短距离无线通信技术.ppt

短距离无线通信技术 第1章概述林虹 1 短距离无线通信基本概念2 各种短距离无线通信技术的发展 应用及特点3 短距离无线通信技术的研究开发 1 短距离无线通信基本概念 有线通信数据传输的介质 双绞线 同轴电缆 光纤 或是别的有线介质 无线通信数据传输的介质 红外线 无线电微波 或是其它无线介质 信号在空气中传播 可以被任何人接收 无线数据网的种类无线广域网 WWAN 无线城域网 WMAN 无线局域网 WLAN 无线个人网 WPAN 无线体域网 WBAN IEEE 美国电气电子工程师学会 什么是短距离无线通信 短距离无线通信的主要特点为通信距离短 覆盖距离一般在几十m或100m 200m 之内 无线发射器的发射功率较低 发射功率一般小于100mW 自由地连接各种个人便携式电子设备 计算机外部设备和各种家用电气设备 实现信息共享和多业务的无线传输 各种短距离无线通信技术 Bluetooth 蓝牙 技术WLAN 无线局域网 技术IEEE802 11系列HiperLAN系列IrDA 红外数据协会 技术UWB 超宽带 技术Zigbee 紫蜂 技术Adhoc 自组织网络 技术RFID 射频识别 技术HomeRF技术NFC 短距通信 技术无线1394 2 各种短距离无线通信技术的发展 应用及特点 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范 其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的短距离无线接口 蓝牙技术的发展蓝牙技术诞生于1994年 Ericsson当时决定开发一种低功耗 低成本的无线接口 以建立手机及其附件间的通信 1998年5月 爱立信联合诺基亚 Nokia 英特尔 Intel IBM和东芝 Toshiba 成立了 蓝牙特殊利益集团 SIG 并提出了近距离无线数据通信技术标准 1999年7月蓝牙SIG正式公布蓝牙1 0版本规范 将蓝牙的发展推进到实用化阶段 2 1Bluetooth 蓝牙 技术 2001年3月 蓝牙1 1版本正式发布 蓝牙规范1 0版本主要针对点对点的无线连接 比如手机与计算机 计算机与外设 手机与耳机等的无线应用 蓝牙1 1版本将点对点扩展为点对多点 并修整了前一版本的错误与模糊概念 2003年11月 蓝牙SIG公布了蓝牙1 2版本规范 实现设备识别高速化的基础上 减少了与无线局域网 WLAN 的无线电波干扰 2004年11月 蓝牙2 0标准 2 0 EDR 正式推出 使蓝牙的应用扩展到多媒体设备中 新标准具有更高的数据传输速率和带宽 2 10Mbps 且在大量数据传输时功耗降低为原标准的一半 各版本的蓝牙技术标准可从蓝牙国际组织的官方网站 http www bluetooth org 免费下载 蓝牙的技术特点蓝牙工作在全球开放的2 4GHzISM频段 频率范围为2 4 2 4835GHz 使用跳频频谱扩展和时分多址技术 把频带分成若干个跳频信道 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 79个信道 1600跳 s 一台蓝牙设备可同时与其他7台蓝牙设备建立连接 数据传输速率可达1Mb s FECARQ低功耗 通信安全性好 四种工作模式 激活 Active 模式 呼吸 Sniff 模式 保持 Hold 模式和休眠 Park 模式 在链路层中 蓝牙系统使用认证 加密和密钥管理等功能进行安全控制 在应用层中 用户可以使用个人标识码 PIN 来进行单双向认证 在有效范围内可越过障碍物进行连接 没有特别的通信视角和方向要求 组网简单方便 采用 即插即用 的概念 嵌入蓝牙技术的设备一旦搜索到另一蓝牙设备 马上就可以建立连接 传输数据 蓝牙技术具有电路交换和分组交换两种数据传输类型 能够同时支持语音业务和数据业务的传输 蓝牙规范蓝牙规范目前已发展到4 0版本 各版本的规范都是分为核心系统 Core 和应用模型 Profile 两部分 其中核心部分包括射频 RF 链路控制 LC 链路管理 LMP 逻辑链路控制与适应 L2CAP 四个最底层协议以及通用的业务搜寻协议 SDP 和通用接入模型 GAP 而应用模型则是根据具体产品的不同需要而提出的各种协议组合 如串口 SerialPortProfile 传真 FAX 拨号网络 Dial upNetworking 等 WLAN是一种借助无线技术取代以往有线信道方式构成计算机局域网的手段 以解决有线方式不易实现的计算机的可移动性 使其应用更加不受空间限制 技术标准包括IEEE802 11系列和欧洲的HiperLAN系列 IEEE802 11系列IEEE的802 11标准由很多子集构成 它详细定义了WLAN中从物理层到MAC层 媒体访问控制 的通信协议 HiperLAN系列欧洲电信标准化协会 ETSI 推出HiperLAN1和HiperLAN2的接入泛欧标准 在2000年 HIPERLAN2标准制定完成 标准采用预留TDMA多址方式 动态TDD双工方式 OFDM调制 最高数据速率能达到54Mbit s 标准详细定义了WLAN的检测功能和转换信令 用以支持许多无线网络 支持动态频率选择 无线信元转换 链路自适应 多束天线和功率控制等 并且强调与3G整合 2 2WLAN 无线局域网 技术 IEEE802 11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层 其物理层标准主要有IEEE802 11b WiFi IEEE802 11a和IEEE802 11g Wi Fi最具潜力的应用主要是在SOHO 家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所 凭借这些优点 Wi Fi已成为目前最为流行的笔记本电脑无线上网技术 IEEE在2009年9月11日批准了802 11n高速无线局域网标准 IEEE802 11n使用2 4GHz频段和5GHz频段 传输速度300Mbps 最高可达600Mbps 可向下兼容802 11b 802 11g WLAN802 11系列标准 在MAC 媒体接入控制 层 802 11 802 11b 802 11a 802 11g这四种标准均采用的是CSMA CA 载波侦听多点接入 冲突避免 2 3IrDA 红外数据协会 技术 红外线数据协会 InfraredDataAssociation IrDA 成立于1993年 是致力于建立红外线无线连接的非营利组织 起初 采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115 2kb s的速率传输数据 很快发展到4Mb s的速率 4PPM 后来 速率又达到16Mb s IrDA技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术 目前它的软硬件技术都很成熟 在小型移动设备 如PDA 手机 上广泛使用 事实上 当今每一个出厂的PDA及许多手机 笔记本电脑 打印机等产品都支持IrDA技术 IrDA的主要优点是无须申请频率的使用权 因而红外通信成本低廉 它还具有移动通信所需的体积小 功耗低 连接方便 简单易用的特点 由于数据传输率较高 因而适于传输大容量的文件和多媒体数据 此外 红外线发射角度较小 传输安全性高 IrDA的不足在于它是一种视距传输 2个相互通信的设备之间必须对准 中间不能被其他物体阻隔 因而该技术只能用于2台 非多台 设备之间的连接 IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率 2 4UWB 超宽带 技术 超宽带 Ultra Wideband 的定义 UWB信号的带宽应大于等于500MHz 或其相对带宽大于0 2 UWB无线通信的实际使用频谱范围为3 1 10 6GHz 其有效各向同性辐射功率 EIRP 不超过 41 3dBm MHz 超宽带的特点 共享宽带频谱资源 系统容量大 传输速率高 低功耗 低截获概率 低成本 良好的多径分辨率 定位精度高 UWB的两个突破 在频谱划分方面 开创 共存 局面在传输速度方面 真正走向了高速 超宽带的应用 高速无线通信雷达探测成像定位跟踪 超宽带的技术发展动态 脉冲 IR UWB 载波UWBDS CDMA MB OFDM 高速UWB最终标准IEEE802 15 3a至今仍未确定 但形成了WiMedia联盟 低速UWB的标准IEEE802 15 4a最终采用了IRUWB技术 用于短距离无线工业自动控制网 IEEE802 15 4a的另外一个可选技术为工作在2 4GHz的CSS技术 IEEE802 15WorkingGroupforWPANhttp www ieee802 org 15 2 5Zigbee 紫蜂 技术 ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式 蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置 距离和方向等信息 ZigBee技术是一种近距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本的双向无线通信技术 主要适合于自动控制和远程控制领域 可以嵌入各种设备中 同时支持地理定位功能 ZigBee联盟成立于2001年9月 拥有150个成员 包括飞思卡尔 菲利普 三菱 三星 IBM及华为等 宗旨是在一个开放式全球标准的基础上使稳定的 低成本的 低功耗的 无线联网的监控和控制产品成为可能 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6 24个月 甚至更长 这是Zigbee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4KB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20 250kbps的较低速率 分别提供250kbps 2 4GHz 40kbps 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10 100m之间 在增加RF发射功率后 亦可增加到1 3km 这指的是相邻节点间的距离 如果通过路由和节点间通信的接力 传输距离将可以更远 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3 10s 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254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 4GHz 全球 915MHz 美国 和868MHz 欧洲 真正的ZigBee 由ZigBeeAlliance所主导的标准 定义了网络层 NetworkLayer 安全层 SecurityLayer 应用层 ApplicationLayer 以及各种应用产品的资料 Profile 而由IEEE所制订的802 15 4标准 则是定义了物理层 PHYLayer 及媒体存取层 MACLayer 物理层 PHY 采用直接序列展频 DSSS 技术 在媒体存取控制 MAC 层方面 主要是沿用WLAN中802 11系列标准的CSMA CA方式 低速无线设备 工业 农业和商业 消费电子 个人健康监护 玩具和游戏 家庭自动化 PC机的外围设备 ZigBee适应的应用场合 2 6Adhoc 自组织网络 技术 蜂窝移动通信网络和无线局域 移动IP协议都属于现有网络基础设施范畴 它们需要类似基站 访问服务点或外地代理这样的中心控制设备 但是 在很多特殊环境 如动态环境下 和应急情况下 没有可用的网络基础设施如何通信 这就要求能够动态的 可以快速部署的 不依赖或者很少依赖现有的有线网络 也就是无线自组织网络 也称Adhoc网络 无线自组织网络 AdhocNetwork 是由一组带有无线通信收发装置的移动终端节点组成的一个多跳临时性无中心网络 可以在任何时刻 任何地点快速构建起一个移动通信网络 并且不需要现有信息基础网络设施的支持 网络中的每个终端可以自由移动 地位相等 而且具有分组转发能力 也称为多跳无线网 Multi hopWirelessNetwork Adhoc网络的前身是分组无线网PRNET PacketRadioNetwork 早在1972年 美国国防部高级研究规划署 DARPA 就启动了分组无线网项目PRNET 研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信 在此之后 DARPA又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN SurvivableAdaptiveNetwork 和全球移动信息系统GloMo GlobalInformationSystem 项目的研究 研究如何将PRNET的研究成果加以扩展 以支持更大规模的网络 由于无线通信和终端技术的不断发展 AdHoc网络在民用环境下也得到了发展 如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时 可以很方便地通过搭建AdHoc网络实现 紧急和突发场合 偏远野外地区 临时场合 个人通信 AdHoc网络的特点网络的独立性AdHoc网络相对常规通信网络而言 最大的区别就是可以在任何时刻 任何地点不需要硬件基础网络设施的支持 快速构建起一个移动通信网络 它的建立不依赖于现有的网络通信设施 具有一定的独立性 AdHoc网络的这种特点很适合灾难救助 偏远地区通信等应用 动态变化的网络拓扑结构在AdHoc网络中 移动主机可以在网中随意移动 主机的移动会导致主机之间的链路增加或消失 主机之间的关系不断发生变化 在自组网中 主机可能同时还是路由器 因此 移动会使网络拓扑结构不断发生变化 而且变化的方式和速度都是不可预测的 对于常规网络而言 网络拓扑结构则相对较为稳定 有限的无线通信带宽在AdHoc网络中没有有线基础设施的支持 因此 主机之间的通信均通过无线传输来完成 由于无线信道本身的物理特性 它提供的网络带宽相对有线信道要低得多 除此以外 考虑到竞争共享无线信道产生的碰撞 信号衰减 噪音干扰等多种因素 移动终端可得到的实际带宽远远小于理论中的最大带宽值 有限的主机能源在AdHoc网络中 主机均是一些移动设备 如PDA 便携计算机或掌上电脑 由于主机可能处在不停的移动状态下 主机的能源主要由电池提供 因此AdHoc网络有能源有限的特点 网络的分布式特性在AdHoc网络中没有中心控制节点 主机通过分布式协议互联 一旦网络的某个或某些节点发生故障 其余的节点仍然能够正常工作 生存周期短AdHoc网络主要用于临时的通信需求 相对与有线网络 它的生存时间一般比较短 有限的物理安全移动网络通常比固定网络更容易受到物理安全攻击 易于遭受窃听 欺骗和拒绝服务等攻击 现有的链路安全技术有些已应用于无线网络中来减小安全攻击 不过AdHoc网络的分布式特性相对于集中式的网络具有一定的抗毁性 对于Adhoc网络来说 信道接入的控制必须是分布式的 每个移动节点必须知道自己的周围环境中发生了什么 而且需要和其他节点合作 实现网络业务传输 因为Adhoc网中的节点常常是移动的 所以MAC协议的复杂性较高 由于这种分布式的特性 移动Adhoc网的信道接入需要在竞争节点之间协调 因此 需要采用某些分布式协商机制来得到高效率的MAC协议 其中 协商中需要的时间和带宽等信道资源是影响网络性能的重要因素 无线传感器网络 WSN 随机分布的集成有传感器 数据处理单元和通信模块的微小节点通过自组织的方式构成网络 借助于节点中内置的形式多样的传感器测量所在周边环境中的热 红外 声纳 雷达和地震波信号 从而探测包括温度 湿度 噪声 光强度 压力 土壤成分 移动物体的大小 速度和方向等众多我们感兴趣的物质现象 在无线传感器网络中 除了少