（通信与信息系统专业论文）蓝牙技术在嵌入式无线传感器网络中的应用研究.pdf

蓝牙技术在嵌入式无线传感器网络中的应用研究 蓝牙技术在嵌入式无线传感器网络中的应用研究 摘要 无线化、网络化、综合化和微型化已成为传感器技术的发展方向。嵌入式无线传感器网络 e w s n ( e m b e d d e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 可用于环境与生态监测、工业过程监控、交通管 理与调度、安全监视、军事侦察等诸多领域，已引起了世界许多国家的工业界、学术界以及安 全与军事部门的高度重视。 基于蓝牙技术的嵌入式传感器网络研究主要解决两个问题：一是蓝牙散射网拓扑结构形成 算法的研究；二是嵌入式蓝牙传感器节点的设计。 本论文着眼于工业现场数据采集和环境监测等应用场合，针对目前蓝牙传感器网络中存在 的问题，研究了蓝牙散射网的拓扑理论算法，提出一种改进的蓝牙散射网拓扑结构形成方法： 同时设计了嵌入式蓝牙传感器节点，以此作为实现蓝牙传感器网络的试验平台。 论文深入研究了蓝牙散射网的特性，分析和比较了解决这些课题所提出的各种主要算法和 方案，并对这些算法进行了性能分析，从中找到了值得借鉴的思路，提出了一种改进的蓝牙散 射网拓扑结构形成算法。这种算法是一种简单有效的可递归算法，具有良好的可扩展性，不需 要节点限制在相互通讯范围内，也不需要等到整个散射网拓扑结构形成后再进行连接通信，只 要有微微网形成就可以相互连接通信，并且能够适应动态网络环境。通过数学证明，算法具有 以下性能：时间复杂度为o ( 1 0 9 n ) ，消息复杂度为d ( ) ，创建散射网的网络直径为o ( 1 0 9 n ) ， 其中n 为网络节点个数。 论文设计了蓝牙传感器节点( b s n ) 的嵌入式结构，包括数据采集部分( d c ) 、蓝牙连接接 口部分( c m ) 、用户应用接口部分( u i ) 和网络协议设计部分( n p ) 。 关键字：蓝牙无线传感器网络微微网散射网拓扑结构 蓝牙技术在嵌入式无线传感器网络中的应用研究 r e s e a r c ho na p p ii c a t i o no fb i u e t o o t hi nt h e e m b e d d e dwir ele s ss e n s o rn e t w o r k a b s t r a c t b e i n g - w i r e l e s s ，n e t w o r k i n g ，s y n t h e s i z i n g ，a n dm i c r o m a t i o n h a v eb e c o m ef o u r d e v e l o p m e n tt r e n d so fs e n s o rt e c h n o l o g i e s e w s n ( e m b e d d e dw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) c a n b ea p p l i e dt om a n yd o m a i n s ，s u c ha se n v i r o n m e n t a l e c o l o g i c a lm o n i t o r i n g ，i n d u s t r i a l p r o c e s sm o n i t o r i n g ，t r a f f i cc o n t r o l v e h i c l es c h e d u l i n g ，s e c u r i t ys u r v e i l l a n c e ，a n d m i l i t a r yr e c o n n a i s s a n c e e w s n sh a v e r e c e i v e dh i g h l e v e l c o n c e r n sf r o mi n d u s t r i a l o m m u n i t y ，a c a d e m i a ，s e c u r i t yd e p a r t m e n t sa n dm i l i t a r yd e p a r t m e n t so fm a n yc o u n t r i e s t h e r ea r et w om a i ni s s u e sa b o u te m b e d d e ds e n s o rn e t w o r kb a s e do nb l u e t o o t ht ob e r e s o l v e d ：t h et o p o l o g yf o r m a t i o na r i t h m e t i co fb l u e t o o t hs c a t t e r n e ta n dt h ed e s i g no f b l u e t o o t hs e n s o rn o d es y s t e m a i m i n ga tt h em a i ni s s u e so fb h e t o o t hs e n s o rn e t w o r k ，b a s e do nt h er e s e a r c ho f t o p o l o g yf o r m a t i o no fb l u e t o o t hs c a t t e r n e t ，t h et h e s i sp r o p o s e sa ni m p r o v e dr e c u r s i v e t o p o l o g yf o r m a t i o no fb l u e t o o t hs c a t t e r n e t ：e s t a b l i s h e sa b l u e t o o t hs e n s o rn o d e ( b s n ) s y s t e ma st h ee x p e r i m e n te q u i p m e n t t h et h e sisd e l v e si n t ot h eb l u e t o o t ha db o cn e t w o r k a n a l y z e sa n dc o m p a r e st h em a i n a l g o r i t h m sa n ds c h e m e so ft h e s ei s s u e sr e s e a r c h e sh a v ec u r r e n t l yp r e s e n t e d b ya n a l y z i n g t h e i rp e r f o r m a n c e s ，s o m eg o o di d e a sa r ec r e a t e da n da ni m p r o v e da l g o r i t h mf o rt o p o l o g y f o r m a t i o no fb l u e t o o t hs c a t t e r n e ti sp r e s e n t e d t h ea l g o r i t h mi ss i m p l e ，e f f e c t i v ea n d r e c u r s i v ew i t hg o o ds c a l a b i l i t y i th a sn or e s t r i c t i o nt h a tn o d e sa r ei nt h er a n g eo f c o m m u n i c a t i o no fo n ea n o t h e r a n di to a na d a p tt od y n a m i cn e t w o r ke n v i r o n m e n t i tc a n c o m m u n i c a r ew i t he a c ho t h e r u n t i lt h ep i c o n e ti sc r e a t e d t h et h e s i sp r o v e s t h e o r e t i c a l l yt h a t t h ea l g o r i t h mh a st h ef o l l o w i n gp e r f o r m a n c e s ：0 ( 1 0 9n ) t i m e c o m p l e x i t y ，o ( n ) m e s s a g ec o m p l e x i t ya n d0 ( 1 0 9n ) d i a m e t e ro ft h ec o n s t r u c t e ds c a t t e r n e t t h et h e s i sp r e s e n t sa ne m b e d d e ds t r u c t u r eo fb s n ，w h i c hi n c l u d e st h ed a t ac o l l e c t i o n ， b l u e t o o t hc o n n e c t i o nm a n a g e m e n t ，u s e ri n t e r f a c ea n dn e t w o r kp r o t o c 0 1 k e y w o r d s ：b iu e t o o t h 。wir eie s ss e n s o rn e t w o r k 。pic o n e t s c a t t e r n e t t o p oio g yf o r m a tio n 蓝牙技术在嵌入式无线传感器网络中的应用研究 0 前言 0 1 概述 2 0 世纪9 0 年代以来，随着嵌入式系统、无线通信、网络及传感器等技术的快速发展，具有 感知、计算和无线网络通信能力的传感器以及由其构成的无线传感器网络( w s n ) 引起了人们的 极大关注。无线传感器网络被认为是2 1 世纪最重要的技术之一，它将会对人类未来的生活方式 产生巨大影响。麻省理工学院的技术评论杂志( t e c h n o l o g yr e v i e w ) 评出了对人类未来生 活产生深远影响的十大新兴技术，无线传感器网络即位于这十种新技术之首“1 。 无线传感器网络最初来源于美国高级国防研究项目暑( d a r p a ) 的一个研究项目“1 ，由于受到 当时技术条件的限制，使得无线传感器网络的应用只能局限于军方的一些项目中，难以得到推 广和发展。近年来随着传感器技术、无线通信、微处理器、嵌入式操作系统等技术的发展，使 得无线传感器网络的理想蓝图能够得以实现，其应用前景越来越广。无线传感器网络在军事侦 察、环境信息检测、医疗健康、农业生产、家居及商业领域等有着广阔的应用前景，当然，在 空间探索和灾难拯救等特殊的领域，无线传感器网络也有其得天独厚的技术优势。国外各个研 究机构对它的研究也正方兴未艾。 目前无线传感器正朝着网络化、综合化和微型化方向发展”“1 。可以如下定义无线传感 器网络“1 ：无线传感器网络是由一组无线传感器以a d h o c 方式构成的无线网络，其目的是协作 地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。从体系结构上 来讲，无线传感器网络由传感器节点、s i n k 节点、i n t e r n e t 或通信卫星、任务管理节点等部分 构成。图0 - i 给出了无线传感器网络体系结构一般形式的描述。 图o - i 无线传感器网络体系结构 o 2 蓝牙无线传感器网络的国内外研究现状 在早期的无线传感器网络中( w s s ) 当中，美国加州大学洛杉矶分校研究的由w i n s ( w i r e l e s s i n t e g r a t e dn e t w o r ks e n s o r ) 构成的网络“1 是一种典型代表。w i n s 网络由传感器节点( 即w i n s ) 、 蓝牙技术在嵌入式无线传感器网络中的应用研究 用户终端和网关等设备组成，设备之间通过嵌入式无线电收发器进行通信，工作频段为9 0 2 9 2 8 m h z 或接近2 4 g h z 的i s m ( 工业、科学和医学) 频段，并采用自组织、多跳、t d m a ( 时分 多址) 网络协议。w i n s 网络的传感器节点具有集成度高、低功耗和低成本等特点。w i n s 网络 的主要缺点是：仅适于传感器节点小范围密集分布( 发射机功率限制在l 3 m w 以内) 、网络内 部无线传输速率很低( 不超过1 k b s ) 的场合，此外，关于w i n s 网络传感器节点i n t e r n e t 节 点化的研究也较为薄弱。 新兴的无线传感器网络( w s n ) 中，应用蓝牙技术( b l u e t o o t ht e c h n o l o g y ) 的w s n 较为 引入注目。2 0 0 0 年中期美国c r o s s b o w 公司公布了业界第一个蓝牙w s n 一- - c r o s s n e t ，用于数 据采集、测量和监视“1 。c r o s s n e t 的典型应用方案如图0 2 所示。 c r o s s n e t 具有以下特点： 监测主机与传感器节点建立 主从式蓝牙无线连接；传感 器节点实现了i n t e r n e t 节 点化的部分功能，如远程实 时访问传感器数据；兼容多 种传感器类型并能自动识别。 但c r o s s n e t 只是一种简单 的蓝牙微微网( b l u e t o o t h p i c o n e t ) ，其拓扑结构为星 形结构；传感器节点的互联 里接仝烹苎竺之竺里至譬方0 - 2c r o s s n e t 典型应用方案 式；传感器节点还未完全i n t e r n e t 节点化，如尚未实现传感器节点在线编程与控制。 近期欧美国家正在研究一种新的w s n ：s m a r t i t s “1 。s m a r t - i t s 项目是由欧洲委员会 ( e u r o p e a nc o m m i s s i o n ) 和瑞士教育与科学办公室( s w i s sf e d e r a lo f f i c ef o re d u c a t i o na n d s c i e n c e ) 联合资助的项目。s m a r t i t s 项目的研究目标是以“p o s th o c ”方式为现实世界中的 物体赋予“机敏( s m a r t n e s s ) ”性，首先为这些物体附加一种称作s m a r t i t 的小型嵌入式设 备，然后这些s m a r t - i t 再以a d - h o c 方式组成分布式w s n 。其中一个课题“1 研究了以蓝牙技 术作为无线传输手段的s m a r t i t 节点设备，取得了初步实验结果，但尚未研究蓝牙散射网 ( b l u e t o o t hs c a t t e r n e t ) 的拓扑与路由问题，也未见研究传感器节点接入互联网的问题，相 应的网络结构为集中式有中心结构。 以上两种蓝牙传感器网络存在同样的问题，即它们的网络结构是一种简单的蓝牙微微网 ( b l u e t o o t hp i c o n e t ) ，其拓扑结构为星形结构，这种网络结构可扩展性差：网络规模受限等。 无线传感器网络处于新技术的最前沿，i e e e 还没有成立无线传感器网络的标准制定小组 “”“，国际上从2 0 0 0 年开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。但是，这些研究成果处 于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。总体而言，我国在无线传感器网络方面的研究工作还 很少。由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不是很大，及时开展这 2 蓝牙技术在嵌入式无线传感器网络中的应用研究 项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家、社会的经济将有重大的战略意义。 论文中基于蓝牙技术的嵌入式传感器网络研究主要解决两个问题： 1 蓝牙散射网拓扑结构形成算法 2 ，嵌入式蓝牙传感器节点的设计 o 3 蓝牙散射网组网算法的研究现状 这里假定n 为散射网中节点总数，i 为微微网中从节点最大个数。 1 b t c p 算法 s a l o n i d i s 等“”“”首先提出了两个蓝牙节点间的对称连接机制，取代蓝牙协议中非对称连接 方法。基于这种机制，提出了一种散射网创建算法b t c p ( b l u e t o o t ht o p o l o g yc o n s t r u c t i o n p r o t o c 0 1 ) ，即蓝牙拓扑创建协议。算法试图用可能最少的创建时问建立一个具有可能最少微微 网的全连通散射网络。该算法首先选出所有节点的一个首节点，该节点在选举过程中获得了所 有节点的地址和时钟。然后，首节点决定某些节点为主节点，这些主节点再指定所属的从节点 以及桥节点。算法对生成的散射网拓扑结构有以下限制：一个桥节点只能连接两个微微网；两 个微微网间只有一个桥节点。 b t c p 形成的网络规模有限，它的节点数目小于3 6 个，它也假定所有节点在相互通讯距离内。 同时算法需要依赖于一个节点决定网络的拓扑结构然后再通知其它节点，这种算法具有时间复 ，r ， 杂度为q ( o v 0 ) 。 ，、 2 r a c f 算法 把a g g a r w a l 等“提如的算法叫随机群构成算法r a c f ( r a n d o m i z e da l g o r i t h mf o rc l u s t e r f o r m a t i o n ) ，它的目的是生成具有最大节点数目的微微网，从而减少微微网的个数。 算法将所有节点最大可能分成微微网后，选出一个知道所有节点信息的超级主节点，再由 这个节点决定散射网中节点的角色。它分为随机步骤和决定步骤。在随机步骤中，每个节点都 连续的处于查询和查询扫描状态，采用贝努利试验随机产生候选主节点、候选从节点和代理从 节点。在决定步骤中，从代理从节点选择一个超级主节点，并根据候选主节点的个数调整其它 节点的角色，使最终微微网个数最小。 因为最终生成的微微网间缺少桥节点将微微网互连起来，这个算法需要采用其它算法才能 真正组成一个散射网。算法也假定所有节点在相互通讯距离内，算法具有q ( ) 的时间复杂度， 但它的网络中节点个数受限制。 3 l m s 算法 l a w 等“”“6 1 提出的算法l m s ( l a wm e h t as i u 三个作者的姓名缩写) 是一个随机分布式创 建算法，它需要多次完成，但是每次只需一个步骤，它也假定所有节点在相互通讯距离内。 每个节点开始都是首节点，随机的进入扫描或者搜索模式。在扫描模式中，它处于被发现 状态，一旦被其它节点发现，它就进入寻呼扫描状态；在搜索模式中节点寻找其它节点，如果 发现，通过寻呼建立连接。如 蓝牙技术在嵌入式无线传感器网络中的应用聊f 究 果两个首节点相连，其中个 必须放弃首节点位置。如果这 个首节点中的微微网无从节点， 或者至少有一个非桥节点，或 者有少于最大数目的从节点， 这个微微网将不变。否则，主 节点动态调整从节点和桥节点， 通过移动、迁移和合并等方法 使散射网具有设定的特性，即 隧溷匿蛰豳 巨竭豳 图0 - 3l m s 算法中节点移动、迁移和合并等过程 桥节点参与的微微网个数最多为两个。如图0 _ 3 所示。 该算法时间呈对数级，消息复杂度呈线性，因此具有良好的性能。它生成的微微网个数在 f 一棚l + 1 和l 一协。但是它仍要求所有节点在相互通讯距离内o 4 b s f 算法 z a r u b a 等提出了b s f 算法“”( b l u e t r e es c a t t e r n e tf o r m a t i o n ) 。b s f 作为生成相连的散 射网的协议有两种形式，即蓝牙根增长树b g b ( b l u e r o o tg r o w nb l u e t r e e ) 和分布式蓝牙树d b ( d i s t r i b u t e db l u e t r e e ) 。b g b 从某个指定的叫蓝牙根b l u e r o o t 的节点开始，而d b 选择若干 个根生成树，再将每个根生成的树合并，从而加快散射网生成过程。b l u e t r e e 的一个显著特征 是所有生成的散射网是一个生成的拓扑结构，其中父节点是主节点，而子节点是从节点。 虽然算法选择最少可能的链路数生成相连的散射网，而且尽量用最少的网络资源来维护散 射网，但是所生成的散射网由于内在的层结构而有缺陷。首先是它缺少稳定，假如父节点丢失， 所有的子节点和从属子节点将和网络的其它部分分开，树的部分或者整体为了保持连接性必须 重建。在移动网络中这种情况是常见的。其次在路由上它的效率不高，因为所有的路径必须跨 过树根，这在大系统更为糟糕。b l u e t r e e 中的父节点也很有可能成为通讯的瓶颈。 但是这种算法时间呈对数级，消息复杂度呈线性，而且它不要求所有节点在相互通讯距离 内。 5 递归式拓扑结构构建算法 文献“提出了一种递归式的蓝牙拓扑结构形成算法。此算法的主要思想是从某个节点开始 搜索附近的节点，对搜索到的节点进行角色分配：候选主节点、网关节点和从节点。其中候选 主节点和网关节点个数相同。一个微微网形成以后，再以这个微微网为基础建立其它与之相连 的微微网，直到一个散射网建立完毕。每个微微网的建立方法是一致的，整个过程是可递归进 行的。当有其它的节点加入时，创建过程可以继续进行，将这些节点纳入散射网中。因此节点 数可以是未知和动态变化的，这使算法有很好的扩展性。算法也并不需要所有节点都处在能够 相互通讯范围内。 此算法基本实现了网络节点之间的互连，但它还存在以下缺陷：要求候选主节点在前一个 微微网的主节点的通信范围内；没有采用网络拓扑结构保持策略；此算法适用于传感器节点密 集配置的场合，当节点稀疏配置时，运用此算法构建的网络其直径变大，这样会带来传输时延： 堕茎垫查垒堡垒蔓查堡堡壁垦里塑! 塑壁旦竺壅 在对传感器节点进行角色分配时采用的规则比较简单，没有考虑网关节点的特殊性等。 6 算法比较 b t c p 和r a c f 算法最后需要集中到某个节点单独完成，这使算法的可靠性和扩展性变差，某 些节点负载过重。b s f 也有类似的问题，l m s 如果能突破节点间距离的限制将是比较好的算法。 算法比较见表o l 。 0 1 网络拓扑结构创建算法比较 b t c pr a c fl m sb s f 递归式算法 时间复杂度 q ( k )q ( )q ( 1 0 9 n )q ( 1 0 9 n )q ( 1 0 9 n ) 消息复杂度 q ( )q ( )q ( )q ( )q ( ) 节点数目3 6 任意任意 任意任意 节点间距离限所有节点在通所有节点在通所有节点在通节点知道邻候选主节点在其 制信距离内信距离内信距离内近节点信息 前一个主节点通 信距离内 0 4 论文的研究内容 论文着眼于工业现场数据采集、环境监测和安全检测等应用场合，针对目前蓝牙传感器网 络中存在的问题，研究蓝牙散射网的拓扑理论算法，提出一种改进的蓝牙散射网拓扑结构形成 方法，并对此方法进行理论论证；同时设计了嵌入式蓝牙传感器节点，以此作为实现蓝牙传感 器网络的试验平台。传感器节点( b s n ) 设计及其蓝牙散射网的拓扑理论研究是本论文的研究重 点。 本论文的组织内容如下： 第1 章阐述了无线传感器网络的通信基础和体系结构。分析多种无线电通信技术和基于蓝 牙散射网的e w s n 分层网络结构，界定其功能与应用场合； 第2 章针对无线传感器网络应用场合，结合蓝牙技术在组网方面的优势，研究了蓝牙散射 网的拓扑结构。分析比较了无线传感器网络典型的两种分群算法，根据文献“”中提出的递归式 网络结构构建算法，提出一种改进的递归式蓝牙散射网拓扑结构，并进行了数学证明。 第3 章阐述蓝牙传感器节点的设计原理，包括b s n 的嵌入式结构、b s n 的硬件核心和软件 平台。b s n 系统软件设计是系统的重要组成部分，主要包括4 个部分，分别为数据采集部分( d c ) 、 蓝牙连接接口部分( c m ) 、用户应用接口部分( u i ) 和网络协议设计部分( n p ) 。 第4 章对论文工作进行了总结，并展望了基于蓝牙技术的无线传感器网络的发展前景。 蕊牙技术在嵌入式无线传感器网络中的应用研究 1 嵌入式蓝牙传感器网络的通信基础和体系结构 11 无线通信网络技术 由于无线传感器网络的特点，即高度自组织和多跳通信使适用于无线传感器网络的专用无 线通信软硬件技术尤其是无线通信软件技术成为一个全新的研究领域，同时由于无线通信网络 的功能与性能成为了决定无线传感器网络应用成败的关键，因此支持无线传感器网络的无线通 信网络技术应该作为无线传感器网络应用研究的核心任务之一受到更多的重视与关注。 无线通信技术种类繁多，可按多种角度进行分炎。在此分析w l a n w p a n ( 无线局域网无线 个人区域网) 技术和u i b ( 超宽带) 通信技术。主要w l a n w p a n 技术包括蓝牙、i e e e8 0 2 1 1 系 列、h y p e r l a n 2 及h o m e r f 技术。 1 11 蓝牙技术 1 9 9 8 年蓝牙特别兴趣小组( b l u e t o o t hs i g ) 成立，它建立了公开的、全球统一的蓝牙技术 标准一一蓝牙规范1 ，使得蓝牙迅速的进入工业和民用，并为人们的生活方式带来了一场革命。 蓝牙技术的特点可以归纳为如下几点： 全球范围适用：蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段，全球大多数国家i s m 频段的范围是 2 4 1 2 4 8 3 5 g h z ，使用该频段无须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。蓝牙有两种链路类型：异步无连接 链路( a e l ) 和同步面向连接链路( s c o ) 。 具有很好的抗干扰能力：工作在i s m 频段的无线电设备有很多种，为了很好的抵抗来自 这些设备的干扰，蓝牙采取了跳频方式来扩展频谱，将频段分成7 9 个频点，带宽为1 瑚z ， 频率为1 6 0 0 跳秒。 蓝牙模蜊i 体积很小，可以方便的集成到各种设备中。 低功耗：蓝牙设备在通信连接( c o n n e c t i o n ) 状态下，有四种工作模式激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式。a c t i v e 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。s n i f f 模式下的从设备 周期性地被激活，h o l d 模式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组，但保持其激活 成员地址；p a r k 模式下的主从设备间仍保持同步，但从设备不需要保留其激活成员地址。 这三种模式中，s n i f f 模式的功耗最高，对于主设各的响应最快，p a r k 模式的功耗晟低， 对于主设备的响应最慢。 开放的接口标准：s i g 为了推广蓝牙技术的应用，将蓝牙的技术标准全部公开。 低成本：蓝牙产品刚刚面世时，价格昂贵，随着市场需求的扩大，蓝牙产品的价格也飞 速下降。目前蓝牙芯片的量产价格己经突破5 美元，而且还有进一步下滑的趋势。 速下降。目前蓝牙芯片的量产价格己经突破5 美元，而且还有进一步下滑的趋势。 蓝牙技术在嵌入式无线传感器网编中的应用研究 1 嵌入式蓝牙传感器网络的通信基础和体系结构 1 1 无线通信网络技术 由于无线传感器网络的特点，即高度自组织和多跳通信使适用于无线传感器网络的专用无 线通信软硬件技术尤其是无线通信软件技术成为一个全新的研究领域，同时由于无线通信网络 的功能与性能成为了决定无线传感器网络应用成败的关键，因此支持无线传感器网络的无线通 信网络技术应该作为无线传感器网络应用研究的核心任务之一受到更多的重视与关注。 无线通信技术种类繁多，可按多种角度进行分类。在此分析w l a n w p a n ( 无线局域网无线 个人区域网) 技术和u - i b ( 超宽带) 通信技术。主要w l a n w p a n 技术包括蓝牙、i e e e8 0 2 1 l 系 列、h y p e r l a n 2 及h o m e r f 技术。 1 1 1 蓝牙技术 1 9 9 8 年蓝牙特剐兴趣小组( b l u e t o o t hs i g ) 成立，它建立了公开的、全球统一的蓝牙技术 标准一一蓝牙规范“”，使得蓝牙迅速的进入工业和民用，并为人们的生活方式带来了一场革命。 蓝牙技术的特点可以归纳为如下几点： 全球范围适用：蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段，全球大多数国家i s m 频段的范围是 2 4 2 4 8 3 5 g h z ，使用该频段无须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 语音信道阻及异步数据与同步语音同时传输的信道。蓝牙有两种链路类型：异步无连接 链路( a c l ) 和同步丽向连接链路( s c o ) 。 具有很好的抗干扰能力：工作在i s m 频段的无线电设备有很多种，为了很好的抵抗来自 这些设备的干扰，蓝牙采取了跳频方式来扩展频谱，将频段分成7 9 个频点，带宽为1 姗z ， 频率为1 6 0 0 跳秒。 蓝牙模樊阵积很小，可以方便的集成到各种设备中。 低功耗：蓝牙设备在通信连接( c o n n e c t i o n ) 状态下，有四种工作模式激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式。a c t i v e 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。s n i f f 模式下的从设备 周期性地被激活，h o l d 模式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组，但保持其激活 成员地址：p a r k 模式下的圭从设备问仍保持同步，但从设备不需要保留其激活成员地址。 这三种模式中，s n i f f 模式的功耗最高，对于主设备的响应最快，p a r k 模式的功耗晟低， 对于主设备的响应最慢。 开放的接口标准：s i g 为了推广蓝牙技术的应用，将蓝牙的技术标准全部公开。 低成本：蓝牙产品刚刚面世时，价格昂贵，随着市场需求的扩大，蓝牙产品的价格也飞 速下降。目前蓝牙芯片的量产价格已经突破5 美元，而且还有进一步下滑的趋势。 6 蓝牙技术在嵌入式无线传感器刚络中的应用研究 蓝牙射频芯片具有r s s i ( r e c e i v e ds i g n a s t r e n g t ht n d ic b t o r ) 功能，可用于获取 相对定位信息。 支持点对多点通信，可以建立临时性的对等连接( a d h o cc o n n e c t i o n ) ：根据蓝牙设备 在网络中的角色，可以分为主设备( m a s t e r ) 和从设备( s l a v e ) 。几个蓝牙设备连接成 一个微微题( p i c o n e t ) ，其中只有一个主设备，其余均为从设备。微微网是蓝牙设备最 基本的一种网络形式。多个微微网在时间和空间上相互重叠而构成的更加复杂的网络拓 扑结构被称为散射网( s c a t t e r n e t ) 。散射网中的蓝牙设备可以是某个微微网的从设备， 也可以是另一个微微网的主设备。每个微微网的跳频序列各自独立，互不相关，同一微 微网的所有设备跳频序列同步。通过时分复用技术，一个蓝牙设备便可以同时与几个不 同的微微网保持同步。 1 1 2 其它几种无线通信技术比较 1 i e e e8 0 2 1 1 系列“2 ”“2 2 人们熟知的w l a n 技术标准是1 9 9 9 年9 月i e e e 正式批准的8 0 2 1 l b ( 也称作w i f i 或无 线以太网) 标准，i e e e 后来又分别批准了8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 标准，希望能够提高传输速率以 便可以和铜线甚至光纤抗衡。它工作在2 4 g h z ，直接序列扩频，最大数据传输速率为11 m b s 。 支持的范围是在室外为3 0 0 米，在办公环境中最长为1 0 0 米。使用与以太网类似的连接协议和 数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。美国r a d i a t a 和a t h e r o s 公司分别 宣布，将推出i e e e8 0 2 1 l a 芯片组，其数据传输速率为5 4 m b s 。a t h e r o s 公司推出的芯片，其 速率可以达到7 2 m b s 。对8 0 2 1 l a 来说，不仅仅是传输速率的提高。它将会工作在5 g l - i z 静频 率上，从而避开了拥挤的2 4 g h z 频段。 2 h i p e r l a n 2 ”l 1 2 1l “ h i p e r l a n 2 是由h i p e r l a n 2 全球论坛( h 2 g f ) 开发的下一代w l a n 技术，h i p e r l a n 2 标准 于2 0 0 0 年制定完成，其前身是欧洲电信标准化协会( e t s i ) 制定的h i p e r l a n l 标准。h i p e r l a n 2 在5 g h z 频段上运行。h i p e r l a n 2 具有很高的传输速率，它的物理层传输速率最高可达到5 45 l b p s ， 它面向连接的特性使它很容易满足q o s 要求，可以为每个连接分配一个指定的q o s ，确定这个 连接在带宽、延迟、拥塞、比特错误率等方面的要求。另外h i p e r l a n 2 协议栈具有一个灵活的 结构，因此很容易与多种固定网络进行适配和集成。所有今天可以在固定网络中运行的应用都 可以在h i p e r l a n 2 网络中运行。 3 h o m e r f 蜘l ”1 ” h o m e r f 工作组是由美国家用射频委员会于1 9 9 7 年成立的，其主要工作任务是为家庭用户 建立具有互操作性的语音和数据通信网。h o m e r fl ，0 版工作在2 4 g h 。频段，采用了数字跳频 扩频技术，共有7 5 个带宽为1 m h z 的跳频信道，跳频速率为5 0 跳s 。调制方式为恒定包络 的f s k 调制。数据传输速率最高可达2 m b s 2 0 0 1 年8 月推出了h o m e r f2 0 版，工作频段为 l o g t t z ，采用了1 】| b f h ( w i d eb a n df r e q u e n c yh o p p i n g ) 技术来增加跳频带宽；且能根据数据传 输速率动态调整科频带宽，最大数据传输速率为l o i b p s ，在安全性方面主要考虑了访问控制和 7 蓝牙技术在眼入式无线传感器删络中的应用研究 加密技术。 4 主要w l a n w p a n 技术之比较 这几种技术的比较结果如表卜l 所示。 表卜1 主要孔a n 胛a n 技术之比较 技术类别 蓝牙i e e e s 0 2 11 系列 h o m e r f 2 h y p c r l a n 2 8 0 2 1 l a8 0 2 1 l b 8 0 2 1 l g 工作频段 2 4 g h z5 g h z2 4 g 也 2 4 g 1 0 g h z 5 g h z 扰干扰手段f h s s ；1 6 0 0 1 d s o f d md s s s0 f d mf h 8 s ，o f d m 7 5 b ，s 物理层晕大 1 m b s5 4 m b s1 1 m b ，s低于8 0 2 1 l a1 0 m b ，s5 4 m b s 传输速率 最大有效传7 2 1 k b p 吖链路2 5 m b p s ( 厨络 输速率层) 层) 最太传输距 t o r n l o o m1 0 0 f n 左1 0 0 m理论上大于 ( 家庭内部) 离 8 0 2 1 l b a d _ h 0 4 3 组网支持 支持 方式 芯片低功耗支持 支持 模式 技术成熟度芯片、应用产品 芯片、应用产品 均已进入市场均已进入市场 国内市场应点对( 多) 点通点对( 多) 点通 用现状 信信 技术规范首 国际性国际性( 以美国为首)美胃欧洲 推国别 从表中可见，蓝牙技术同时具备低功耗、低成本、现实可用性、支持a d - h o c 组网方式等特 点，因而对于构建e w s n 子网而言，蓝牙技术的整体优势明显。不过，蓝牙技术传输速率偏低， 在构建e w s n 子网和研究高层应用程序时需考虑这个不利因素。另外我们构建的e w s n 网络传输 的数据主要是除图像以外的其它传感器数据，所以这个速率足够用，雨且近期英国著名的蓝牙 芯片供应商c s r 公司已经推出b l u e c o r e 0 4 系列，传输速度达到原来的3 倍。 1 1 3u w b 通信技术 u w b 通信技术伽m 小铷是一种与传统技术有很大不同的无线通信技术，其特点是低功耗、 垩茎茎查! 竺堡尘苎至垡堡壁矍堕竺! 堕堡旦竺塞 高带宽、低复杂度。u w b 技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题，它具有 对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、安全性高、系统复杂度低，能提供数厘米的定位 精度等优点。 2 0 0 2 年2 月1 4 日，美国f c c ( 联邦通信委员会) 正式将3 1 1 0 6 g h z 频带向作为室内 通信用途的i j w b 开放。目前，英特尔( i n t e l ) 公司正在进行研究和开发，以便将u w b 通信集 成到个人电脑芯片组中，这是由于脉冲发生电路结构简单，因此相对来说比较容易在芯片组中 集成。u w b 通信是在笔记本电脑与外围设备( 电脑、p d a 、数字电视以及数字相机等) 之间实现 无线接口连接的物理层技术，所以英特尔将u w b 定位于“无线u s b 2 0 ”。将其作为l o m 以内的 近距离高速无线传输接口使用。目前己达到l o o m b s ，实现了最初的目标，而下一个目标则是 5 0 0 m b s 。 但u w b 通信技术目前还仅仅是物理层技术，只支持点对点无线通信，若要实现点对多点通 信甚至a d h o c 网络通信，尚需链路层和网络层的支持，目前学术界和工业界正在对此进行研 究。 1 2 蓝牙自组网技术 1 2 1 蓝牙网络结构 蓝牙网络分为微微网和散射网。共享单个公共信道的一组蓝牙节点组成一个微微网。微微 网中一个节点做主节点( m a s t e r ) ，其它做从节点( s l a v e ) 。从节点的个数有限，目前不能超过 7 个。主节点轮询从节点，与它们通讯，从节点保持同主节点之间的同步，但从节点之间不熊通 讯，需要主节点转发数据才能实现它们之间的互通。多个微微网可以在公共区域内共存相连而 形成散射网，每个微微网使用不同跳频序列”。 蓝牙微微网与蓝牙散射网本质上都是一种a d - h o c 射频网络，统称为蓝牙a d h o c 网络，其 设备连接如图1 - 1 所示“”。图中，m a s t e r 和s l a v e 分别代表蓝牙主设备和从设备。微微网只 能建立点对点或点对多点的星形结构网络连接，以单跳通信方式为主；面散射网由多个微微网 互连起来，可以建立树形结构网络连接和其它更为复杂的网络连接，支持灵活的多跳通信方式， 进而适应不同应用场合的多种需求。蓝牙散射网实质也是一种分群( c l u s t e r ) 分级式a d h o c 网 络。 蓝牙技术在嵌入式无线传感器网络中的应用酬究 1 2 2 散射网结构特点 图1 - l 蓝牙a d h o c 网络的设备连接 b h a g w a t 等n 从图论与数论角度分析了散射网拓扑结构的几何特征，指出散射网拓扑结构 非任意网络结构，而是有以下限制： 节点类型限制：任何节点只能是主节点或从节点，某些从节点可以作为网关节点； 度限制：主节点度不大于7 ，网关节点度大于2 而小于一个最大度数，非网关节点度为 1 ； 连接限制：两个从节点或者两个主节点之间不能直接相连。 z u r b e s 等”分析了系统内同时存在多个微微网产生的共道干扰对于蓝牙系统性能影响。 j o h a n s s o n 等“分析了信号瑞利衰落与多经干扰对于蓝牙链路性能影响，推出这种信道条件微 微网分布密度与链路性能的关系，同时分析蓝牙纠错编码的方案对于系统性能的影响，指出蓝 牙技术在短距离内对数据和语音有良好的支持。j o h a n s s o n 等研究了t c p i p 在蓝牙无线网络 的性能。z i l r b e s 等“1 对蓝牙射频和基带模块做了仿真实验，说明多时隙数据包在各种干扰条 件下具有更高的吞吐率。s h o r y 等“1 指出蓝牙在克服容量限制、搜索时间和节能所需做的进一 步工作。m i k l o s 等通过仿真具有不同特性的散射网，得到一些影响散射网性能的重要因素，包 括链路数日和微微网间转发引起的负载等。 以上研究表明蓝牙技术是适合近距离的无线通信标准。蓝牙跳频技术可以使多个微微网在 近距离内同时存在。在构造个人区域网络或无线传感器网络时，8 0 2 1 1 “”也是一个候选技术。 j o h a n s s o n 等“1 1 对蓝牙和8 0 2 1 l 作了对比，说明它们之间互有优劣： 8 0 2 11 的链路速度可达到1 0 n l b p s ，而蓝牙只有1 m b l ) s 。但是当节点数增加时，蓝牙髓 增加网络整体容量。这是因为8 0 2 1 1 使用1 7 m h z 的广播信道和c s m a