（电路与系统专业论文）基于红外传输技术的室内无线局域网方案设计.pdf

摘要 红外无线通信技术是一种低成本、短距离、高速率的无线接入和通信方式，使 用简单的收发器就能实现高效率的无线互联。i r d a 红外数据协会制定的i r d a 红外 通信协议已经成为全球数千万带有红外数据接口的设备互连的核心协议。 本文在深入研究了i r d a 、w i r 协议和以太网卡基本结构的基础上，提出种 构建室内星型红外无线局域网的技术方案；分析设计了红外无线互联的帧结构和链 路协议；使用f p g a 设计完成以太网卡与红外收发卡接口电路，完成p p m 红外编解 码器的传输控制和时序逻辑设计；在研究红外信道特性的基础上，给出了一种用于 提高红外无线互联网接入速率的h 唧( 1 ，1 3 ) 码的编解码方案。 关键词：赳上 a r m ( 1 ，1 3 ) i r d a 协议红外通信无线接入 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 sc o m m u n i c a t i o no f f e r su sa w i r e l e s sc o n n e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o nm o d e t h a ti sl o wc o s t ，s h o r t d i s t a n c ea n dh i g hs p e e d ，u s i n gas i m p l et r a n s c e i v e rc a nr e a l i z ew i r e l e s s i n t e r l i n k a g e i r d ai n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o nb r i n g sf o r w a r di r d ai n f r a r e d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt h a ti st h eb a s eo fal a r g en u m b e ro fe q u i p m e n t s i n t e r li n k a g ew i t h i n f r a r e dd a t ai n t e r f a c e t h ep a p e r ，b a s e do n t h es t u d yo fi r o a 、v f i rp r o t o c o l t e c h n o l o g y a n de t h e r n e tc a r dt e c h n o l o g y ，p r o p o s e sas c h e m ew h i c hc a nb u i l da s t r o i d i n f r a r e dw i r e l e s sl a n ( 1 0 c a la r e an e t w o r k ) i nt h er o o m i td e s i g n si n f r a r e d w i r e l e s si n t e r l i n k e dc o n f i g u r a t i o no fd a t af r a m ea n d1 i n kp r o t o c o l ，t h e i n t e r f a c ec i r c u i t so fe t h e r n e tc a r da n dt h ec a r do fr e c e i v i n ga n ds e n d n g i n f r a r e du s i n gf p g a o t h e r w i s e ，i th a sf i n i s h e dt r a n s f e r sc o n t r o lo f i n f r a r e de n c o d e ra n dd e s i g no fl o g i c a lt i m es e q u e n c e a tl a s t i tg i v e s o u tac o d i n ga n dd e c o d i n gs c h e m eo fh h h ( 1 ，1 3 ) c o d e ，w h i c hc a na d v a n c e t h ec o n n e c t i o ns p e e do fi n f r a r e dw i r e l e s si n t e r n e t k e yw o r d ：r l l m i h ( 1 ，1 3 ) i r d a p r o t c o l i rc o m m u n i c a t i o nw i r e l e s sa c c c s s 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题 再撰写的文章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：给淬 指导教师签名：霪髫髫 泓年6 月i o 日萨町年6 月，日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西北大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 给薛 j 年6 月1 0 日 西北大学硕士学位论文 第一章红外无线通信技术发展概况 1 1红外无线通信技术的应用背景 随着通信业务的发展，建立起了许多越来越复杂的通信网络。它们覆盖了社 会生活的方方面面。尤其是移动通信业务需求的不断增加，个人通信的兴起，无 线接入技术已得到广泛重视。无线连接是现今最流行的技术之一，只需要配套的 设备和相应的协议就可以实现连接。已有的无线通信传输媒介包括微波、红外、 无线电等技术。 采用双绞线、电缆线及光纤作为传输媒体的有线网络通信系统存在许多不 足，如布线繁锁，办公室电缆线泛滥，无法从移动体访问局域网等。而采用无线 通信方式的通信系统却能很好地克服这些缺点。便携式信息终端设备的出现，加 速了无线数字通信线路和局域网的研究和设计。无线通信网采用无线电或红外线 作为传输媒体，保持了有线网络高速率的特点，可以支持高速有线网络的所有业 务，无需布线即可灵活地组成可移动的局域网，并具有移动计算能力。所谓移动 计算即指网络中的站点可在网中漫游的同时与网络傈持通信。在无线通信中，无 线电和红外线是互相补充的两种传输媒质1 1 】。 无线局域网( w i r e l e s sl a n ) 为室内多机的无线互联提供了可能，它以足够 的带宽，成熟的技术，成为3 g 成熟之前无线通信技术研发和应用的热点瞄。红外无 线数字通信技术以红外线作为传输媒介，是无线局域网技术的一种，因为红外线本 身的物理性质决定了它无法穿越不透明的障碍物，只能实现视距传输，特别适用于 室内点对点l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 的实现。在文献m “脚中都提到了一种利用 红外的计算机点到点数据传输方案。但这种形式没有网络功能，不能多台计算机 进行网络互联。文献“”提出了通过计算机串口实现红外局域网的组网方案。在文 献中“”仅仅提出基于以太网的组网方案的设想。在本文中，完整的构建了一个基 于以太网的红外无线接入网络，并给出了其链路层和物理层的实现方法。 本章着重讨论室内红外无线数据通信技术的发展概况，并将红外无线数据通 信技术和基于无线电波的无线通信技术及蓝牙技术做了相应比较。 西北大学硕士学位论文 1 2 红外无线通信基本原理 1 2 i 红外无线通信协议 i r d a 即红外数据协会，全称t h e i n f r a r e d d a t aa s s o c i a t i o n ， 是由 h p 、c o m p a q 、i n t e l 等二十多家公司在1 9 9 3 年6 月发起成立的一个国际性组织。 专门制订和推进能共同使用的低成本红外数据互连标准，它支持点对点的工作模 式。i r d a 的宗旨是制订以合理的成本实现的标准和协议，以推动红外通信技术 的发展。1 9 9 4 年6 月，第一个i r d a 的红外数据通信标准发布，即i r d a i 0 。 i r d a i 0 简称为s i r ( s e r i a li n f r a r e d ) ，它是基于h p s i r 开发出来的一种 异步的、半双工的红外通信方式。s i r 以系统的异步通信收发器( u a r t ) 为依托， 通过对串行数据脉冲的波形压缩和对所接收的光信号电脉冲的波形扩展这一编 码解码过程( 3 1 6e n d e c ) 实现红外数据传输。由于受到u a r t 通信速率的限制。 s i r 的最高通信速率为1 1 5 2 k b p s 。 1 9 9 6 年发布的i r d a i 1 标准，即p a s ti n f r a r e d ，简称为f i r 。由于不再依 托u a r t ，其最高通信速率有了质的飞跃，可达到4 m b p s 的水平。f i r 采用了全新 的4 p p m 调制解调( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) ，即通过分析脉冲的相位来辨别 所传输的数据信息，其通信原理与s i r 是截然不同的。但由于f i r 在1 1 5 ，2 k b p s 以下的速率依旧采用s i r 的编码解码过程，所以它仍可以与支持s i r 的低速设备 进行通信，只有在通信对方均支持f i r 时，才将通信速率提升到更高水平，理论 速率可达4 m b p s 。 继f i r 之后，i r d a 又发布了通信速率高达1 6 m b p s 的v f i r 技术( v e r yf a s t i n f r a r e d ) ，并将它作为补充纳入i r d a i 1 标准之中。更高的通信速率使红外通 信在那些需要进行大数据量传输的设备上也可以占有一席之地，而不再仅仅是连 接线的替代物1 3 】。 目前计算机领域广泛采用i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 协议作为无线 传输标准。i r d a 标准包括三个基本的规范和协议：物理层规范( p h y s i c a ll a y e r l i n ks p e c i f i c a t i o n ) ，链路接入协议( l i n ka c c e s sp r o t o c o ：i r l a p ) 和链路管 西北大学硕士学位论文 理协议( l i n km a n a g e m e n tp r o t o c o l ：i r 嘣p ) 。物理层规范制定了红外通信硬件 设计上的目标和要求，i r l a p 和i r l m p 为两个软件层，负责对连接进行设置、管 理和维护。 红外数据通讯标准包括基本协议和特定应用领域的协议两类。类似于t c p i p 协议，它是一个层式结构，其结构形成一个栈。如图1 1 所示。 高层 信息访局域网访问协对象交换协议模拟串口层协议 闯服务议( i r l a n ) ( i r 0 8 e x )( i r c q 跚) 协议 流传输协议( t i n y t p ) ( i a s ) 链路管理协议( i r l m p ) 链路接入协议( i r l a p ) 物理层协议( i r p h y ) 图1 1i r d a 协议栈结构 其中基本的协议有三个： 1 、物理层协议( i r p h y ) ：制定了红外通信硬件设计上的目标和要求，包括 红外的光特性、数据编码、各种波特率下帧的格式等。为达到兼容，硬件平台以 及硬件接口设计必须符合红外协议制定的规范。工作在8 5 0 8 8 0 n m 的红外波段， 发射器信号强度为4 0 m w s r 5 0 0 m w s r ，有效范围为3 0 度锥角；它的红外发射 器、接收器与标准u a r t s ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r s ) 相连，信道误码率为l o e - 9 ，最大接入速率达到1 1 5 2 k b p s 。接收器可探测 4 5 0 0 u w c m 2 的光信号，有效范围为3 0 度锥角。 2 、链接建立协议( i r l a p ) ：制定了底层链接建立的过程规范，描述了建立 一个基本可靠链接的过程和要求。它与h d l c ( 半双工链路控制) 协议类似，提供3 种数据帧，u 帧( 用于建立或去除链接) ，i 信息帧，s 帧( 用于数据传输控制) 。 3 、链接管理协议( i r l m p ) ：制定了在单个i r l a p 链接的基础上复用多个服 务和应用的规范。用于维护打印、传真、调制解调功能，以及发现碰撞、链路管 理( 可多达1 2 7 个红外单元) 等。本次设计中已实现计算机点对点，半双工方式的 西北大学硕士学位论文 通信，可实现2 4 k b p s 11 5 2 k b p s 的多种速率。 在i r l m p 协议上层的协议都属于特定应用领域的规范和协议。 流传输协议( t i n g t p ) 在传输数据时进行流控制。制定把数据进行拆分、重 组、重传等的机制。 对象交换协议( i r o b e x ) 制定了文件和其他数据对象传输时的数据格式。 模拟串口层协议( i r c o m m ) 允许现有使用串口通信的应用，象使用串口那样 使用红外进行通信。 局域网访问协议( i r l a n ) 允许通过红外局域网络唤醒笔记本电脑等移动设 备，实现远程遥控等功能。 1 2 2 红外无线通信的特点 i r d a 是利用红外线进行点对点通信的技术，它在技术上的主要优点是州【5 l ： 无需专门申请特定频率的使用执照，这一点，在当前频率资源匮乏、频道使用费 用增加的背景下是非常重要的；它具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的 特点。 红外通信是利用红外辐射来传送编码信号的技术。红外通信亦称红外光通 信，它分为二类：一类是以光缆为介质的有线光通信，常称作红外有线通信或红 外光纤通信：另一类是以大气为介质的无线光通信，亦称红外大气光通信或红外 无线通信。本文讨论涉及的是第二类，即红外无线通信。 红外无线通信采用红外线作为通信载体，一般采用0 9um 波长左右的红外 线。调制方式一般采用a s k 、q p s k 、p p m 等，传输速率为2 4 b p s 1 6 m b p s 。由于 蓝牙、无线电均工作在全球开放的2 4 g h zi s m ( 即工业、科学、医学) 频段； 受干扰的可能性比较大，所以在调制方式的选择上必须具有强大的防干扰和纠错 能力，红外线透信在调制方式的选择方面享有充分的自由。 红外线在短距离、室内应用中有较大的优势。红外通信成本低、速度快，而 且它的带宽几乎不受限制。红外链路采用i m d d ( i n t e n s i t ym o d u l a t i o nw i t h d i r e c td e t e c t i o n ，即亮度调制直接探测) 信道，因为载波的波长短，而且探 西北大学硕士学位论文 测器面积相对较大，就能有效地避免多径衰减，所以应用红外链路组网相对简单 【6 】 o 红外线波长与可见光接近，它不能穿透不透明的障碍物，所以红外传输范围 被限制在同一个房间内，但这种局限性却使通信的安全性增强，也避免了不同房 间的交叉干扰要想在多个房间之间进行通信，就得通过有线途径增加红外接入 点( a c c e s sp o i n t ) 。 红外线易受环境噪声的影响，如太阳光，电灯等。红外探测器的信噪比正比 于接收光功率的平方，这就意味着i m d d 链路能承受的路径损耗很小，为了提高 信噪比，降低误码率，就必须增大发射功率。 1 2 3 红外无线通信与其它无线接入技术的比较 无线局域网的核心就是短距离的无线链接技术。目前，为大家所熟知的技术 有i r d a 、w l a n 和b l u e t o o t h 下面分别就这后两种技术的核心技术、应用范围和 市场前景做个简要的阐述并与i r d a 比较”m “。 一、蓝牙技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是由东芝、爱立信、i b m 、i n t e l 和诺基亚于1 9 9 8 年5 月共同提出的近距离无线数据通信技术标准。 就整体丽言，蓝牙技术就是一套完整的通信协议体系。具体而畜，蓝牙技术 产品是采用低能耗的无线电通信技术，即通过低带宽电波在1 0 米的半径范围实 现点对点或点对多点之间的无线数据、语音和视频的传输，其数据传输速率可达 1 m b p s 。以时分方式进行全双工通信，配置功率放大器可以使通信距离进一步增 加。通信介质为频率在2 4 0 2 g h z 到2 4 8 0 g h z 之间的电磁波。 作为低成本和短距离无线连接的解决方案，蓝牙技术可以消除不同数字装置 之间的界限。当两个装有蓝牙装置的相同和不同的数字设备相互距离在l o 米之 内并满足一定要求时，它们就能快速建立可靠的无线联接嘲。 l 、蓝牙通信技术的特点： 蓝牙工作在全球开放的2 4 g h zi s m ( 即工业、科学、医学) 频段；受干扰 西北大学硕士学位论文 的可能性比较大，所以。蓝牙”采用了强大的防干扰和纠错措施。 ( 1 ) 蓝牙产品采用了跳频技术，能够抗信号衰落。 使用跳频频谱扩展技术，把频带分成若干个跳频信道( h o pc h a n n e l ) ，在一 次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道“跳”到另一个信 道，抗信号衰落。 采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少同频干扰，提高通信的安全性。 “蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分组占用一个时隙， 也可以增至5 个时隙。 ( 2 ) 采用3 种方式的差错控制技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的 干扰。即：1 3 f e c ( f o r w a r de r r o r c o r r e c t i o n ，前向纠错) 、2 3f e c ( f o r w a r d e r r o rc o r r e c t i o n ) 及a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，自动重复请求) 。 ( 3 ) 采用f m 调制方式，使设备变得更为简单可靠。 ( 4 ) 蓝牙支持点到点和点到多点的连接，这样可以在一个小范围内( 1 0m ) 将采用蓝牙端口的设备连成一个微微网( p i c o n e t ) ( 每个微微网中可以包含8 个 设备) ，多个微微网又可以连成其他拓扑结构的网，从而实现各种设备之间的数 据传递和资料共享。 2 、蓝牙通信技术的用途 蓝牙技术是一种新兴的技术，主要面向网络中各类数据及语音设备，如p c 机、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话、家电设备等，使用无 线微波的方式将它们连成一个微微网，多个微微网之间也可以互连，从而方便快 速地实现各类设备之间的通信。 3 、蓝牙技术存在的问题 蓝牙的优点是显而易见的，但它也有许多地方有待完善。 ( 1 )安全漏洞 据r s a 安全公司称，蓝牙手机和手持机存在一些安全漏洞，使得黑客能够读 取用户的个人资料，甚至是使用用户的身份打电话。许多蓝牙装置在不要求口令 的情况下就允许其他装置访问自己，这使得它能够读取从它身边路过的人的个人 资料，甚至能够利用他们的手机打电话。 西北大学硕士学位论文 ( 2 )进展缓慢而且与其他无线技术互相重叠 蓝牙技术进展缓慢而且与其他无线技术互相重叠，例如8 0 2 ，1 1 bw l a n ( 无 线局域网协议) 。在实用化方面，8 0 2 “b 已超出蓝牙甚多，而且8 0 2 1 l b 可提 供l o 倍于蓝牙的数据率，并已开始用在了原本认为属于蓝牙范围的手机和其他 小型设备上。这两个技术同时也在争夺2 4 g h z 的频带空间。 ( 3 )目前蓝牙芯片价格较高 由于蓝牙技术的应用程度远远落后于无线局域网技术，而且蓝牙技术的优势 并不是绝对的，如蓝牙技术不支持漫游功能，虽然它可以在微网络或扩大网之间 切换，但每次切换都必须断开与当前网络的连接等。蓝牙技术究竟能否象蓝牙支 持者原先所设想的那样一统天下，从目前看来，还是有待于时间的考验。 二、w l a n 技术 w l a n 目前得到广泛应用的技术是8 0 2 1l 家族，它是i e e e 在1 9 9 7 年发表的 第一个无线局域网标准，而适用于无线局域网的i e e e8 0 2 1 l b 是1 9 9 9 年9 月被 批准，它也被称为w 卜f i ，详细规定了无线局域网的物理层和m a c 层的标准， 可支持11 m b p s 的共享接入速率。 与此相似的是i e e e8 0 2 1l a 技术，还没有被工业界广泛接受，它采用了5 g h z 的频段，其速率高达5 4 m b p s ，分频采用o f d m ( 正交频分复用) 技术，但无障碍 的接入距离降到3 0 5 0 米。 在i e e e 8 0 2 1 1 物理层标准中，除了使用2 4 g h z 频率的射频之外，还包括红 外媒介的有关标准。 虽然w l a n 正在向集成电话功能发展，但是其目前的结构中缺少支持像语音、 多媒体和内容这类更高水平应用所要求的必需架构，如适应服务质量、可伸缩性 和计费机制要求的架构。同时，w l a n 是一种共享频带的技术，在共享频带技术 中，可用的频带带宽被用户瓜分。换句话说，无线局域网可以提供1 1 m b p s 带宽 容量的事实并不意味着】0 个用户同时都使用1 m b p s 容量。w i f i 是以太网的 一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高 约1 1 m b s 的速度接入w e b 。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入， 带宽被多个用户分享，w i - f i 的连接速度一般将只有几百k b s 。w i f i 的信号 1 一 西北大学硕士学位论文 不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。 w l a n 未来最具潜力的应用将主要在s o h o ( s m a l lo f f i c eh o m eo f f i c e ，在家 办公) 、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户 主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。 三、i r d a 、w l a n 和b l u e t o o t h 的比较 三种技术现在已经相对都比较成熟，都有其立足的特点，或基于传输速度、 距离、耗电萋的特殊要求；或着眼于功能的扩充性；或符合某些单一应用的特别 要求：或建立竞争技术的差异化等，但是没有一种技术可以完美到足以满足所有 的需求。 i r d a 一般使用0 8 5 0 9 um 波长的红外线，目前规定速率是1 m b i t s 和 2 m b i t s 。调制方式采用4 或1 6 的脉冲位置调制( p p m ) 。由于是光通信，基本上 是不需要穿越墙壁的，同时传播距离也比使用电波的8 0 2 1 1 方式短得多，数据 传输速率较高，适合于传输容量较大的数据文件和多媒体数据流，而且红外线发 射角度较小，有一定的物理传输上的安全性，所以在通信距离比较短时，作为无 线连接用的i r d a 开始迅速普及。 由于蓝牙与8 0 2 1 1 b 都工作在2 4 g h z 频段上，相互之间存在干扰。 w l a n 无线局域网提供了大量的带宽，但是它覆盖区域有限( 室内最多1 0 0 米) 。它所支 持的应用经常通过象笔记本电脑这类便携式以数据为中心的设各访问，而非通过 以电话为中心的设备进行访问。 蓝牙网络只适于距离非常短的应用，很多情况下它们仅仅被用做线缆的替代 物。 语音和数据信号在许多重要的方面不同：语音信号可以错误但不能容忍时 延；数据信号能够允许时延但不能容忍错误。因此，为数据而优化的网络不适合 于传送语音信号。反之，为语音而优化的网络也不适于数据信号。w l a n 主要用 于支持数据信号。 对于一些企业来说，绕过主要的无线通信运营商可以节约可观的成本。目前 w 卜f i 基站和无线m o d e m 已经相对较为便宜，许多企业纷纷建立自己的无线局 域网，并和任何希望使用的人分享带宽。在需要个人特制网络、点到点交换的场 西北大学硕士学位论文 合，采用i r o a 技术是最合适的。如果需要低功率音频或全向连接 占优势；对于需要与网络长时间连接的情况，w i - f i 有优势【9 1 。 1 。3 红外无线通信存在的问题 i r d a 中，短距离通信和较窄的信号角度提供了简单的安全性，无需复 杂的设备搜索程序，但受红外线技术的限制，在同步时设备的位置固定，通信链 路上不能有任何障碍物。通信距离短，受视距影响。 i r d a 并不提供链路级的安全保证，它的安全保障来自两个方面：红外 线的短距离和小角度的传输特性，但是这种方式无法避免通过监测反射的红外线 和滤除环境噪声的窃听；i r d a 主要依赖于高层协议提供的认证和加密机制，来 保证通信的保密。 目前广泛使用的s i r 标准通信速率过低( 1 1 5 ，2 k b i t s ) 。 一红外通信技术的主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能单 一，不具备扩展能力。点对点的传输，难以灵活地组成网络。 1 4 本文所做的工作 本文的主要工作包括三个部分： 1 主要研究红外数据通信技术的基础理论和红外通信协议i r d a 、v f i r ，包 括红外光学链路数学模型的建立；各种红外编码技术的性能探讨、红外通信中的 抗干扰技术等。 2 在第一部分的理论分析的基础上，根据红外传输的特点。提出一种多个计 算机之间实现红外无线通信的组网方案，并给出了其链路层和物理层的实现方 法。 3 实现了红外传输用4 p p m 的调制解调电路的设计；给出了一种用于提高红外 无线互联网接入速率的h h h ( 1 ，1 3 ) 码的编解码实现方案，理论上通信速率最高可达 1 6 m b p s ，实际传输率可达2 m b p s 。 西北大学硕士学位论文 第二章室内红外无线局域网的构建 2 - 1红外无线局域网的拓扑结构 基于i r d a 的红外通信技术已经在便携式计算机、移动电话、p d a 、遥控装置 等领域得到了广泛的运用：在些不适宣布线或野外勘测、实验等要求流动网络 等场合下就特别需要能快速组建无线局域网【l 0 。 而红外通信因传输方式不受无线电干扰，使用频段不受限制等优点，在解决 短距离、低成本、高可靠的通信方式中有着特有的优势和长远的应用前景】。 有线局域网的拓扑结构有多种形式：总线型、环型、星型、树型和网状型。 如下图2 1 所示。 oo li 1 一i ooo 总线型 甲 o0o il 厂树型 ooooo 型 网状型 图2 1有线局域网络的拓扑结构 红外传输有自己的特点，由此组建的红外光无线局域网与一般有线网络不 同，有多种特有的网络拓扑形式。 点对点型该类型常用于固定的要联网的两个位置之间，是无线连网的常用 方式，使用这种联网方式建成的网络，优点是传输距离远，传输速率离，受外界 西北大学硕士学位论文 环境影响较小。目前红外在点对点传输领域的研究最为广泛和深入，在文献【2 1 【1 3 1 中都提到了一种利用红外的计算机点到点数据传输方案。但这种形式没有网络功 能，不能多台计算机进行网络互联。 点对多点型该类型常用于有一个中心点，多个远端点的情况下。其最大 优点是组建网络成本低、维护简单；其次，由于中心使用了全向天线，设备调试 相对容易。该种网络的缺点也是因为使用了全向天线，红外波束的全向扩散使得 功率大大衰减，网络传输速率低，对于较远距离的远端点，网络的可靠性不能得 到保证。此外，由于多个远端站共用一台设备，网络延迟增加，导致传输速率降 低，且中心设备损坏后，接个网络就会停止工作。 多点对点型该类型实际上是多个点对点的组合。在有一个中心点多个远 端点的网络中经常使用，每一个远端点在中心点都有各自对应的设备。这种方式 组成的网络由于每个点采用的都是点对点方式，所以，中心点的一台设备损坏后， 只会影晌相关的一个点，不会使整个网络受到影响。在组建一个较大的网络时， 如果每个点都使用点对点方式，增加了网络成本。此外，由于点对点方式在两个 方向上都使用了定向天线，在设备安装调试过程中会有一些困难。 本次设计组建的室内红外无线局域网系统，要求组建的整个系统有多台分 机，分机之间可互发文本消息，也可连接到互联网。考虑到网络建成后使用上的 稳定性以及可靠性，局域网采用多点对点方式组网。而有中心拓扑的网络结构， 最典型的就是星型网。红外局域网的模型如图2 2 所示。 艮弓溺 瞳莲盖置彗：j 、- f ，- 、 圈_ 一麓一圈 了- 习 邕 b 、凄一，i 图2 2 红外局域网拓扑结构模型 西北大学硕士学位论文 假设所有的红外通信终端都称为s t a t i o n ( 简称s t a ) ，一个s t a t i o n 可以是 任意手持式设备( 便携机、p d a 、手机、数码相机等) 或固定设备( 台式机、打印机) ； 将用于无线网络到有线网络互连的接入点称为a c c e s sp o i n t ( 简称a p ) 。 在此模式下，任何s t a 直接的通信都必须经过a p 的转发。红外接入点a p ，具 有无线端多路连接功能，由缓冲存储器、控制芯片和电子开关组成，主要是检测各 个s t a 发来的控制包和数据包，实现对某条链路的打开或关闭，以及转发分机发 往外部网络的数据包。 以a p 为基础组成的l a n ，不仅可以让装有定向l o s 型链路和漫射式链路都能实 现多点互连，而且a p 还可以成为无线l a n 到有线l a n ( e t h e r n e t 或t o k e nr i n g ) 的桥接器( b r i d g e ) 。在一个有多个红外设备需要互连的会议室中就可以用这样一个 a p 。所有的终端通过a p 接入到红岁 网络中。 制造a p 的最大问题是如何克服不同输入信号之间的同道干扰。既然这些输 入信号来自不同的方向，可以用多角度接收器来将它们区分开来。 系统的工作过程为：假设a 机想与b 机通信，则a 机先发送给 p 一个“请 求与b 通信”的控制字符，该字符可以任意设定，中枢机一直处于查询状态，不 断地在时隙中检测各个终端，只要它检测到该字符，则将与a 机相连的收发器和 与b 机相连的收发器相互连接，从而打开了a 和b 之间的通道，a 机发送的数据 将直接传送给b 机，同样b 机发送的数据也直接传送给a 机。当a 和b 通信完毕 后，a 或b 机则发送一个关闭链路a b 的控制字符，该字符也可以任意设定，中 枢机一旦检测到该字符，则断开a 和b 之间的连接，也就关闭了链路a b ，上述 的过程适用于其它任意两台p c 机之间链路的连接与关闭。 对于流向外部网的数据包，中枢机把数据转到接入外部网络的计算机上，把 内部网络传来的数据包转到外部网络，实现了内部网络与外部网络的数据交换。 终端采用t d m a 的接入方式，中枢机把时间分成若干时隙，每个时隙传输的 是所对应的那个终端的红外信号，系统上电以后，单片机不断查询时隙中的中断 信号，如有中断则读取相应终端口的f i f o 寄存器，根据获得的控制信息，对读 入的数据作相应处理。 西北大学硕士学位论文 2 2 室内红外无线局域网数据帧结构 随着i n t e r n e t 的快速发展，以太网被广泛使用。以太网( e t b e r n e t ) 是2 0 世 纪7 0 年代研制开发的一种基带局域网技术，是当今现有局域网最通用的通信协 议标准。该标准定义了在局域网( l a n ) 中采用的电缆类型和信号处理方法。 所谓接入网是指交换局到用户终端之间的所有机线设备( 接入网的物理位 置) 。其中主干系统为传统的电缆和光缆，一般长数公里；配线系统也可能是电缆 和光缆，其长度般为几百米；而引入线通常长几米到几十米。它可以被看作与 业务和应用无关的传送网，主要完成交叉连接、复用和传输功能，一般不含交换 功能。网络接入方式的结构，统称为网络的接入技术，其发生在连接网络与用户 的最后一段路程，网络的接入部分是目前最有希望大幅提高网络性能的环节。对 本地环路网来说这是一个瓶颈，全球拥有上亿条用户接入线，因其功能有限，阻 碍着网络用户业务的发展，而与用户线路另一端的高性能设备形成了鲜明的反 差。 接入技术可以分为有线接入技术和无线接入技术两大类。无线接入有红外、 蓝牙等方式。 以太网完整的一帧数据最长为1 5 2 6b y t e s ，而红外物理层的帧主体的最大 容量可达到2 0 5 0b y t e s ，因而可以实现e t h e r n e to v e ri r 的帧格式。以太网的 帧格式特别适合于传输i p 数据包。因此采用与i p 数据包结构近似的以太网帧结 构，可以与局域网、广域网等各网之间实现无缝连接，中间不需要任何格式转换， 可以提高运行效率，方便管理，降低成本。 以太网中数据包的帧格式如下图2 3 所示； 8 b y t e6 b y t e6 b y t e 2 b y t e4 6 1 5 0 0 b y t e4 b y t e 图2 3f r a m e o f e t h e r n e t 为了实现以太网帧格式在红外物理层的运行，将红步 无线传输的帧主体装载 上以太网的一帧数据。红外点对点的帧格式如图2 4 ： 西北大学硕士学位论文 6 4 c e l l 8 c e l l 4 b y t e 8 c e l l 图2 4f r a m eo fi r d a 红外无线帧格式先导符p a ( p r e a m b l e ) 包含下列数据流从左到右反复1 6 次 传输，即p a = “l o o o0 0 0 01 0 1 01 0 0 0 ”1 6 ，左边的“1 0 0 0 ”首先被物理层 发送和接收，右边的“1 0 0 0 ”最后被物理层发送和接收。起始符s t a ( s t a r t ) 定义为数据流8 个c e l l 单元从左到右的次传输，即s t a ；“0 0 0 01 1 0 00 0 0 0 1 1 0 00 1 1 00 0 0 00 1 1 00 0 0 0 ”。终止符s t o ( s t o p ) 定义为数据流8 个c e l l 单 元从左到右的一次传输，即s t o = “0 0 0 01 1 0 00 0 0 01 1 0 00 0 0 00 1 1 00 0 0 00 1 1 0 ”。 帧校验序列是一个3 2 位的字段包含一个循环冗余检查( c r c ) 值。 在本论文中将e t h e r n e t 帧数据包承载在p a y l o a d 域中，红外无线局域网的 数据帧结构为( 如图2 5 ) ： 6 4 c e l l8 c e l l 4 8 2 b y t e 1 5 2 6 b y t e4 b y t e 8 c e l l 图2 5f r a m eo fe t h e r n e to v e ri r 其中扩展域( e x ) 设计为： le y t e2 b y t e 2 b y t e2 b y t e 图2 6e xo fe t h e r n e to v e ri rf r a m e c c 域表示帧类型：0 为数据承载帧；非0 为控制命令帧，列举如下 西北大学硕士学位论文 1 ：请求发送命令，由s t a 发送给a p ； 2 ：可以发送命令，a p 响应请求的s t a 可以给目的发送数据，目的状态为闲；a p 将源和目的的状态字置为1 ( 忙) 。 3 ：禁止发送命令，a p 响应请求的s t a 禁止给目的发送数据，目的状态为忙； 4 ：数据发送完毕命令，源s t a 数据发送结束。a p 将源和目的的状态字置为o ( 闲) 。 图2 7数据帧结构示例 如上图中s t a - - c 要给s t a - - b 发送数据： 扩展位格式( 请求命令：c 向a p 发) i b y t e 2 b y t e2 b y t e2 b y t e 图2 8请求命令 扩展位格式( 回应命令：a p 向c 回应) i b y t e2 b y t e 2 b y t e2 b y t e 图2 9回应命令 c c 位为2 表示响应请求可以发送，如果为3 表示目标正忙 西北大学硕士学位论文 扩展位格式( 数据承载：c 向b 发送数据) i b y t e2 b y t e 2 b y t e 2 b y t e 图2 i 0数据承载 c c 位为0 ，a p 将c 和b 的状态置为1 ( 忙) 扩展位格式( 拆除命令：c 向a p 请求) i b y t e 2 b y t e 2 b y t e2 b y t e 图2 i i拆除命令 c c 位为4 表示请求拆除链路命令，a p 将c 及b 的状态置为0 ( 闲) 2 3 室内红外局域网的通信过程 2 3 1 红外数据的封装 假设a 机红外适首己器从计算机得到一个以太网数据帧，读取以太网数据帧中 的目的m a c 地址，将目的红外地址、源红外地址并将c c 置为1 ( 请求发送命令) 填入e x 中的响应部分。 a p 收到此控制帧查询目的的状态( 忙或闲) 。 当目的状态为闲时，a p 回执给a 一个“可以发送”的控制帧，a 将目的红外 地址、源红外地址以及以太网数据帧长度封装进相应的红外数据帧中的e x 部分， 将以太网数据帧封装进红外数据帧的f r a m eo fe t h e r n e t 部分，a p 收到此帧后 将源及目的状态置为忙。 a 发送完数据后向a p 发送“数据发送完毕，请求链路拆除”的控制帧， a p 收到此帧后将a 及目的状态置为闲。 2 3 2 数据的拆封 假设a 机红外适配器从红外接口收到一个红外数据帧，读取红外数据帧中的 西北大学硕士学位论文 c c ，如果不为0 ，作响应的命令处理，如果为0 ，读取e x 部分的l e n g t h s 数据， 从红外数据帧中的f r a m eo fe t h e r n e t 部分读取相应长度字节的数据发给计算 机。 通过数据的封装和拆封过程实现了e t h e r n e to v e ri r 的数据通信。 2 3 3 冲突检测机制 从上两节中通过数据的封装和拆封过程，a p 工作中间有对s t a 状态的置位。 当s t a 请求发送数据时，如果目的s t a 的状态为忙时存在冲突问题。 1 、冲突检测由a p 检测忙闲状态 2 、冲突处理a p 响应源目的的状态为忙时，源s t a 间隔一个时间 段重新发送请求。 2 4 室内红外无线局域网的构建 红外通信技术采用红外线作通信载波，由红外发射器、红外接收器来完成信 号的无线收发。在发送端，对待发送的数字信号经适当的编码后，送入电光交换 电路，驱动红外发光二极管，向空间发射红外光脉冲；在接收端，红外接收器从 空间接收红外光信号并进行光电变换，并进行均衡、判决、解码等，恢复出原始 信号。红外通信的原理框图如2 1 2 所示。 2 4 1 红外链路设计 图2 1 2红外通信原理示意图 由于光是直线传播，并且不能穿过不透明的障碍物，它传播的路径对通信的 效果和系统的设计影响很大，因此首先讨论光传播链路。从发送到接收的链路可 西托大学硕士学证论交 以根据不同的划分标准分类。 根据光发送器和光接收器是否在红外光的视场内可分为定向( d i r e c t e d ) 、 非定向( n o n d i r e c t e d ) 和混合( h y b r i d ) 链路：根据光检测器接收的是直射光 还是反射光可分为视距内( l i n e - o f s i g h t ) 和非视距内( n o n l i n e o f s i g h t ) 链路。如图2 1 3 所示。 图2 1 3室内无线红外光通信的链路模型 定向链路使用定向的光发送器和接收器，在形成光通路之前必须进行对准。 这样的链路可以最有效地利用发送光功率、减小路径损耗和背景光噪声的干扰。 非定向链路使用发射角度和接收角度较大的光发送器和接收器，它无需对 准，从应用上来说，这样的链路更符合实际需要，特别是些通信终端需要经常 移动的地方。此外。根据需要还可以设计混合链路。 另一种分类将链路分为视距内( l o s ) 和非视距内( n o n l o s ) 链路。视距内链路 可以更好地利用发送光功率，而且与非视距内链路相比不会产生因为多径传播导 致的信号失真。非视距内链路是最完备的链路，即使在有人体或其他物体挡住部 分光路的情况下，仍然可以不中断通信。 目前为止，大多数的红外链路采用定向l o s 或者半定向l o s 的设计方法。这 类方案路径损耗低，用功率较低的发射器和简单、廉价的红外接收器就可以实现。 般来说，该链路的发射器采用普通l e d ，它的平均发射功率是几十毫瓦。在半 西北大学硕士学位论文 定向l o s 的设计中，光电二极管一般被封装在半圆形的塑料透镜中，透镜具有相 应的视场值f o v ( f i e l do fv i e w ) ，用于聚集视场中的光信号，所以可称其为光 集中器。定向式l o s 或者半定向式l o s 链路都同时最大的减少了多路