第6章 无线传感网络

1、物联网导论,薛 燕 红 编著 ,21世纪高等学校规划教材,机械工业出版社,.,目 录,全球定位与地理信息系统,物联网导论 共十一章,第6章,第8章,第9章,第11章,第10章,第1章,第2章,第3章,第6章,第5章,物联网概述,射频识别与产品电子编码,无线传感网络,传感器与微机电系统,信息自动识别技术,.,目 录,物联网应用案例,物联网导论 共十一章,第8章,第9章,第11章,第10章,第7章,第8章,第9章,第10章,第11章,互联网与移动互联网,物联网应用接口技术,物联网安全,物联网支撑技术,.,第6章 无线传感网络,6.1 无线通信通信网络 6.1.1 无线通信网络概述 6.1.2 IE

2、EE802.15.6标准 6.1.3 IEEE 802.11 6.1.6 无线城域网WiMax 6.2 无线传感器网络概述 6.2.1无线传感器网络概念 6.2.2 传感器网络的发展历史 6.2.3 无线传感器网络的应用 6.2.6 传感器网络的关键技术 6.2.5 传感器网络结构,.,第6章 物联接入层,6.3 传感器网络的通信与组网技术 6.3.1物理层 6.3.2 MAC协议 6.3.3 路由协议 6.4 传感网络的支撑技术 6.6.1时间同步机制 6.6.2定位技术 6.6.3数据融合 6.6.6能量管理 6.6.5安全机制,.,第6章 物联接入层,集成了传感器技术、微机电系统（MEM

3、S）技术、无线通信技术和分布式信息处理技术的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是因特网从虚拟世界到物理世界的延伸。 因特网改变了人与人之间交流、沟通的方式，而无线传感器网络将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，将改变人与自然交互的方式。目前，无线传感器网络的应用已经由军事领域扩展到反恐、防爆、环境监测、医疗保健、家居、商业、工业等其它众多领域，能完成传统系统无法完成的任务。 无线传感器网络经历了节点技术、网络协议设计和智能群体研究等三个阶段，吸引了大量的学者对其展开了各方面的研究，并取得了包括有关节点平台和通信协议技术研究的一些进展，但还没有形成一

4、套完整的理论和技术体系来支撑这一领域的发展，还有众多的科学和技术问题尚待突破，是信息领域具有挑战性的课题。对无线传感器网络的基础理论和应用系统进行研究具有非常重要的学术意义和实际应用价值。,.,6.1 无线通信与无线网络,6.1.1 无线通信与无线通信网络概述 1. 无线通信技术发展历程 目前，无线通信技术及其产业呈现出两个突出的特点，一是公众移动通信保持快速增长态势，二是宽带无线通信技术的研究和应用十分活跃，热点不断。随着国民经济和社会发展的信息化，信息化技术正在改变着我们的生活方式。无线通信也从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历了五个阶段。 （1）二十世纪20年代50年代初，

5、主要用于舰船及军事，采用短波频及电子管技术，至该阶段末期才出现150MHZ VHF单工汽车公用移动电话系统MTS。 （2）二十世纪50年代60年代，此时频段扩展至UHF650MHZ，器件技术已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。,.,6.1 无线通信与无线网络,（3）二十世纪70年代初80年代初频段扩展至800MHZ，美国Bell研究所提出了蜂窝系统概念并于70年代末进行了AMPS试验。 （6）二十世纪80年代初90年代中期，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进。此时出现了D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/D

6、CS、cdmaOne、PDC、PHS、DECT、PACS、PCS等各类系统与业务运行。 （5）二十世纪90年代中期至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起，其全球标准化及相应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，第二代移动通信正在向第三代平滑过渡。,.,6.1 无线通信与无线网络,2. 无线通信技术发展趋势 （1）网络覆盖的无缝化，即用户在任何时间、任何地点都能实现网络的接入。 （2）宽带化是未来通信发展的一个必然趋势，窄带的、低速的网络会逐渐被宽带网络所取代。从宽带无线接入技术来看，该领域的发展呈现出向高带宽快速跃进、

7、覆盖范围逐步扩张的趋势。未来，该领域还可能出现更强大的新技术，从另一个角度对整个无线通信产业起到推进作用。,.,6.1 无线通信与无线网络,2. 无线通信技术发展趋势 （3）融合趋势明显加快，包括技术融合、网络融合和业务融合。移动与无线技术在演进中走向融合，各种创新移动、无线技术不断涌现并快速步入商用，移动、无线应用市场异常活跃，移动、无线技术自身也在快速演进中不断革新。在网络融合的大趋势下，3G、WiMAX、WLAN等各种移动、无线技术在演进中相互融合。涌现出了同时被上述无线技术采用的新型射频技术，如MIMO和OFDM技术等。与此同时，在以ITU和3GPP/3GPP2为引领的蜂窝移动通信从3

8、G到E3G，再走向B3G/6G的演进道路上，以及IEEE引领的无线宽带接入从无线个人域网到无线局域网、无线城域网，再到无线广域网的演进道路上，都开始增加对方的内容，例如：移动通信不断强化宽带传输性能，无线宽带接入不断增强漫游性能以及安全性能。借鉴WiMAX的高速数据传输特性，蜂窝移动通信启动了LTE，即“3G长期演进”项目，用以增强宽带传输性能。LTE的确立，令蜂窝移动通信系统的技术线路与定位为“低移动性宽带接入”的WiMAX有了很多的相似之处。,.,6.1 无线通信与无线网络,2. 无线通信技术发展趋势 （6）数据速率越来越高，频谱带宽越来越宽，频段越来越高，覆盖距离越来越短。 （5）终端智

9、能化越来越高，为各种新业务的提供创造了条件和实现手段。 （6）从两个方向相向发展，即移动网增加数据业务，而固定数据业务则增加移动性。1xEV-DO、HSDPA等技术的出现使移动网的数据速率逐渐增加，在原来的移动网上叠加，覆盖可以连续，另外，WiMAX的出现加速了新的3G增强型技术的发展。WLAN等技术的出现使数据速率提高，固网的覆盖范围逐渐扩大，移动性逐渐增加，移动通信、宽带业务和WiFi的成功，促成802.16/WiMAX等多种宽带无线接入技术的诞生。,.,6.1 无线通信与无线网络,2. 无线通信技术发展趋势 （7）通信信息网络将向下一代网络NGN融合。在未来NGN概念中，固定网络将形成一

10、个高带宽、IP化、具有强QoS保证的信息通信网络平台。在这一平台上，各种接入手段将成为网络的触手，向各个应用领域延伸。而3G、宽带固定无线接入、各种无线局域网或城域网方案，都将成为大NGN平台的延伸部分。从而形成集固定无线手段于一体，各种接入方式综合发挥效用，各种业务形成全网络配置的一体化综合网络。 （8）无线通信领域各种技术的互补性日趋鲜明。这主要表现在不同的接入技术具有不同的覆盖范围、不同的适用区域、不同的技术特点和不同的接入速率。比如3G和WLAN、UWB等，都可实现互补效应。3G可解决广域无缝覆盖和强漫游的移动性需求，WLAN可解决中距离的较高速数据接入，而UWB可实现近距离的超高速无

11、线接入。B3G的概念兼顾了移动性和数据速率。,.,6.1 无线通信与无线网络,3.无线通信网络 有线与无线通信系统的结合构成了现代通信网。无线通信网的快速发展，特别是移动通信网、移动互联网的发展及融合，正加速改变着我们的工作和生活方式。 （1）现代无线通信网络的概念 无线通信网是由一系列无线通信设备、信道和标准组成的有机整体，我们因此而可以在任何地点进行交流。基于802.15.6标准的无线通信网的组织结构见图6.1。,.,6.1 无线通信与无线网络,图6.1 无线通信网的组织结构示意图,.,6.1 无线通信与无线网络,3.无线通信网络 （2）无线通信网络模型 移动自组织网络 Ad hoc网络是

12、一种自组织网络，分为固定节点和移动节点两种。移动自组织网络MANET（Mobile Ad Hoc Network，MANET）特指节点具有移动性的Ad hoc网络。近年来，随着移动设备的小型化，MANET网络已经开始参与个人通信网络的建立，并成为超3G网络的重要网络接入形式。利用MANET进行组网具有灵活、便捷和迅速的特点，相较于现有的一些有中心结构网络来说，MANET网络具有更低的建设成本和更大的普及空间。 服务质量（QoS）是移动自组网络（MANET）研究的热点问题之一。由于MANET网络节点的移动性和节点自身的特点,导致MANET网络实现QoS存在许多困难。MANET的目的是形成并维持一

13、个有联系关系的多跳网络，这种网络能在节点之间传输多媒体业务。在移动自组织网络中，为了使服务质量最优，需要做好网络的组织结构、路由寻址算法和移动性管理等工作。也就是说，当节点在高速移动情形下，网络仍能提供好的吞吐时延特性。无线网络的动态结构特点，使得如何进行高效的网络管理成为MANET实际网络应用中必须解决的关键问题。针对此问题，业界也提出了很多解决方案，但这些方案大都不适用于大型网络。一种具有可扩展性的动态分布式的网络管理体系应运而生。 考虑到Ad Hoc网络中节点设备的差异性，在网络管理中必须充分考虑各节点在电源能力、计算能力上的不同，重新定义网络中各节点在管理中的作用。为此，可以将节点划分

14、为被管理节点、管理域控制节点和网络管理节点，这种角色上的划分更适合于实际网络管理信息的有效利用和网络管理行为的有效发动。,.,6.1 无线通信与无线网络,蜂窝网络 目前，主流通讯服务提供商绝大部分采用蜂窝网络。它被广泛采用的原因是源于一个数学猜想，正六边形被认为是使用最少个结点可以覆盖最大面积的图形，出于节约设备构建成本的考虑，正六边形是最好的选择。这样形成的网络覆盖在一起，形状非常象蜂窝，因此被称作蜂窝网络。常见的蜂窝网络类型有：GSM 网络、CDMA网络、3G网络、FDMA、TDMA、PDC、TACS、AMPS等。 蜂窝网络主要由移动站、基站子系统和网络子系统三部分组成。移动站就是我们的网

15、络终端设备，比如手机或者一些蜂窝工控设备。基站子系统包括我们日常见到的移动机站（大铁塔）、无线收发设备、专用网络（一般是光纤）、无数的数字设备等等的。我们可以把基站子系统看作是无线网络与有线网络之间的转换器。蜂窝网络是由静止节点和移动节点组成的较大网络。位于通信子网中的静止节点（基站）和构成固定基础设施结构的有线中枢网络相连。移动节点的数量大大超过静止节点，每个基站中有成百上千个移动节点，这些移动节点通常分布得很分散。每个基站都覆盖一个很大的区域，且区域之间很少重叠。只有当移动节点移动并发生越区切换时，才会出现区域间的重叠覆盖情况（每个移动节点可能移动到远离基站的位置）。这种蜂窝网络的主要目标

16、就是提供高服务质量和高带宽效率。,.,6.1 无线通信与无线网络,短距离无线通信网 短距离无线通信（Short Range Wireless，SRW）泛指在较小的区域内（数百米）提供无线通信的技术，目前常见的技术大致有802.11系列无线局域网、蓝牙、HomeRF和红外传输技术。一般情况下，SRW可以在100m以内实现传输速度为10100Mb/s的低功率近距离通信。 IEEE802.11制定的系列无线局域网标准，用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线数据业务接入。目前最为常见的是802.11b无线局域网，它使用开放的2.6GHZ微波频段，最高速率为11Mbps。在恶劣环境下，可动态

17、切换到较低的速率上以保证通信。在办公环境下作用范围约100米，在室外可以达到300米。另一种802.11a无线局域网工作在5G的频段上，速率可达到56Mbps，但设备昂贵，应用较少。 每种技术都有其适应对象，同时每种技术也都在不断适应新的用户需求。可以预见，这些短距离技术的发展必将更好地服务于人们的工作和生活，使通信变得更为便捷。,.,6.1 无线通信与无线网络,3.无线通信网络 （3）无线通信网的分类 无线宽带通讯技术按覆盖范围分类如图6.2所示。它包括了6大类标准：IEEE 802.15 （WPAN）、IEEE 802.11x（WLAN）、IEEE 802.16x（WMAN）、IEEE 8

18、02.20（Mobile Broadband Wireless Access ，MBWA），蜂窝移动通信属于WWAN，IEEE 802 标准系列涵盖了WPAN、WLAN、WMAN和WWAN几个方面。 MBWA即移动宽带无线接入系统，其目的是提高给予IP的数据传输速率，为无线城域网中移动速度较快的移动用户提供服务。不同于802.16系列规范，802.20系统规范是完全基于移动通信的，而不是从固定无线接入系统修改来适应移动通信系统。系统运行在3.5GHz以下授权频段，在时速250公里的情况下，可实现下行1Mb/s的移动通信能力，可以应用在铁路、地铁以及高速公路、卫星通信等高速移动的环境中。目前，I

19、EEE 802.20技术还在制订完善之中。,.,6.1 无线通信与无线网络,图6.2 无线通信网络覆盖范围示意图,.,6.1 无线通信与无线网络,6. 无线通信及网络技术发展趋势 近几年来，全球通信技术的发展日新月异，无线通信技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术，呈现出如火如荼的发展态势。其中最具代表性的有蜂窝移动通信、宽带无线接入，也包括集群通信、卫星通信，以及手机视频业务与技术。 无线通信及网络技术有以下几个发展趋势: （1）网络覆盖无缝化 网络覆盖的无缝化，将使用户在任何时间、任何地点都能实现网络接入；而且数据速率越来越高，频谱带宽越来越宽，频段越来越高。 （2）移动宽带化 蜂

20、窝移动通信系统的发展体现了无线通信发展史，从第一代模拟移动通信系统，到第二代数字移动通信系统，再到第三代以及基于全IP的后三代或四代移动通信系统。移动宽带化是未来通信发展的一个必然趋势，窄带的、低速的网络会逐渐被宽带网络所取代。,.,6.1 无线通信与无线网络,6. 无线通信及网络技术发展趋势 （3）核心网络综合化 未来信息网络的结构模式将向核心网/接入网转变，网络的多样化、宽带化，以及带宽的移动化，将使在同一核心网络上综合传送多种业务信息成为可能。网络的综合化将进一步推动传统电信网、广播电视网与计算机互联网的三网融合。技术融合、网络融合、业务融合的趋势明显加快。 （6）信息个人化 信息个人化

21、是21世纪初信息领域进一步发展的主要方向之一，而移动IP正是实现未来信息个人化的重要技术手段。 （5）终端智能化 终端智能化越来越高，为各种新业务的提供创造了条件和实现手段。在手机等智能终端上实现各种IP应用以及移动IP技术正逐步成为人们关注的焦点之一。,.,6.1 无线通信与无线网络,6. 无线通信及网络技术发展趋势 （6）固定网和移动网业务相向发展 移动网增加数据业务:1xEV-DO、HSDPA等技术的出现使移动网的数据速率逐渐增加，在原来的移动网上叠加，覆盖可以连续;另外，WiMAX的出现加速了新的3G增强型技术的发展; 固定数据业务增加移动性:WLAN等技术的出现使数据速率提高，固网的

22、覆盖范围逐渐扩大，移动性逐渐增加;移动通信、宽带业务和WiFi的成功，促成802.16/WiMAX等多种宽带无线接入技术的诞生。 （7）2.5G、3G向B3G过度和发展 B3G(Beyond Third Generation in mobile communication system)即超三代移动通信系统。相对于3G移动通信，B3G有着更高的传输效率和更全的业务类型。B3G的概念兼顾了移动性和数据速率。虽然与3G移动通信技术相比，B3G移动通信技术更为复杂，但B3G移动通信技术较3G 移动通信技术有数据传输速率、适应性和灵活性、标准兼容性、业务的多样性、较好的技术基础、便于过渡和演进优势。

23、移动通信网络结构正在经历一场深刻的变革，随着网络中数据业务量主导地位的形成，现有电路交换网络已逐渐被IP网络替代，IP技术将成为未来网络的核心关键技术，TCP/IP协议将成为信息网络的主导通信协议。随着移动通信通用分组无线业务（GPRS）的普及应用，用户将在端到端分组传输模式下发送和接收数据，打破传统的数据接入方式。以IP为基础组网，开始了基于IP核心骨干网的应用实践。,.,6.1 无线通信与无线网络,6.1.2 IEEE802.15.6标准 IEEE 802.15.6描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议。它属于IEEE 802.15工作组。IEEE 802.15.6是ZigB

24、ee、WirelessHART和MiWi规范的基础。 1998年，IEEE802.15工作组成立,专门从事WPAN标准化工作。它的任务是开发一套适用于短程无线通信的标准，通常我们称之为无线个人局域网(WPAN)。1999年成立了IEEE 802.15WG，致力于WPAN网络的物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）的标准化工作，目标是为在个人操作空间内相互通信的无线通信设备提供通信标准。用于无线个域网的通信技术很多，如ZigBee、蓝牙、UWB、红外(IrDA)、HomeRF、射频识别等。目前，为满足低功耗、低成本的传感网要求而专门开发的低速率WPAN标准IEEE 802.15.6成为物联网

25、的重要通信网络技术之一。,.,6.1 无线通信与无线网络,在IEEE 802.15工作组内有四个任务组（task group，TG），分别制定适合不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异。下面是四个任务组各自的主要任务： （1）任务组TG1：制定IEEE 802.15.1标准，又称蓝牙无线个人区域网络标准。这是一个中等速率、近距离的WPAN网络标准，通常用于手机、PDA等设备的短距离通信。 （2）任务组TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与 IEEE 802.11（无线局域网标准，WLAN）的共存问题。 （3）任务组TG3：制定I

26、EEE 802.15.3标准，研究高传输速率无线个人区域网络标准。该标准主要考虑无线个人区域网络在多媒体方面的应用，追求更高的传输速率与服务品质。,.,6.1 无线通信与无线网络,（6）任务组TG6：制定IEEE 802.15.6标准，针对低速无线个人区域网络（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。 需要特别注意的是，任务组TG6定义的LR-WPAN网络的特征与传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为传感器的

27、通信标准。LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与WLAN相比，LR-WPAN网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。IEEE 802.15.6标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议。,.,6.1 无线通信与无线网络,IEEE 802.15.6标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点： （1）在不同的载波频率下实现了20kbps、60kbps和250kbps三种不同的传输速率。 （2）支持星型和点对点两种网络拓扑结构。 （3）有16位和66位两种地址格式，其中66位地址是全球惟一的扩展地址。 （6）

28、支持冲突避免的载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）。 （5）支持确认（ACK）机制，保证传输可靠性。,.,6.1 无线通信与无线网络,1. IEEE 802.15.6标准 IEEE 802.15.6是IEEE标准委员会TG6任务组发布的一项标准。该任务组于2000年12月成立，ZigBee联盟（ZigBee Alliance）于2001年8月成立，2002年由英国Invensys公司、美国Motorola公司、日本Mitsubishi公司和荷兰Philips公司等厂商联合推出了低成本、低

29、功耗的ZigBee技术。ZigBee是一种新兴的近距离、低速率、低功耗的双向无线通信技术，也是ZigBee联盟所主导的传感网技术标准。 （1）IEEE 802.15.6标准协议结构 IEEE 802.15.6满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模式。它包括物理层、介质访问层、网络层和高层。IEEE 802.15.6标准协议结构见图6.3。,.,6.1 无线通信与无线网络,.,6.1 无线通信与无线网络,1. IEEE 802.15.6标准 （2）物理层的主要功能 IEEE 802.15.6标准所定义的物理层具有的功能有：激活和惰性化无线电收发器，当前信道的能量发现、接收包的链路

30、质量指示、信道频率选择和数据的发送与接收。 工作频率和数据传输速率 IEEE 802.15.6标准所定义的工作频率和数据传输速率见表6.1。 支持简单器件 由于802.15.6标准具有低速率、低功耗和短距离传输等特点，使得非常适宜支持简单器件。在802.15.6标准中定义了16个物理层基本参数和35个介质接入控制层基本参数，总共为69个。这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。在802.15.6中定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。对全功能器件，要求它支持所有的69个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。,.,6.1 无线通信与

31、无线网络,.,6.1 无线通信与无线网络,1. IEEE 802.15.6标准 （3）介质访问控制层的主要功能 IEEE 802.15.6 物理层帧结构和 IEEE 802.15.6 MAC层的通用帧结构分别见图6.6（a）、图6.6（b）。 IEEE 802.15.6 MAC层的特征是：联合、分离、确认帧传递、通道访问机制、帧确认、保证时隙管理、和信令管理。MAC子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点（SAP）访问高层。通过MAC通用部分子层SAP（MCPS-SAP）访问MAC数据服务，用MAC层管理实体SAP（MLME-SAP）访问MAC管理服务。这两个服务为网络层和物理层提供了

32、一个接口。 灵活的MAC帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。帧控制说明了如何看待帧的其余部分及它们包含什么。序列号是传输数据帧及确认帧的序号。仅当确认帧的序列号与上次数据传输帧的序列号一致时，才能判定数据传输业务成功。帧校验序列是16位循环冗余校验。净荷（payload）是MAC帧要承载的上层数据。它的字段长度可变。MAC数据帧被送至物理层，作为物理层帧数据（PPDU）的一部分。,.,6.1 无线通信与无线网络,.,6.1 无线通信与无线网络,1. IEEE 802.15.6标准 （6）网络层 网络层包括逻辑链路控制子层。802.2标准定义了LLC，并且通用于诸如8

33、02.3,802.11及802.15.1等802系列标准中，而MAC子层与硬件联系较为紧密，并随不同的物理层实现而变化。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须的任务。这个标准的网络层被期望能自己组织和维护。 IEEE 802.6标准支持多种网络拓扑结构，包括星型和点对点拓扑结构。应用的设计选择决定了拓扑结构，有一些应用，例如PC外设，适合低延时的星型连接，而对于诸如涉及安全要求领域的应用，则适合大面积的点对点拓扑结构。,.,6.1 无线通信与无线网络,2. IEEE 802.15.6标准的特点 （1）特点 可升级：卓越的网络能力，可对多达256个的

34、网络设备进行动态设备寻址。 适应性：与现有控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取。 可靠性：为了可靠传递,提供全握手协议。 （2）与蓝牙的比较 802.15.6和蓝牙很相似，二者均用于WPAN。 802.15.6适用于传感器、玩具和家庭自动控制，同时注重于低速数据或短操作时间的控制和通信网络；蓝牙则是在ad-hoc（peer to peer）网络中擅长便携式音频、便携式屏幕图表图象及文件的传输。 802.15.6设计特点是能够合理地优化能源的使用。一块正常电池的使用寿命可以达到2年以上；蓝牙的能耗与移动电话类似（需定期充电

35、）。,.,6.1 无线通信与无线网络,3. ZigBee协议体系结构 ZigBee，在中国被译为“紫蜂”，它与蓝牙相类似。是一种新兴的短距离无线技术，用于传感控制应用(sensor and control)。 在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。另外，Zigbee使用了在

36、它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。 ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.6标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。 ZigBee的底层技术建立在IEEE 802.15.6。基础之上，物理层和MAC层直接引用了IEEE 802.15.6。ZigBee协议体系结构如图6.5所示，由高层应用标准、应用汇聚层、网络层

37、、IEEE 802.15.6协议组成。,.,6.1 无线通信与无线网络,.,6.1 无线通信与无线网络,3. ZigBee协议体系结构 （1）网络层主要功能 网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，它独立处理传入数据请求、关联、解除关联业务，包含寻址、路由和安全等。网络层包括逻辑链路控制子层，逻辑链路控制子层是基于IEEE 802.2标准。 网络层提供的服务 网络层提供保证IEEE 802.15.6 MAC层所定义的功能，同时，能为应用层提供适当的服务接口。 ZigBee网络配置 低数据速率的WPAN中包括两种无线设备：全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。其中，FFD可以和FFD、R

38、FD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之间是无法通信的。RFD的应用相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，成本比较低。,.,6.1 无线通信与无线网络,在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调点，即PAN协调点，ZigBee中也称作ZigBee协调点。一个ZigBee 网络只有一个PAN协调点。通常，PAN协调点是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，它负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。FFD和

39、RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。此外，普通FFD也可以在它的个人操作空间（POS）中充当协调点，但它仍然受PAN协调点的控制。ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。 ZigBee网络拓扑结构 ZigBee技术具有强大的组网能力，通过无线通信组成星形、网状（Mesh）网和混合网，如图6.6所示，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构。ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状(mesh)网和混合网。,.,6.1 无线通信与无线网络,图6.6 ZigBee网络拓扑结构,.,6.1 无线通信与无线网络,星型网是由一个P

40、AN协调点和一个或多个终端节点组成的，如图6.6（a）所示。PAN协调点必须是FFD，它负责发起建立和管理整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，分布在PAN协调点的覆盖范围内，直接与PAN协调点进行通信。星型网通常用于节点数量较少的场合。 Mesh网一般是由若干个FFD连接在一起形成，如图6.6（b）所示。它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。Mesh网中，一般将发起建立网络的FFD节点作为PAN协调点。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。Mesh网

41、可以通过FFD扩展网络，组成Mesh网与星型网构成的混合网，如图6.6（c）所示。混合网中，终端节点采集的信息首先传到同一子网内的协调点，再通过网关节点上传到上一层网络的PAN协调点。混合网都适用于覆盖范围较大的网络。,.,6.1 无线通信与无线网络,（2）应用层 在ZigBee协议中应用层包括应用汇聚层、ZigBee设备配置和用户应用程序。应用层提供高级协议管理功能，用户应用程序由各制造商自己来规定，它使用应用层协议来管理协议栈。 无线传感网作为物联网的末梢网络，需要低功耗短距离的无线通信技术。IEEE 802.15.6标准是针对低速无线个人域网络的无线通信标准，低功耗、低成本是其主要目标，

42、它为个人或者家庭范围内不同设备之间低速联网提供了统一标准。,.,6.1 无线通信与无线网络,6. ZigBee网络系统 基于IEEE 802.15.6无线标准研制开发的ZigBee技术，主要用于无线个域网 （WPAN）。ZigBee技术的出现给人们的工作和生活带来极大的方便和快捷。ZigBee技术的应用领域主要包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合。 （1）ZigBee网络系统的构建 IEEE 802.15.6网络是指在一个POS内使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.6标准相互通信的一组设备的集合，又名LR-WP

43、AN网络，其实也就是ZigBee网络。例如，一个基于ZigBee技术的IEEE 802.15.6网络系统，如图6.7所示。,.,6.1 无线通信与无线网络,图6.7 基于ZigBee技术的网络系统,.,6.1 无线通信与无线网络,系统中布置有一个协调器与PC机相连，同时布置有若干终端节点或路由器，使其连接温度、湿度和光敏电阻等传感器来监测房间环境。另外，房间中还布置有一些终端节点与执行器连接，用于控制窗帘的开关、台灯的亮灭等。协调器和终端节点在房间内组成了一个星状结构的ZigBee无线传感执行网络。 系统的工作过程是：首先由协调器节点成功创建ZigBee网络，然后等待终端节点加入。当终端节点及

44、传感器上电后，会自动查找空间中存在的ZigBee网络，找到后即加入网络，并把该节点的物理地址发送给协调器。协调器把节点的地址信息等通过串口发送给计算机进行保存。当计算机想要获取某一节点处的传感器值时，只需要向串口发送相应节点的物理地址及测量指令。协调器通过串口从计算机端收到物理地址后，会向与其相对应的传感器节点发送数据，传达传感器测量指令。传感器节点收到数据后，通过传感器测量数据，然后将测量结果发送给协调器，并在计算机端进行显示。,.,6.1 无线通信与无线网络,（2）ZigBee自身的技术优势 低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作626个月，甚至更长。这是ZigBee

45、的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。 低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至6KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。 低速率。ZigBee工作在20250kbps的较低速率，分别提供250kbps（2.6GHz)、60kbps（915MHz)和20kbps（868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。 近距离。传输范围一般介于10100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到13km。这指的是相邻节点

46、间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。,.,6.1 无线通信与无线网络,短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要310s、WiFi需要3s。 高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理256个子节点。同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。 高安全。ZigBee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以

47、灵活确定其安全属性。 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段，2.6GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。,.,6.1 无线通信与无线网络,5. 蓝牙技术 蓝牙技术是一种无线数据与数字通信的开放式标准。它以低成本、近距离无线通信为基础，为固定与移动设备提供了一种完整的通信方式。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化个人数字助理（PDA）、便携式计算机和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与互联网之间的通信，从而使这些现代通信设备与互联网之间的数据传输变得更加迅速高效。其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等

48、信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。,.,6.1 无线通信与无线网络,5. 蓝牙技术 （1）蓝牙简介 蓝牙这个名称来自于第十世纪的一位丹麦国王Harald Blatand，Blatand在英文里的意思可以被解释为Bluetooth（蓝牙）。因为国王喜欢吃蓝梅，牙龈每天都是蓝色的，所以叫蓝牙。在行业协会筹备阶段，需要一个极具有表现力的名字来命名这项高新技术。行业组织人员，在经过一夜关于欧洲历史和未来无限技术发展的讨论后，有些人认为用Blatand国王的名字命名再合适不过了。 蓝牙（Bluetooth）技术是由爱立信、诺基亚、Intel、IBM和东芝5家公司于1998年5月共同提出开发的。蓝牙技

49、术的本质是设备间的无线联接，主要用于通信与信息设备。近年来，在电声行业中也开始使用。依据发射输出电平可以有3种距离等级，Class1为100m左右、Class2约为10m、Class3约为23m。一般情况下，其正常的工作范围是10m半径之内。在此范围内，可进行多台设备间的互联。但对于某些产品，设备间的联接距离甚至远隔100m也照样能建立蓝牙通信与信息传递。,.,6.1 无线通信与无线网络,借助采用了蓝牙技术的PDA个人数字助理，用户可很方便地进人因特网。有了蓝牙技术，存储于手机中的信息可以在电视机上显示出来，也可以将其中的声音信息数据进行转换，以便在PC个人电脑上聆听。东芝公司已开发上市了一种

50、蓝牙无线Modem和PC卡，将2张卡中的一张插入Modem的主机上，另一张插入PC个人电脑。这样，用户就成功实现了与因特网的无线联网。 在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.6GHz工业、科学和医学（Industrial，Scientific and Medical，ISM）频段。从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。,.,6.1 无线通信与无线网络,5. 蓝牙技术 （2）蓝牙技术的特点 蓝牙技术的特点可归纳为如下几点： 全球

51、范围适用：蓝牙工作在2.6GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.62.6835GHz，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。 同时可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音信道数据速率为66kbit/s，语音信号编码采用脉冲编码调制（PCM）或连续可变斜率增量调制（CVSD）方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为721kbit/s，反向为57.6kbit/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为362.6kbit/s。,.,6.1 无线通信与无线网络,可以建立临时性的对等连

52、接（Ad-hoc Connection)：根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave）。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。皮网是蓝牙最基本的一种网络形式，最简单的皮网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。通过时分复用技术，一个蓝牙设备便可以同时与几个不同的皮网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时间顺序参与不同的皮网，即某一时刻参与某一皮网，而下一时刻参与另一个皮网。 具有很好的抗干扰能力：工作在ISM频段的无线电设备有很多种，如家用微波炉、无线局域网

53、（Wireless Local Area Network，WLAN）和HomeRF等产品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频（Frequency Hopping）方式来扩展频谱（Spread Spectrum），将2.6022.68GHz频段分成79个频点，相邻频点间隔1MHz。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625。,.,6.1 无线通信与无线网络,蓝牙模块便于集成：由于个人移动设备的体积较小，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块ROK101008的外形尺寸仅为32.

54、8mm16.8mm2.95mm。 低功耗：蓝牙设备在通信连接（Connection）状态下，有激活（Active）、呼吸（Sniff）、保持（Hold）和休眠（Park）等四种工作模式。Active 模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。 开放的接口标准：SIG为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。 成本低：随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块，蓝牙产品价格飞速下降。,.,6.1 无线通信与无线网络,5. 蓝牙技术 （3）蓝牙

55、体系结构：硬件部分 蓝牙体系结构包括硬件、软件、路由机制3部分，各部分的构成见图6.8。下面就各部分作简略说明。 射频模块 将基带模块的数据包通过无线电信号以一定的功率和跳频频率发送出去，实现蓝牙设备的无线连接。 基带模块 采用查询和寻呼方式，使跳频时钟及跳频频率同步，为数据分组提供对称连接(SCO）和非对称连接（ASL)，并完成数据包的定义、前向纠错、循环冗余校验、逻辑通道选择、信号噪化、鉴权、加密、编码和解码等功能。它采用混合电路交换和分组交换方式，既适合语音传送，也适合一般的数据传送。每一个语音通道支持66kb/s同步语音，异步通道支持最大速率723.2kb/s（反向57.6kb/s）的

56、非对称连接或633.9kb/s的对称连接。,.,6.1 无线通信与无线网络,图6.8 蓝牙体系结构构成,.,6.1 无线通信与无线网络,5. 蓝牙技术 （6）蓝牙体系结构-软件部分（即协议） 链路管理协议（LMP） 通过对链接的发送、交换、实施身份鉴权和加密，并通过协商确定基带数据分组的大小，控制射频部分的电源模式、工作周期及网络内蓝牙设备的连接状态。 逻辑链路控制与应用协议（L2CAP） L2CAP与LMP平行工作，共同实现OSI的数据链路层的功能。它可提供对称连接和非对称连接的数据服务。 串行电缆仿真协议（RFCOMM） 在蓝牙的基带上仿真RS-232的功能，实现设备串行通信。例如，在拨号

57、网络中，主机将AT命令发送到调制解调器，再传送到局域网，建立连接后，应用程序就可以通过RFCOMM 提供的串口发送和接收数据。 服务发现协议（SDP） 按照用户需要，发现相应服务及有关设备，并给出服务与设备列表。工作过程如下：主设备广播1条信息，从设备做出相应的反应，将收集到的地址存于主设备的内存中，然后主设备从中选择1个地址，利用链路管理代理所提供的进程在物理层建立连接。一旦建立了服务发现协议，在主从设备之间的物理层连接上就建立了一条LZCAP点对点通信层。,.,6.1 无线通信与无线网络,5. 蓝牙技术 （5）蓝牙体系结构-路由机制 利用蓝牙技术构建现代企业无线办公网络，实现的基本功能包括

58、：文件、档案、报表、设备资源的共享和互连；利用蓝牙设备无线访问单位内部局域网以及Internet；通过一定的路由机制实现办公网络内部的各个匹克网之间的互连。 Piconet指用蓝牙技术把小范围（10-100m）内装有蓝牙单元（即在支持蓝牙技术的各种电器设备中嵌入的蓝牙模块）的各种电器组成的微型网络。一个微微网由2-8个蓝牙单元组成，即可以组成以一个为主、其他27个为副的电器组成的微微网。这些电器可以是PC机、打印机、传真机、数码相机、移动电话、笔记本电脑等等。多个微微网之间还可以互联形成散射网（Scatternet），从而方便快捷地实现各类设备之间随时随地的通信。 根据企业的实际需要，企业无线

59、网络由多个匹克网（piconet）构成，而不同匹克网之间的通信应该只在办公网络内部进行路由，而不应通过局域网，这就需要建立一种特殊的路由机制，使得各匹克网之间的通信能够进行正确的路由，达到方便快捷的通信、拓宽通信范围、减轻网络负载的目的。,.,6.1 无线通信与无线网络,5. 蓝牙技术 （5）蓝牙体系结构-路由机制 蓝牙网关 蓝牙网关用于办公网络内部的蓝牙移动终端通过无线方式访问局域网以及Internet。蓝牙网关还可以跟踪、定位办公网络内的所有蓝牙设备，在两个属于不同匹克网的蓝牙设备之间建立路由连接，并在设备之间交换路由信息。 主要功能包括：实现蓝牙协议与TCP/IP协议的转换，完成办公网络内部蓝牙移动终端的无线上网功能；在安全的基础上实现蓝牙地址与IP地址之间的地址解析，利用自身的IP地址和TCP端口来唯一地标识办公网络内部没有IP地址的蓝牙移动终端；通过路由表来对网络内部的蓝牙移动终端进行跟踪、定位，使