāng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)需要提供多種業(yè)務(wù)和支持一定的服務(wù)質(zhì)量保障時(shí)，就應(yīng)當(dāng)考慮如何選擇最為合適的體系結(jié)構(gòu)，并需要對(duì)原有的協(xié)議棧進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

(4)服務(wù)質(zhì)量保證。Adhoc網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)初期主要用于傳輸少量的數(shù)據(jù)信息。隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，需要在Adhoc網(wǎng)絡(luò)中傳輸多媒體信息。多媒體信息對(duì)帶寬、時(shí)延、時(shí)延抖動(dòng)等都提出了很高的要求，這就需要提供一定的服務(wù)質(zhì)量保證。Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)質(zhì)量保證是個(gè)系統(tǒng)性問(wèn)題，不同層都要提供相應(yīng)的機(jī)制，它的研究至今仍是一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題。

(5)廣播和多播。由于Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特殊性，廣播和多播問(wèn)題也變得非常復(fù)雜，它們需要鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的支持。目前這個(gè)問(wèn)題的研究已經(jīng)取得了階段性進(jìn)展。

(6)安全問(wèn)題。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)之一就是安全性較差，易受竊聽(tīng)和攻擊。因此，需要研究適用于Adhoc網(wǎng)絡(luò)的安全體系結(jié)構(gòu)和安全技術(shù)。

(7)網(wǎng)絡(luò)管理。網(wǎng)絡(luò)管理的范圍較廣，包括Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理、地址管理、服務(wù)管理等。要有相應(yīng)的機(jī)制解決節(jié)點(diǎn)定位、地址自配置等問(wèn)題。

(8)能耗節(jié)省機(jī)制?？梢圆捎米詣?dòng)功率控制機(jī)制來(lái)調(diào)整移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的功率，以便在傳輸范圍和干擾之間進(jìn)行折衷；還可以通過(guò)切換到休眠模式、采用功率意識(shí)路由、使用功耗很小的硬件來(lái)減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

2)?Adhoc網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

(1)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。Adhoc網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)不僅要具備普通移動(dòng)終端的功能，還要具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力，即要具備路由器的功能。因此，就完成的功能而言，可以將節(jié)點(diǎn)分為主機(jī)、路由器和電臺(tái)三部分。其中主機(jī)部分完成普通移動(dòng)終端的功能，包括人機(jī)接口、數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用軟件；而路由器部分主要負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由信息，完成報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)功能；電臺(tái)部分為信息傳輸提供無(wú)線信道支持。從物理結(jié)構(gòu)上分，節(jié)點(diǎn)可以如圖1-3所示分為以下幾類(lèi)：?jiǎn)沃鳈C(jī)單電臺(tái)、單主機(jī)多電臺(tái)、多主機(jī)單電臺(tái)和多主機(jī)多電臺(tái)。一般的Adhoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，如PDA、筆記本、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)等大都采用圖1-3(a)所示的單主機(jī)單電臺(tái)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。作為復(fù)雜的車(chē)載臺(tái)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能包括通信車(chē)內(nèi)的多個(gè)主機(jī)，它可以采用圖1-3(c)所示的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)多個(gè)主機(jī)共享一個(gè)或多個(gè)電臺(tái)。多電臺(tái)不僅可以用來(lái)構(gòu)建疊加(Overlay)的網(wǎng)絡(luò)，還可用作網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)互聯(lián)多個(gè)Adhoc網(wǎng)絡(luò)。圖1-3Adhoc網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)(a)單主機(jī)單電臺(tái)；(b)單主機(jī)多電臺(tái)；(c)多主機(jī)單/多電臺(tái)

(2)?Adhoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。Adhoc網(wǎng)絡(luò)一般有兩種結(jié)構(gòu)：平面結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1-4)和分級(jí)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1-5和圖1-6)。在平面結(jié)構(gòu)中，所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，所以又可以稱為對(duì)等式結(jié)構(gòu)。而分級(jí)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為簇(Cluster)。每個(gè)簇由一個(gè)簇頭(ClusterHeader)和多個(gè)簇成員(ClusterMember)組成。圖1-4

Adhoc平面結(jié)構(gòu)

圖1-5單頻分級(jí)圖1-6多頻分級(jí)這些簇頭形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)。在高一級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，又可以分簇，再次形成更高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，直至最高級(jí)。在分級(jí)結(jié)構(gòu)中，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)簇間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它可以預(yù)先指定，也可以由節(jié)點(diǎn)使用算法選舉產(chǎn)生。根據(jù)不同的硬件配置，分級(jí)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)又可以分為單頻分級(jí)和多頻分級(jí)兩種。單頻分級(jí)網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖1-5)所有節(jié)點(diǎn)使用同一個(gè)頻率通信，為了實(shí)現(xiàn)簇頭之間的通信，要有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(同時(shí)屬于兩個(gè)簇的節(jié)點(diǎn))的支持。簇頭和網(wǎng)關(guān)形成了高一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)，稱為虛擬骨干。在多頻分級(jí)網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖1-6)中，不同級(jí)采用不同的通信頻率，低級(jí)節(jié)點(diǎn)的通信范圍較小，而高級(jí)節(jié)點(diǎn)則覆蓋較大的范圍。高級(jí)的節(jié)點(diǎn)同時(shí)處于多個(gè)級(jí)中，有多個(gè)頻率，用不同的頻率實(shí)現(xiàn)不同級(jí)的通信。在圖1-6所示的兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)中，簇頭節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)頻率。頻率1用于簇頭與簇成員的通信，而頻率2用于簇頭之間的通信。分級(jí)網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以成為簇頭，所以需要適當(dāng)?shù)拇仡^選舉算法，算法要能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓匦路执?。平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)比較簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)是完全對(duì)等的，原則上不存在瓶頸。它的缺點(diǎn)是可擴(kuò)充性差：每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要知道到達(dá)其他所有節(jié)點(diǎn)的路由。維護(hù)這些動(dòng)態(tài)變化的路由信息需要大量的控制