（物理电子学专业论文）红外无线局域网实现的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 红外无线局域网技术是无线局域网标准的一种组网形式。红外线作为传输媒 体，用于实现室内多机通信；与有线局域网相比，该网络具有价格便宜、组网方 便、灵活，并且其使用不受无线电的干扰。因此不受国家无线电管理委员会的管 制，具有保密性好的优点。矿 ， 本论文详细介绍了红外无线通信及红丛歪垡旦彗圈的结构构成。文章中给出 了协议i e e e 8 0 2 1 1 的部分关键内容，提出了一种实现红外无线局域网的具体方案， 整个系统由4 台p c 机、红外无线收发器和红外中枢机组成。p c 机和红外线收发 器负责组网、发送数据或命令，红外中枢机提供建立链路连接、关闭链路连接及 错误探测等功能。整个系统实验效果较好，基本实现了红外无线室内p c 机互连任 务，初步实现了红外无线方式的局域网。 本文共六章。第一章介绍了国内外红外无线局域网发展概况和本课题的研究 内容：第二章对本系统中的关键理论及技术作了简要的介绍；第三章分析了整个 系统的的总体设计方案。第四章对系统中的红外无线收发器作了详细的论述；第 五章论述了红外无线中枢机的硬件和软件设计方案及实验系统的工作情况；第六 章是全文的工作总结。 关t 词li r d ar s 2 3 2 红外收发器红外中枢机 华中科技大学硕士学位论文 s t u d yo n r e a l i z a t i o no fi n f r a r e dw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fi n f r a r e dw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r ki so n eb r a n c ho ft h ew i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k p r o t o c o l sa c c e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y a sa m e d i u mf o rs h o r t - r a n g eo r i n d o o rc o m m u n i c a t i o n ，i n f r a r e dr a d i a t i o no f f e r ss e v e r a ls i g n i f i c a n ta d v a n t a g e so v e rr a d i o i n f r a r e de m i t t e r sa n dd e t e c t o rc a p a b l eo f h i g h s p e e do p e r a t i o na r ea v a i l a b l ea tl o w c o s t t h ei n f r a r e ds p e c t r a lr e 百o no f f e r sav i r t u a l l yu n l i m i t e db a n d w i d t ht h a ti su n r e g u l a t e d w o r l d w i d e t h i s p a p e rg i v e s t h ed e t a i l sa b o u ti n f r a r e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dt h e c o n f i g u r a t i o n so f t h ei n f r a r e dw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k n ep r o t o c o l so fi e e e s 0 2 1 l a n dt h e i rc o m p o n e n t sh a v eb e e ni n t r o d u c e d ai n f r a r e dh u bh a sb e e nd e s i g n e dw h i c hc a n r e a l i z et h ew i r e l e s sc o n n e c t i o n n ew i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r ki sm a d e u p o ff o u rs e t s o fp ca n di l 】丘a r e dt r a n s c e i v e r p c sa n di n f r a r e dt r a n s c e i v e r sa r eu s e dt of o r mt h el o c a l a r e an e t w o r ka n dc o n t r o ld a t ac o m m u n i c a t i o n t h ei n f r a r e dh u bi s r e s p o n s i b l e f o r e s t a b l i s h i n gt h ei n f r a r e dl i n k ，d e t e c t i n gt r a n s m i s s i o ne r r o r s ，o b t a i n i n g t h e r e q u i r e dq u a l i t y o fs e r v i c e n ew h o l es y s t e mc a l lw o r ke f f e c t i v e l y a n db a i s c a l l yr e a l i z et h ew i r e l e s s i n f r a r e dl o c a la r e an e t w o r k ? t 1 1 i sp a p e rc o n s i s t so fs i xs e c t i o n s c h a p t e r1i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fi n f r a r e d w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r ki nw o r l da n dt h em a i nc o n t e n to fo u rt a s k c h a p t e r2 d e s c r i b e st h ek e yt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fi n f r a r e dn e t w o r k n l ei n t e g r a ld e s i g no fo u r s y s t e mi si n t r o d u c e di nc h a p t e r 3 c h a p t e r4 d i s c u s s e st h ed e s i g no ft h ei n f r a r e dw i r e l e s s t r a n s c e i v e ri nd e t a i l c h a p t e r5i n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ei n f r a r e dw i r e l e s sh u ba n d d e s c r i b e st h ee x p e r i m e n ts y s t e m sw o r k i n gs t a t u s a tl a s t ，t h es u m m a r yo fo u rw o r ki s g i v e no u ti nc h a p t e6 k e y w o r d s ：i r d ar s 2 3 2i n f r a r e dt r a n s c e i v e ri n f r a r e dh u b i i 华中科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外红外无线通信发展概况 自从七十年代中期i b m 公司的e r g f e l l e r 发表了关于室内红外无线通信设计 与实验的论文以来。世界各国有许多学者与厂商致力于该领域的研究。加州大学 b e r k e l e y 分校，在i b m 及h p 公司的资助下进行了红外无线数字系统特性及系统 设计的研究，目标是1 0 0 m b p s 及5 0 m b p s 的散射光传输：a t & t b e l l 实验室的c o n d o n 等人研制出采用红外链路的删局域实验网r e d n e t ，可实现便携式p c 的无线端 到端的通信，工作速率2 5 m b p s ，工作距离为4 米；e l m i r q h a n i 等人提出了集成脉 冲位置调制及码分多址( c d m a ) 接入的室内红外通信网络模式病进行了研究，采用 了光学正交码，讨论了最小误码率时的参数优化。 目前该领域的研究主要包括如下几个方面：红外无线通信的数学模型的建立； 强背景干扰下的红外无线通信链路特性的实验研究；红外无线通信调制方式的分 析；红外无线通信的均衡技术；红外无线l a n 的原理及多址方式；红外无线光接 收机、光发射机的空间分集的研究等j 。 加州大学b e r k e l e y 分校在i b m 及h p 公司的资助下进行了红外无线数字系统 特性及系统设计的研究，目标是1 0 0 m b p s 及5 0 m b p s 的散射光传输；为了提高频 带利用率，k a h n 教授领导的研究小组进行了多子带调制( m s m ) 传输的研究，以 子载带数及带宽需求作为基本参数来评价调制方式，对3 0 m b p s 的l o s 链路的分 析表明，2 4 q a m 和2 1 6 - q a m 最佳，对3 0 m b p s 的漫射链路的分析表明，2 - 4 q a m 和2 1 6 q a m 在阴影效应下特性有变化，结果表明，m s m 技术更易于高速应用， 其特点是频带效率高，通信的多接入更简单而方便，a t & tb e l l 实验室的c o n d o n 等人研制出采用红外链路的a t m 局域网r e d n e t ，可实现便携p c 的无缝端到端的 通信；工作速率2 - 5 m b p s ，工作距离为4 m ，采用与有线网络相连的基站作为网关， 支持用户漫游，链路层协议支持链路共享及信元的传输，另外还对动态地址分配 及连接管理进行了探讨。e l m i r g h a r t i 等人提出了集成脉冲位置调制及码分多址 ( c d m a ) 接入的室内红外通信网络模式并进行了研究，采用了光学正交码，并 1 华中科技大学硕士学位论文 探讨了最小误码率时的参数优化【2 j 。 红外无线通信特性分析的常用方法是求出其冲激响应，对于红外无线数字通信 不同的收发方式，通信的冲激响应及链路的响应带宽各不相同。b a r r y 等人对l o s 方式的通信特性进行了详细分析；把特定房间分成n 个漫游源，在归一化功率下 通过瞬态计算可求出其冲激响应，目前已进行了i o o i v l b p s 下行链路的试验，获得 了b e r 与平均光功率的仿真结果，给出了多径作用下的信道瞬态响应，结果表明， 在l o s 方式下，l o s 信号到达后的5 个码元是仍然有严重的后置的l s i 干扰存在； 进行了含自适应d f e 采用基带o o k 调制的红外无线通信的计算机仿真研究；考 虑了分组通讯情况下系统的定时恢复的瞬态特性，所用分组机构是：预域 ( p r e a m b l e ) 、1 0 1 0 、分组头部一包含源目的地址及分组长度、载荷。b a k a l i d i s 等 人也对l o s 和漫游方式的信道特性进行了分析。 d a n i e l 等人研究了采用手持终端的无线红外厂区网络。该网络采用蜂窝结构， 所有的红外单元与高速光纤骨干网相连。骨干网上接有i s d np a b x ，红外手持 终端有两种类型：1 ) 普通型：含有标准的电话业务及少量的数据业务，用于移动 的手持终端应用；2 ) 高性能型：具有内置处理能力，使传感器的数据速率降至与 红外信道兼容，可用于与高速数据设备接口。红外通信采用的协议类于i s d n 协议， 每个红外单元的信道速率为标准i s d n 速率：2 b + d ( 2 * 6 4 k b p s + 1 6 k b p s ) 。他们研究 了信道特性及与a m i 配用的3 - p p m 调制，对网络性能进行了分析预测试。 西班牙的t a f n a 大学的r p e r e z j i m e n e z 把被i e e e8 0 2 1 1 委员会推荐的p p m 进行了改进( 称为i p p m ) ，引入了基于f q p s k 的滤波器，改善了功率谱效率；i p p m 的信号波形与n = 0 2 5 的升余弦滤波器频率响应相同；采用了带块判决的m l ( 最 大似然) 判据；当b e r 为1 0 1 时需要- l s d b 的信号干扰比；采用了b d f e 均衡。 r p e r e zj i m e n e z 还把2 m b p sf q p s k - 2 调制器用于红外无线数字通信系统，它亦被 i e e e8 0 2 1 l 委员会推荐，试验结论是f q p s k - 2 调制器可用于i r d a 系统( p p m4 4 m b p s 链路) 或i e e e8 0 2 1 1 链路( 1 或者2 m b p s ) ；功率谱效率及抖动消减优于p p m ( 与i p p m 相当) 。可用于点对点及散射系统( 可支持到至少4 路3 0 m h z 的信道) 。采用了非 线性放大可使功耗低于q p s k 及p p m u j 。 国外有不少公司均报道了其红外无线通信产品，如l a s e rc o m m u n i c a t i o n 公司 2 华中科技大学硕士学位论文 的i n f r a l a n ，s c h i n d l e r 公司的f i r l a n ，s p e c t r i x 公司的s p e c t r i x l i t e ，p h o t o n i c s 公司的p h o t o l i n k ，i b m 则推出了基于e t h e m e t 、t o k e n r i n g 的红外无线接入网产品， a t & t 也推出了可与a t m 互连的红外无线通信实验网络r e d n e t 等。目前c a n n o n 、 d e c 、h e w l e t t p a c k a r d 、i b m 、s u n 等都在其产品上配置了i r d a 接口。 在硬件方面，目前许多公司致力于红外无线数字通信的集成化工作，可用的 集成芯片有：1 ) c r y s t a ls e m i c o n d u c t o r 的s c 8 1 3 0 发射器；它可与u r a t 或r r l 接 口，具有l e d 功率可编程和阈值控制功能，支持i r d a 、a s k 、t v 遥控等调制方 式；2 ) h e w l e t t p a c k a r d 的f i d s l 1 0 0 0 集成系列红外发射器模块；含有l e d 、p i n 、 驱动放大电路，可直接与i r d a 兼容的u r a t 或与n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ，s m c 提供的s u p e ry o 控制器接口；3 ) i r v i n es e n s o r s 的s i r c o m ms i r 2 红外无线通信接 收器；采用外接p i n ，可直接与k d a 兼容的u r a t 或与n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ， s m c 提供的s u p e ri o 控制器接口，可接收i r d a 和a s k 传输；4 ) l i n e a rt e c h n o l o g y 和l t l 2 1 9 通用红外接收器模块；可用于i r d a 、a s k 、t v 遥控等红外数字系统的 接收器，工作带宽为8 m h z ；5 ) n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 的p c 8 7 3 3 4 vs u p e ry o 系 列；其中所含的一路i r d a 兼容的串行口提供p p m 调制与解调功斛4 。 在软件方面，有g e n o at e c h n o l o g y 开发的i r d a 红外系统安装调试软件模块， 可用于验证i r l a p 及i r l m p ，含有交互功能，可进行b e r 测试：p u m at e c h n o l o g y 开 发的t r a n x i t 文件传送及管理软件，可基于w i n d o w s 用户界面实现网络、驱动器、 目录下的文件同步，具有百版功能，文件传送工作于后台方式，支持1 1 5 2 k b p s i r d a 及1 1 5 m b p sm m 传输速率，支持硬件的o e m 应用；t r a v e l i n gs o f t w a r e 开发的 l a p l i n ks y n c h n op l u s 遥控及文件传送软件基于w i n d o w s 用户界面，可实现网络、 驱动器、目录下的文件同步，支持i r d ao e m 应用：m i c r o s o f t 、a p p l e 等操作系统 供应商在他们新一代的操作系统中包含有i r d a 设备的驱动软件【引。 国内仅清华大学、深圳中兴公司等单位处于起步阶段。我校在该领域已开展 一些实验研究工作，分别对红外无线数字系统的光传输及无线工作机制及其组成 结构进行深入的研究与讨论，并且对其中的某些关键的专题进行更为仔细的分析： 华中科技大学硕士学位论文 红外无线通信调制方法的分析、红外无线l a n 的原理及多址方式。作为新一代的 无线红外组网的通信产品将取代老一代产品，形成一个新的经济增长点【6 】。 1 2 无线局域网技术 一无线局域网技术概述 计算机网络涉及计算机和通信两个领域。在传统的有线局域网( l a n ) 中， 计算机等设备被网络连线紧紧牵制而无法实现可移动的通信，更无法发挥便携式 计算机的通信功能。近些年来，随着局域网的应用领域不断拓宽和现代通信方式 的不断变化，尤其是移动和便携式通信的发展，无线局域网( w l a n ) 便应运而 生。 无线局域网的基础还是传统的有线局域网，是有线局域网的扩展和替换。它 只是在有线局域网的基础上通过无线h u b 、无线访问节点( a p ) 、无线网桥、无 线网卡等设备使无线通信得以实现。下面以最广泛使用的无线网卡为例介绍无线 局域网的工作原理。 如图1 2 1 所示： 天线无线网卡 圈卜2 一l 使用无控网卡的f l 砌e 理圈 一个无线网卡主要包括n i c ( 网卡) 单元、扩频通信机和天线三个组成功能 块。n i c 单元属于数据链路层，由它负责建立主机和物理层之间的连接。扩频通 信机与物理层建立了对应关系，实现了无线电信号的接收和发射。当计算机要接 收信息时，扩频通信机通过网络天线接收信息，并对该信号进行处理，判断是否 4 华中科技大学硕士学位论文 要发给n i c 单元，如是则将信息帧上交给n i c 单元，否则丢弃掉。如果扩频通信 机发现接收到的信号有错，则通过天线先将待发送的信息传给n i c 单元，由n i c 单元首先监听信道是否空闲，若空便立即发送，否则暂不发送，并继续监听。由 此看出，无线局域网的工作方式与由i e e e 8 0 2 1 1 定义的有线网的c s m a c d ( 载体 监听多路访问冲突检测) 3 2 作方式很相似。 红外线局域网使用波长小于l 微米的红外线，基本速率为1 m b p s ，仅适用于 近距离的无线传输，且具有很强的方向性：而无线电波的覆盖范围较广，应用较 广泛，是常用的无线传输媒体。其中，使用扩频方式通信时其发射功率低于自然 的背景噪声，这一方面使扩频通信非常安全，基本避免了通信信号的偷听和窃取， 另一方面不会对人体健康造成伤害。所以在使用无线电波作为通信媒体时，目前 主要使用扩频方式p 】。 局域网只涉及到i s o r m 七层网络模型中的最低两层：物理层和数据链路层， 所以网络结构相对较简单。根据局域网的特点，鹰e e ( 国际电气电子工程师协会) 旱在9 0 年代初就开始研究并制定了无线局域网的特点，近来称为i e e e 8 0 2 1 l 的这 一标准被正式确立。 在i e e e 8 0 2 1 l 标准中，具体将局域网结构划分为”点到点( p e e r t o p e e r ) ”和”主从 ( m a s t e s l a v e ) ”两种标准形式。“点到点”结构用于连接p c 机或便携式计算机，允 许各台计算机在无线网络所覆盖的范围内移动并自动建立点到点的连接，使不同 计算机之间直接进行信息交换。而“主从”结构中所有工作站都直接与中心天线 或访问节点( a p ：a c c e s sp o i n t ) 连接，由a p 承担无线通信的管理及与有线网络 连接的工作。无线用户在a p 所覆盖的范围内工作时，无需为寻找其它站点而耗费 大量的资源，是理想的低功耗工作方式。同时i e e e 8 0 2 1 l 对无线局域网的物理层、 应用环境和功能等方面也作了规定。 二物理介质规范及介质访问控制： 目前的i e e e 8 0 2 1l 标准定义了三种物理介质： 1 红外线：数据率为1 m b p s 和2 m b p s ，波长为8 5 0 r i m 和9 5 0 n m 之间。 2 直接序列扩展频谱：运行在2 4 g h zi s m 频带。最多有7 个通道，每个通道的 数据率为1 m b p s 或2 m b p s 。 华中科技大学硕士学位论文 3 频率跳动扩展频谱：运行在2 4 g h zi s m 频带。有关这种物理介质的详细内容 尚在研究之中。 i e e e 8 0 2 1 1 工作组考虑了两种m a c 算法：一种是分布式访问控制协议，像 c s m a c d 一样，利用载波监听机制；另一种是中央访问控制协议，由中央决策者 进行访问的协议。分布式访问控制协议适用于由地位等同的工作站组成的网络以 及具有突发性通信的无线l a n 。而中央访问控制协议则适用于由一些互连的无线 站点和一个连到骨干有线l a n 的基站所组成的网络。中央访问控制协议对于那些 具有时间敏感数据或者高优先权数据的网络特别有用嘲。 i e e e 8 0 2 1 1 最终形成的一个m a c 算法称为d f w m a c ( 分布式基础无线 m a c ) ，它提供分布式访问控制机制，处于其上的是一个任选的中央访问控制协议。 如图1 2 2 所示： 无争用殷务 争用服务 点协调功姥 j口c f ) _ c 屡 分布协调功铑 i c f ) 物理屡 囝i - 2 - 2 e e 睨1 1 协议结构 在m a c 层中靠下面的是分布协调功能子层( d c f ) ，d c f 利用争用算法为所有的 通信提供访问控制。一般，异步通信用d c f 。在m a c 层中靠上面的是点协调功 能( p c f ) ，p c f 用中央m a c 算法，提供无争用服务。p c f 位于d c f 的上面，并 利用d c f 的特性来保证用户的介质访问。 分布协调功能( d c f ) ： d c f 子层采用简单的c s m a 算法。假若站点要发送m a c 帧，它先监听介质。 如果介质是空闲的，则发送这一帧，否则站点必须等待直到正在进行的传输完成 后才能发送。d c f 没有冲突监测功能，因为在无线网上进行冲突监测是不现实的。 6 华中科技大学硕士学位论文 介质上信号的动态范围非常大，因而发送站不能有效的辨别出输入的输入的微弱 信号是噪声还是站点自己发送的结果。为了保证上述c s m a 算法的顺利和公平， d c f 采用了一系列的延迟，相当于一种优先权机制。首先考虑称为帧间空隙( i f s ) 的简单延迟。讨论时暂且不考虑不同的i f s 值对这种机制的影响。利用i f s 的c s m a 访问控制的操作过程如下： 发送站监听介质：若介质空闲，站点再继续监听等于i f s 的一段时间，如果在 这段时间内介质仍然是空闲的，则站点可立即发送帧。 若介质忙( 无论是发送站一开始就监听到介质忙，还是继续监听到介质忙) ，站 点推迟发送并继续监听介质直到完成当前的传输。 一旦当前的传输已完成，站点要再监听一个i f s 。若在此期间介质仍然空闲，然 后站点按照二进制指数退避算法退避一段时间后监听介质。如果介质仍然空闲， 站点就可以发送帧。在以太网中，利用二进制退避算法来处理重负载的情况。若 发送站监听到介质忙，它就退避一段时间后再试。由介质忙引起的退避次数越多， 那么退避的时间就会越长。以上方法在d c f 中经过了提炼，用三种不同的i f s 值 来提供基于优先权的介质方法控制： s i f s ( 短i f s ) 。最短的i f s ，用于所有的立即响应活动。 ) p i f s ( 点协调功能i f s ) 。中等长度的i f s ，在p c f 机制中的中央控制器发出查 询时间。 d i n s ( 分布协调功能i f s ) 。最长的i f s ，作为异步帧争用访问控制中的最小的 延时。 图1 - 2 3 为这些i f s 值的使用： 哥 滕 l 艘两 争用窗口l i 石介质忙p 叫 啦智i j 仫二f o 磺。 + 卜时间糟 华中科技大学硕士学位论文 首先考虑s i f s 。任何站点如果用s i f s 来决定是否进行发送的话，事实上它就具有 最高的优先权，因为相对于那些需要等待p i f s 或d i f s 的站来说，这些站点总是 能优先取的介质的访问权。s i f s 适用于下列环境： 响应( a c k )若一个站点接收到只发送给它的一个帧，这个站点在等待s i f s 后就发送一个a c k 帧。这样做可以取得以下两个效果。首先，因为m a c 没有使 用冲突检测，发生冲突的可能性要比c s m a c d 大，m a c 层的a c k 帧提高了从 冲突中恢复的效率。其次，如果一个l l c 协议数据单元( p d u ) 要分成多个m a c 帧进行发送，那么用s i f s 可以提高传输的效率。例如，一个站点要发送多个帧， 每次只能发送一个帧。接收方等待一个s i f s 就发出a c k 。当源站接收到a c k ， 等待s i f s 后就可以发出序列中的下一帧。于是一个站一旦争到通道，它将继续控 制这个通道直到发送完全部l l cp d u 形成的帧。 发送清除( c t s )一个站点如果发送一个小的请求发送( r t s ) 帧就可保证 它的数据帧的发送成功。目的站如果准备好接收就应立即用c t s 帧响应。所有其 它的站点接收到这个r t s 就推迟使用介质直到观察到下一个响应c t s 或者发生了 超时。 查询响应。p i f s 由中央控制器用于发送查询帧，使它领先于一般争用通信。但 是用s i f s 发送的帧领先于p c f 查询帧，d i f s 用于所有普通的异步通信。 点协调功能( p c f ) ： p c f 是在d c f 之上的一个任选访问方法，由点协调器进行访问查询。点协调 器在其发出的查询帧中使用p i f s 。由于p i f s 小于d i f s ，因而点协调器总是能获 得对介质的访问并且当其在发送查询帧，接收响应时，把全部异步通信都锁住。 考虑下面一个极端的例子。在一个无线l a n 中，含有对时间敏感的通信的站都由 点协调器控制，而其它通信则用c s m a 争用访问。点协调器可以用循环向所有的 查询站点发出查询帧。当发出一个查询后，被查询的站点用s i f s 响应。若协调器 接收到一个响应，它用p i f s 发出另一个查询帧。若在预期的返回时间内没有接收 到响应，点协调器就重复发出查询帧。如果点协调器不断的发送查询就会锁住所 有的异步通信。为避免出现这种情况，定义了一种称为超级帧( s u p e r f r a m e ) 的时 间间隔。在此间隔的的前面部分，点协调器用循环的方式向所有查询站点发出查 询。然后点协调器把超级帧的剩下时间空出来，作为异步访问的争用时期。图1 2 - 4 华中科技大学硕士学位论文 为超级帧的使用 在超级帧的开始，点协调器可以在一段时间内任意控制对介质的访问和发送 查询。由于响应站发出的帧是可以变化的，所以这段时间是可以变化的。超级帧 的剩下的时间用于争用访问。在超级帧的末尾，点协调器用p i f s 争用介质。若此 时介质是空闲的，点协调器就可以立即访问介质，紧接着就是一个完全的超级帧 周期。但是，在超级帧的末尾，若点协调器要等待介质空闲才能获得访问权，其 结果是下一个周期中，超级帧的实际时间被缩短了【9 1 。 1 - 3 本文的主要研究内容 一 课题的提出 本课题属于2 0 0 0 年度下达的湖北省重点科技攻关项目。当前世界移动通信、 个人通信的需求日益增长，无线接入技术已得到人们的广泛重视。红外无线数字 通信是一种采用红外线作为通信载体，可用于室内外已实现点对点以及无线红外 l a n 通信技术。由于红外无线数字通信系统的性能价格比高，实现简单，不受无 线管制，具有抗电磁干扰及便于高速应用，随着标准化工作的进行，该技术已成 为一种具有广泛前景的室内无线通信技术。 二 本论文的主要内容 本文为达到在若干移动设备或固定设备之间进行直接( 定向) 、同等的通信目 华中科技大学硕士学位论文 的，采用了发射型红外通信线路。它能很好的适用于新的或临时的工作小组( 团体、， 如旅行和现场会议时的合作，在家中或办公室建立局域网，在这些场合下，所有 的接点的位于同一房间内。为了实现碰撞避免，在开始传输前，收发机先收听共 同信道。若空闲，则建立链路：否则就无法建立链路，发生错误。 本论文共分六章： 第一章概述了国内外发展红外无线网络的概况，包括有各厂商硬件和软件产 品的开发情况：同时还介绍了无线局域网技术的基本原理； 第二章介绍了本系统中使用的关键技术，包括有i r d a 及其通信协议、异步通 信及r s 2 3 2 c 标准： 第三章给出了通信系统的总体设计方案： 第四章论述了红外无线收发器的硬件和软件设计，其中详细介绍了其中使用 到的两种集成元器件资料； 第五章论述了红外中枢机的硬件设计方案，包括有串口扩展及链路选通与关 闭的详细设计方案，最后介绍了实验结果： 第六章为全文的工作总结。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 第二章红外无线局域网中关键技术 2 1i r d a 及其通信协议倚介 红外数据协会( i r d a ) 是1 9 9 3 年6 月成立的一个独立组织，它为短距离红外无 线数据通信制定了一系列开放的标准。i r d a 的目标是制定能以合理且较小的代价 实现的标准和协议，以促进红外通信的发展。 i r d a 数据通信按发送速率分为三大类：s i r ，m i r 和f i r 。串行红外( s i r ) 速率覆盖了r s 一2 3 2 端口通常所支持的速率( 9 6 0 0 b s ，1 9 2 k b s ，3 8 4 k b s ，5 7 6 k b s ， 1 1 5 2 k b s ) 。m i r 指o 5 7 6 m b s 和1 1 5 2 m b s 的速率。高速的红外( f i r ) 通常用于 指4 m b s 的速率，有时也用于指高于s i r 的所有速率。 在i r d a 中，物理层、链路接入协议( 1 r l a p ) 和链路管理协议( i r l m p ) 是必 需的三个协议层。除此之外，还有一些适用于特殊的应用模式的可选层。 在基本的i r d a 应用模式中，设备分为主设备和从设备。主设备探测它的可视 范围，寻找从设备，然后从那些响应它的设备中选择一个，试图建立连接，在建 立连接的过程中，两个设备彼此协调，按照它们共同的最高通信能力确立最高的 通信速率。以上的“寻找”和“协调”过程都是在9 6 k b s 的波特率下进行的。 i r d a 数据通信工作在半双工模式，因为发射时，接收器会被自己的发射器的 光芒所屏蔽。通信的两个设备通过快速转向链路来模拟全双工通信，由主设备负 责控制链路的时序。 1 9 9 4 年6 月，i r d a 发布了串行红外( s i r ) 数据链路物理层协议，链路接入 协议( i r l a p ) ，链路管理协议( i r l m p ) ，其中i r l a p 和i r l m p 是用软件来实现的。 i r d a 是基于半双工方法传输的，到目前为止，其它的协议包括i r d ac o n t r o l ( 1 9 9 8 年) ，i r m c ( 1 9 9 7 年) ，i r t r a n p ( 红外图片传送) 等【l o j 。 i r d a 协议规范的物理层具备脉冲整形和编码解码功能，另外还包括红外发 光管和驱动电路、接收用的光电管和放大、检波电路等。i r d a 物理层1 0 版本基 于异步串行通讯接口，将从u a r t 接收到的数据进行编码，具体是将数据“0 ”变换 成3 1 6 位速率或1 6 1 - 1s 的窄脉冲，将数据“l ”变换成不发送脉冲。其差错控制 采用1 6 位的c r c 差错控制方式。该层的帧结构如2 1 1 图所示： 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 1i r d a 物理层的帧结构 其中s t a 为起始标志，有0 1 1 1 1 1 1 0 组成；a d d r 为8 位的地址场；d a t a 为2 0 4 8 字节的信息场：f c s 为1 6 位的c r c ；s t o 为结束标志，由0 1 1 1 1 1 1 0 组成。i r d a 物理层1 1 采用3 2 位的c r c 差错控制方式，其有关参数见表2 1 1 。 表2 - 1 1i r d a 的有关技术参数 版本号速率调制方式 i r d a l o 1 1 5 2 k b p s n r z i r d a l 1 1 1 5 2 m b p s r z i 4 m b p s 4 p p m i r l a p ( 红外链路接入协议) 的主要任务在并不十分可靠的红外信道上提供一种可 靠的数据传输机制，具体是在计算机以红外方式通信时实现寻址，地址冲突处理， 恢复机制，工作站的发现识别，连接建立，主站竞争，媒体接入控制等功能。在 面向连接的业务中，i r l a p 为所支持的数据链路提供了业务的服务质量( q o s ) ， 可选的数据块大小为6 4 2 0 4 8 字节；可选波特率为9 6 0 0 - - 4 m b p s ，等待时间的阈值 为3s ，最大探寻时间为5 0 0 m s 。i r l a p 定义了三种帧：( 1 ) 无编号帧：用于建立 和释放数据链路，报告过程错误，传送数据：( 2 ) 监督帧：用于链路管理、如应 答接收帧，传输站点状态，报告帧序列错误：( 3 ) 信息帧：用于传输信息。i r l a p 的工作过程包括：链路建立，终止，站点发现，地址冲突处理，建立连接，唤醒 ( s n i f f - o p e n ) ，信息交换，重置连接，终止连接等【l l 】。具体如图2 1 2 所示： 1 2 华中科技大学硕士学位论文 图2 1 - 2i r l a p 的工作过程 其中地址冲突处理、站点发现等为h l a p 提供的面向无连接的业务类型，其 它的则是面向连接的业务类型。 两个红外移动站点一旦通过k l a p 建立了链路连接，链路的使用和应用参数 的设定将由i r l m p ( 红外链路管理协议) 软件来管理。i r l m p 的外部业务有三种： 红外站点的发现，链路控制，数据传送。i r l m p 支持的设备数可达2 5 6 种，目前 以支持的类型为1 6 种( 如笔记本电脑，打印机，电话等) 。i r l m p 的工作过程包 括l s a p ( 链路业务接入点) 连接控制，站点控制，i r l a p 连接控制等。红外站点 间的通信出现碰撞的情况时，用超时重传方法来解决。 k l a n 是基于上述协议的高层协议，支持i r d a 与其它有线局域网的互连。基 于i r l a n 协议的移动站的工作方式有三种模式：接入点式；对等式；主机式。i r l a n 使用t i n y t p 协议来分割和组装分组并进行流量控制。支持i e e e8 0 2 3 ( e t h e m e t ) 时，t i n y t p 帧的大小为1 5 1 8 比特：而支持i e e e 8 0 2 5 ( t o k e n r i n g ) 时，t i n y t p 帧 大小为6 5 5 3 6 比特，其流量控制机制为发送确认方式。 i r t r a n p ( 红外图片传输) 是日本的n t t 、c a s i o 、s h a r p 、s o n y 等公司于 9 7 年1 0 月提出的基于i r d a 的规范。在i r d a 的协议栈中，i r t r a n p 放在i r s i r 、 i r l a p 、i r l m p 、t i n y t p 、i r c o m m 等规范之上a i r m c 是e r i c s s o n 、h e w l e t t p a c k a r d 、m a t s u s h i t a p a n a s o n i e 、m o t o r o l a 、n e c 、 n o k i a 、n t t 等公司于1 9 9 8 年1 月提出的支持移动通信的k d a 协议规范，它定义 了在无线通信设备( 如移动手机、寻呼机等) 上使用红外传输媒体的方法，以及 华中科技大学硕士学位论文 利用无线光接口进行语音通信和呼叫控制的规则。已有产品是n o k i a 的个人通信 器e o r r m l t m i c a t o r 9 0 0 0 可通过红外链路红外链路与p c 相连。另外n o “a8 1 1 0 型移 动电话可通过红外链路j l p 1 进行数据传输。 i r c o m m 是为与已有产口和并口兼容而定义，具体是在i r l m p h l a p 协议栈 上实现已有端口的仿真。该协议定义了红外数字信道与d c e 互连的i r t a ( 红外终 端适配器) 和以及由i r t a 和d c e 组成的i r g w ( 红外网关) 等。已有产品是红外 i s d n 电话。日本n t t 已开发出带红外通信接口的i s d