无线网络技术导论-4.ppt

第4章无线个域网 昆明理工大学彭艺 内容提要 4 1WPN概述4 2IEEE802 15标准4 3蓝牙技术简介4 4IrDA技术简介4 5HomeRF技术简介4 6WUSB4 7UWB技术简介4 8ZigBee 4 1概述 无线个人区域网 WirelessPersonalAreaNetwork WPAN 简称无线个域网 技术就是一种小范围内无线连接 微小网 自主组网的通信技术 WPAN可实现不同功能单一设备的互联 提供小范围内设备的自组网机制 并通过一定的安全接口完成自组小网与广域大网的互通 无线个域网技术 蓝牙 BlueTooth IrDAHomeRFWUSBUWBZigbee PAN的实现技术 蓝牙 Bluetooth 技术是一种支持点到点 点到多点的话音 数据业务的短距离无线通信技术 它由爱立信 诺基亚 英特尔 IBM和东芝等公司提出与推广 从1998年以来 推出了1 0A 1 0B标准并将推出2 0标准 它极大地推动了PAN技术的发展 IEEE专门成立了IEEE802 15小组负责研究基于蓝牙的PAN技术 IrDA技术是目前四种技术中市场份额最大的 已经安装了至少5000万个单元 它采用红外线作为通信媒介 支持各种速率的点到点的话音和数据业务 主要应用在嵌入式的系统和设备中 HomeRF是由微软 英特尔 惠普 摩托罗拉和康柏等公司开发的 它的工作频段为2 4GHz 话音通信采用DECT标准 数据通信采用TCP IP UWB是一种新技术 其概念类似于雷达 在很宽的频段内传送短脉冲 将信息调制到脉冲的时间和频率上 UWB的高性能和低功耗的优点使得它将成为未来市场上强有力的竞争者之一 4 2WPAN的标准 IEEE802 15 IEEE802 15工作组是IEEE针对无线个人区域网 WPAN 而成立的 开发有关短距离范围的WPAN标准 4 2 1标准构成 802 15 1是以既有蓝牙标准为基础 制定蓝牙无线通信规范的一个正式标准 802 15 2工作组目的是要802 11和802 15开发共存的推荐规范 802 15 3工作组的兴趣在开发对比于802 11设备是低成本和低功耗的设备的标准上 802 15 3a的目标是要在使用同样的MAC层上提供比802 15 3更高的数据率802 15 4工作组则开发了一个非常低成本 非常低功耗的比802 15 1数据率要低的设备标准 IEEE802 15协议体系结构 WLAN与WPAN 无线个域网技术 蓝牙 BlueTooth IrDAHomeRFUWBWUSBZigbee 4 3蓝牙技术简介 4 3 1蓝牙技术的诞生与发展 为什么叫蓝牙 蓝牙标准 是IEEE802 15 1的基础 源于1994年爱立信公司的一项研究 旨在在移动电话及其附件之间探求一种新的低功耗 低成本的空中接口 1998年5月 4家公司联合成立蓝牙特殊利益集团 SIG 1999年7月SIG公布了蓝牙规范1 0版1999年12月公布了蓝牙规范1 0b版2001年4月公布了1 1版2003年11月公布了1 2版本2004年8月公布了2 0版本 基本概念 蓝牙的应用 连接计算机和其它设备 支持自组织 充当Internet的访问点 构建家居网络环境 运动中的连接 计算机产品中的蓝牙 电话和消费类中的蓝牙 蓝牙技术优点 1 可以随时随地地用无线接口代替有线电缆连接 2 具有很强的移植性 可应用于多种通信场合 如WAP GSM 全球移动通信系统 DECT 欧规数字无绳通信 等 引入身份识别后可以灵活地实现漫游 3 低功耗 对人体伤害小 优点 续 4 蓝牙集成电路简单 成本低廉 实现容易 易于推广 5 支持语音和数据传输 采用无线电技术 传输范围大 可穿透不同物质以及在物质间扩散 6 采用跳频展频技术 抗干扰性强 不易窃听 使用在各国都不受限制的频谱 理论上说 不存在干扰问题 蓝牙技术缺点 蓝牙是一种支持设备短距离通信 一般是10m之内 的无线电技术 能在包括移动电话 PDA 无线耳机 笔记本电脑 相关外设等众多设备之间进行无线信息交换 蓝牙的标准是IEEE802 15 1 工作在2 4GHz频带 带宽为1Mb s 蓝牙技术的劣势 传输速度慢 蓝牙系统 蓝牙传输特性 蓝牙拓扑结构 一个主单元和一个或多个从单元组成自组网 微微网 piconet 多个微微网结合形成了散射网 scatternet 蓝牙网络结构 拓扑结构 续 蓝牙的Piconet 微微网构成 蓝牙支持点对点 点对多点通信 基本网络结构是匹克网 微微网 是一种个人网络以个人区域 办公室 为应用环境 匹克网由主设备和从设备构成 主设备负责提供时钟同步信号和跳频系列 而从设备一般是受控同步的设备 并接收主设备的控制 一个微微网只有一个主设备 而最多只可以有7个从单元 Bluetooth的scatternet 蓝牙工作原理 蓝牙使用国际上无需授权的2 4Ghz的ISM频段 蓝牙设备之间可互相探查 进行连接形成Ad hoc自组网 而不需人为设置 每个设备都是对等的 具有相同的硬件和软件配置 并以48位的设备地址BD ADDR来区别 主单元发起并控制连接 从单元被暂时分配一个3位的活跃成员地址AM ADDR以减少通信过程中的信息流量 为了避免ISM频带的干扰 蓝牙采用了多种技术自动重传应答 ARQ 循环冗余校验 CRC 前向纠错 FEC 时分双工和分组交换技术 跳频技术 蓝牙工作原理 相关技术 蓝牙网络通信过程 蓝牙设备没有建立连接的时 处于睡眠状态 待机模式 Standby 这种模式下 它将每1 28s或2 56s醒过来一次 选择一个信道侦听发送给它的信息 由一个设备发起连接 这个设备以后就成为微微网的主单元 发起连接时 主单元可能并不知道其余设备的存在以及它们的地址 这时主单元需要先执行查询 Inquiry 操作 有了其它各设备的地址 就可进行寻呼 Page 真正建立起连接 蓝牙网络通信过程 连接完成后 就可通信进行数据传输 通信时 主单元和从单元交替进行收和发 主单元根据从单元的数据流量来决定从单元何时收发 如果从单元暂时不需收发数据 它就切换入保持模式 Hold 直到主单元下次发信息给它 在这期间主单元定期给它发送信息以使得从单元对跳频信道同步 其余时间它不需要侦听信道 数据传输完成后 可使用断连 Detach 命令来结束连接 这样 单元又回到待机模式 蓝牙连接状态转移图 蓝牙设备连接状态下的三种低能耗模式 嗅探 Sniff 模式该模式下从单元收发信息的周期变长 主单元只在指定的时隙才能发送信息 保持 Hold 模式该模式下从单元只有内部时钟在运行 但一旦切换出该模式 从单元能立即开始收发信息 处于该模式时 从单元可以参加别的微微网 所以可用来连接几个微微网 停靠 Park 模式当从单元不参与通信 但仍想保持和跳频信道的同步时 就进入该模式 常见的蓝牙设备 4 3 3蓝牙标准文档构成 核心规范 corespecifications 描述了从无线电接口到链路控制的不同层次蓝牙协议体系结构的细节 概要规范 profilespecifications 考虑使用蓝牙技术支持不同的应用 每个概要规范讨论在核心规范中定义的技术 以实现特定的应用模型 UsageModel 4 3 4蓝牙协议体系结构 蓝牙的无线电层 蓝牙采用跳频技术 蓝牙的基带 M设备和S设备间的链路 链路 续 全双工和半双工通信 链路管理规范 蓝牙的信道控制 微网的建立 inquiry模式 微网的建立 page模式 蓝牙的节能模式 蓝牙设备的基带状态 状态转换图 蓝牙的L2CAP层 L2CAP信道 三种类型的逻辑信道 1 无连接 connectionless 支持无连接服务 每个信道是单向的 该信道类型一般用于主站向多个从站广播 2 面向连接 connection oriented 支持面向连接的服务 每个信道是双向的 全双工 每个方向中定义一个服务质量 qualityofservice QoS 的流规范 3 信令 signaling 提供L2CAP实体问信令报文的交换 实例 L2CAP分组 信令命令 服务质量 L2CAP中的QoS参数定义一个基于RFC1363的通信流规范 一个流规范是一套参数 指出发送站点试图达到的性能级别 当被包含在配置请求中时 此选项描述了从发送请求设备发往接收请求设备的通信流 当被包含在正配置响应中时 此选项从发送响应的设备的观点描述了进入的通信流契约 当被包含在负配置响应中时 此选项从发送响应的设备的观点描述了优先进入的通信流 蓝牙的SDP 蓝牙的串口仿真 RFCOMM Bluetooth与IP Bluetooth与IP Bluetooth的协议栈 4 3 5应用模型 大量应用模型定义在蓝牙的概要规范文档中 本质上 一个应用模型是一套实施特定的基于蓝牙的应用的协议 每个概要文件定义了支持一特定应用模型的协议和协议特性 Bluetooth的Profile Bluetooth的语音应用 蓝牙的个人信息同步管理 文件传输 无线个域网技术 蓝牙 BlueTooth IrDAHomeRFUWBWUSBZigbee 4 4IrDA IrDA是国际红外数据协会的英文缩写 IrDA相继制定了很多红外通信协议 有侧重于传输速率方面的 有侧重于低功耗方面的 也有二者兼顾的 IrDA是一种低成本 低功耗的串行数据连接标准 支持半双工 点到点连接 覆盖范围至少1m 数据率最大达115kbps的通信标准 在2 4G频段 工作波长只有1um 而蓝牙的工作波长为12 5cm 概述 IrDA是红外数据组织 InfraredDataAssociation 的简称 目前广泛采用的IrDA红外连接技术就是由该组织提出的 到目前为止 全球采用IrDA技术的设备超过了5000万部 IrDA已经制订出物理介质和链路层规格 以及2个支持IrDA标准的设备可以相互监测对方并交换数据 初始的IrDA1 0标准制订了一个串行 半双工的同步系统 传输速率为2400bps到115200bps 传输范围1m 传输半角度为15度到30度 最近IrDA扩展了其物理层规格使数据传输率提升到4Mbps 红外线通信波长 红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波 它的频率高于微波而低于可见光 是一种人的眼睛看不到的光线 红外通讯一般采用红外波段内的近红外线 波长在0 75um至25um之间 红外数据协会 IRDA 成立后 为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通讯效果 红外通讯协议将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内 目前无线电波和微波已被广泛地应用在长距离的无线通讯之中 但由于红外线的波长较短 对障碍物的衍射能力差 所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合 进行点对点的直线数据传输 红外通信技术应用产生的背景 红外通讯有着成本低廉 连接方便 简单易用和结构紧凑的特点 因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用 这些设备包括笔记本电脑 掌上电脑 机顶盒 游戏机 移动电话 计算器 寻呼机 仪器仪表 MP3播放机 数码相机以及打印机之类的计算机外围设备等等 试想一下 如果没有红外通讯 连接这其中的两个设备就必须要有一条特制的连线 如果要使它们能够任意地两两互联传输数据 该需要多少种连线呢 而有了红外口 这些问题就都迎刃而解了 IrDA的优势 IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术 其相应的软件和硬件技术都已比较成熟 它在技术上的主要优点有 1 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 2 具有移动通信设备所必需的体积小 功率低的特点 HP公司目前已推出结合模块应用的约从2 5 8 0 2 9mm3到5 3 13 0 3 8mm3的专用器件 与同类技术相比 耗电量也是最低的 3 传输速率在适合于家庭和办公室使用的微微网 Piconet 中是最高的 由于采用点到点的连接 数据传输所受到的干扰较少 速率可达16Mb s 市场优势 除了在技术上有自己的技术特点外 IrDA的市场优势也是十分明显的 目前 全世界有5000万台设备采用IrDA技术 并且仍然每年以50 的速度增长 有95 的手提电脑安装了IrDA接口 在成本上 红外线LED及接收器等组件远较一般RF组件来得便宜 IrDA端口的成本在5美元以内 如果对速度要求不高甚至可以低到1 5美元以内 相当于日前蓝牙产品的十分之一 IrDA的局限性 1 IrDA是一种视距传输技术 也就是说两个具有IrDA端口的设备之间如果传输数据 中间就不能有阻挡物 这在两个设备之间是容易实现的 但在多个电子设备间就必须彼此调整位置和角度等 2 IrDA设备中的核心部件 红外线LED不是一种十分耐用的器件 对于不经常使用的扫描仪 数码相机等设备虽然游刃有余 但如果经常用装配IrDA端口的手机上网 可能很快就不堪重负了 红外通信标准产生的背景 要使各种设备能够通过红外口随意连接 一个统一的软硬件规范是必不可少的 但在红外通讯发展早期 恰恰就存在着这样的规范不统一问题 许多公司都有着自己的一套红外通讯标准 同一个公司生产的设备自然可以彼此进行红外通讯 但却不能与其它公司有红外功能的设备进行红外通讯 当时比较流行的红外通讯系统有惠普的HPSIR 夏普的ASKIR和GeneralMagic的MagicBeam等 虽然它们的通讯原理比较相似 但却不能互相感知 混乱的标准给用户带来了很大的不便 并给人们造成了一种红外通讯不太实用的错觉 为了建立一个统一的红外数据通讯的标准 1993年 由HP COMPAQ INTEL等二十多家公司发起成立了红外数据协会 InfraredDataAssociation 简称IRDA 1993年6月28日 来自50多家企业的120多位代表出席了红外数据协会的首次会议 并就建立统一的红外通讯标准问题达成了一致 一年以后 第一个IRDA的红外数据通讯标准发布 即IRDA1 0 IrDA标准 IrDA标准 IrDA1 0 简称为SIR SerialInfraRed 异步的 半双工的红外通讯方式 SIR以系统的异步通讯收发器 UART 为依托 由于受到UART通讯速率的限制 SIR的最高通讯速率只有115 2Kbps IrDA1 1 即FastInfraRed 简称为FIR 与SIR相比 由于FIR不再依托UART 通讯速率大幅度 可达到4Mbps的水平 继FIR之后 IrDA又发布了通讯速率高达16Mbps的VFIR VeryFastInfraRed 技术 并将它作为补充纳入IrDA1 1标准之中 IrDA协议 IrDA数据协议由物理层 链路接入层和链路管理层三个基本层协议组成 链路管理协议 IrLMP 链路接入协议 IrLAP 物理层 IrPHY IrDA红外串行物理层协议 IrPHY定义了4Mb s以下速率的半双工连接标准 在IrDA物理层中 将数据通信按发送速率分为三类 SIR MIR和FIR 串行红外 SIR 的速率覆盖了RS 232端口通常支持的速率 9600bps 1152Kbps MIR可支持0 576Mbps和1 152Mbps的速率 高速红外 FIR 通常用于4Mbps的速率 有时也可用于高于SIR的所有速率 4Mb s连接使用4PPM编码 1 152Mb s连接使用归零OOK编码 编码脉冲的占空比为0 25 115 2kb s以及以下速率的连接使用占空比为0 1875的归零OOK编码 IrLAP红外链路接入协议 IrLAP定义了链路初始化 设备地址发现 建立连接 其中包括比特率的统一 数据交换 切断连接 链路关闭以及地址冲突解决等操作过程 它是从异步数据通信标准高级数据链路控制 HDLC 协议演化而来的 IrLAP使用了HDLC中定义的标准祯类型 可用于点对点和点对多的应用 IrLAP的最大特点是 由一种协商机制来确定一个设备为主设备 其他设备为从设备 主设备探测它的可是范围 寻找从设备 然后从那些相应它的设备中选择一个并试图建立连接 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定最后的通信速率 以上所说的寻找和协调过程都是在9 6kbps的波特率下进行的 IrLMP红外链路管理协议 IrLMP是IrLAP之上的一层链路管理协议 主要用于管理IrLAP所提供的链路连接中的链路功能和应用程序以及评估设备上的服务 并管理如数据速率 BOF的数量 帧的开始 及连接转换向时间等参数的协调 数据的纠错传输等 IrDA的未来与发展 面对其他技术的挑战 IrDA并没有停滞不前 除了传输速率由原来的FIR FastInfrared 的4Mb s提高到最新VFIR的16Mb s标准 接收角度也由传统的30度扩展到120度 这样 在台式电脑上采用低功耗 小体积 移动余度较大的含有IrDA接口的键盘 鼠标 就有了基本的技术保障 同时 由于Internet的迅猛发展和图形文件逐渐增多 IrDA的高速率传输优势在扫描仪和数码相机等图形处理设备中更可大显身手 对于要求传输速率高 使用次数少 移动范围小 价格比较低的设备 如打印机 扫描仪 数码像机等 IrDA技术是首选 4 5HomeRF 家庭射频技术 HomeRF是专门针对家庭住宅环境而开发出来的无线网络技术 借用了802 11规范中支持TCP IP传输的协议 而其语音传输性能则来自DECT 无绳电话 标准 HomeRF定义的工作频段为2 4GHz 这是不需许可证的公用无线频段 HomeRF使用了跳频空中接口 每秒跳频50次 即每秒钟信道改换50次 收发信机最大功率为100mW 有效范围约50m 其速率为1Mbps至2Mbps HomeRF的共享无线应用协议 SWAP 家庭射频 HomeRF 技术是无绳电话技术 DECT DigitalEnhancedCordlessTelephone 和无线局域网 WLAN 技术相互融合发展的产物 无线局域网IEEE802 11采用CSMA CA 载波监听多点接入 冲突避免 方式 特别适合于数据业务 而DECT使用TDMA 时分多路复用 方式 特别适合于话音通信 将二者进行融合构成家庭射频使用的共享无线应用协议 SWAP SharedWirelessAccessProtocol SWAP SWAP使用TDMA CSMA CA方式 适合话音和数据业务 TDMA用于传送交互式话音和其它时间敏感性业务 而CSMA CA用于传送高速分组数据 并且特地为家庭小型网络进行了优化 家庭射频系统的设计目的就是为了在家用电器设备之间传送话音和数据 并且能够与公众交换电话网 PSTN 和互联网进行交互式操作 HomeRF的未来 SWAP规范问世以后 除了扩展高性能 多波段无绳电话技术以外 还极大地促进了低成本无线数据网络技术的发展 但是 HomeRF占据了与802 11b和Bluetooth相同的2 4G频率段 并且在功能上过于局限家庭应用 再考虑到802 11b在办公领域已取得的地位 恐怕在今后难以有较大的作为 4 6无线USB 为了适应各领域对数据传输和接口技术的需要 USB技术的标准从1 0发展到了2 O 数据传输的速率也从最初的1 5Mbit s提高到了480Mbit s 在传输速度大幅度提高的同时 USB更是紧跟通信技术的无线化趋势 将传统基于线缆的USB扩展为基于无线传输平台的无线USB 这种新的高速无线个人互连技术 在继承传统有线USB2 0标准所具有的较高传输速率优势的同时 充分利用无线传输技术的灵活性与极高的自由度 免除了有线USB需要线缆连接所带来的各种麻烦 WUSB准化组织与标准化进程 无线USB促进组织 WirelessUSBPromoterGroup 是无线USB标准的制定机构 该组织成立于2004年初 由英特尔 Intel 发起 成员包括了杰尔系统 AgereSystems 惠普 HewlettPackard 微软 Mircosoft NEC 飞利浦半导体 PhilipsSemiconductor 和三星 Samsung 这几家业界领先的公司 由于无线USB促进组织所制定的无线USB标准只涉及到较高层次协议规范的制定 物理层和MAC mediaaccesscontrol 媒体访问控制 层则采用了由MBOA MultiBandOFDMAlliance 正交频分多路复用联盟 和WiMedia联盟 WirelessMultimediaAlliance 无线多媒体联盟 共同制定的UWB ultrawideband 超宽带 无线标准 无线USB的体系结构 2005年5月发布了WUSB1 0 无线USB系统由一个无线USB主机和多个无线USB设备 以及主机和设备之间的互连机制这三部分共同构成 其中 USB互连机制是USB主机与USB设备之间进行连接和通信所使用的一系列策略的总称 涉及到三个方面的内容 拓扑结构 数据流模型 总线调度 拓扑结构 无线USB系统中主机和设备的连接采用了如图1所示的 hubandspoke 连接段 模型 无线USB主机以hub的角色处在模型的正中央 理论上一个USB主机能够支持最多127个USB设备 各无线USB设备处于每段spoke的末端 每段spoke代表着一个无线USB主机到一个无线USB设备之间点到点的连接 如图1所示 WUSB的基本连接原理是网络集线器和拓扑 如图所示 在所有的通过主机传输的数据 都会连接上WUSBHost WUSB主机 然后分配给每个设备不同的地址和带宽 这些设备和主机之间的关系被称为群 它们是通过点对点来传输的 WUSB主机和WUSB设备之间定向的传输 数据流模型 其中 功能层与有线USB2 0标准几乎保持一致 只在同步传输模式增强上作了极小的改动 设备层增加了一些安全性扩展和无线媒介设备管理的控制命令 改动较小 总线接口层是改动较大的一层 主要针对无线传输增加了一个高效安全的通信服务机制 规定了无线USB主机和设备通信之前 必须先建立一个安全关联圈 之后加密的数据才能通过无线通道传输 很大程度上保证了无线传输的可靠性 如图2所示 WUSB的总线调度 类似于有线USB2 0标准的总线调度 无线USB标准采用的也是基于TDMA timedivisionmultipleaccess 时分多路复用 轮询方式的总线调度协议 协议规定了由主机控制器发起数据传输 每次传输过程由三类分组构成 令牌分组 数据分组和握手分组 为了提高无线传输的信道利用效率 无线USB标准去除了有线USB2 0标准中原有的一些发送和接收之间低效的状态转移过程 将多个令牌信息放到一个特定分组中传输 主机同时指示相应设备发送 接收或参与握手的恰当时机 极大的提高了无线物理层的传输效率 无线USB的技术特点 充分考虑了与有线USB的兼容采用了MBOA制定的UWB超宽带物理层标准保留了原有USB任务的划分模型提供了高效的电源管理机制提供了安全机制更加易于使用 WUSB发展与未来 随着技术标准的制定完成 在Intel 微软等业界领先公司的大力推广下 无线USB技术在计算机 消费电子 移动通信 工业自动化控制等众多领域将会得到快速应用与发展 目前基于无线USB技术的产品已经起步上市 与现有的USB技术相比 WUSB加入了对流媒体的支持 作为第一个支持流媒体的多媒体互联方案 WUSB必将得到生产电脑 数码相机 数码摄像机以及MP3播放器产品的众多厂商的支持 现今的许多设备 像手机 PDA 电脑 打印机 数码相机甚至键盘和鼠标都使用了蓝牙技术来进行数据传输 还有一部分设备则采用了其他的无线传输技术 其中的一部分产品对传输速度提出了比较高的要求 现有的技术已经无法满足 Intel公司的WUSB技术便是针对这一情况所设计 高速的传输与灵活性必将使Intel的这项技术被业内所接受 并最终成为蓝牙技术强有力的竞争对手 采用MBOAMAC和UWB技术后 未来的WUSB数据传输速率将增加到1Gbps 除现有的USB应用外 WUSB将实现许多全新的应用 如家用定位 homeposition 家用搜索 homeranging 及家用网络 homenetworking 等应用 WUSB未来应用 4 7UWB技术 UWB UltraWideBand 超宽带无线技术 技术 正如其名称一样 UWB技术是一种使用1GHz以上带宽的最先进的无线通信技术 被认为是未来五年电信热门技术之一 但是UWB不是一个全新的技术 它实际上是整合了业界已经出现的技术如无线USB 无线1394等连接技术 频谱 与传统通信技术不同的是 UWB是一种无载波通信技术 即它不采用载波 而是利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据 因此其所占的频谱范围很宽 UWB是利用纳秒级窄脉冲发射无线信号的技术 适用于高速 近距离的无线个人通信 按照FCC的规定 从3 1GHz到10 6GHz之间的7 5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围 UWB的带宽 从频域来看 超宽带有别于传统的窄带和宽带 它的频带更宽 窄带是指相对带宽 信号带宽与中心频率之比 小于1 相对带宽在1 到25 之间的被称为宽带 相对带宽大于25 而且中心频率大于500MHz的被称为超宽带 从时域上讲 超宽带系统有别于传统的通信系统 一般的通信系统是通过发送射频载波进行信号调制 而UWB是利用起 落点的时域脉冲 几十ns 直接实现调制 超宽带的传输把调制信息过程放在一个非常宽的频带上进行 而且以这一过程中所持续的时间 来决定带宽所占据的频率范围 由于UWB发射功率受限 进而限制了其传输距离 据资料表明 UWB信号的有效传输距离在10m以内 故而在民用方面 UWB普遍地定位于个人局域网范畴 UWB的特点与优势 1 系统结构的实现比较简单 当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波 载波的频率和功率在一定范围内变化 从而利用载波的状态变化来传输信息 而UWB则不使用载波 它通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号 UWB发射器直接用脉冲小型激励天线 不需要传统收发器所需要的上变频 从而不需要功用放大器与混频器 因此 UWB允许采用非常低廉的宽带发射器 同时在接收端 UWB接收机也有别于传统的接收机 不需要中频处理 因此 UWB系统结构的实现比较简单 2 高速的数据传输 民用商品中 一般要求UWB信号的传输范围为10m以内 再根据经过修改的信道容量公式 其传输速率可达500Mbit s 是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术 UWB以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输 并且不单独占用现在已经拥挤不堪的频率资源 而是共享其他无线技术使用的频带 在军事应用中 可以利用巨大的扩频增益来实现远距离 低截获率 低检测率 高安全性和高速的数据传输 3 功耗低 UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据 脉冲持续时间很短 一般在0 20ns 1 5ns之间 有很低的占空因数 系统耗电可以做到很低 在高速通信时系统的耗电量仅为几百 W 几十mW 民用的UWB设备功率一般是传统移动电话所需功率的1 100左右 是蓝牙设备所需功率的1 20左右 军用的UWB电台耗电也很低 因此 UWB设备在电池寿命和电磁辐射上 相对于传统无线设备有着很大的优越性 4 安全性高 作为通信系统的物理层技术具有天然的安全性能 由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内 对一般通信系统 UWB信号相当于白噪声信号 并且大多数情况下 UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声 从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事 采用编码对脉冲参数进行伪随机化后 脉冲的检测将更加困难 5 多径分辨能力强 由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间 多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率 由于超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低 多径信号在时间上是可分离的 假如多径脉冲要在时间上发生交叠 其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积 由于脉冲多径信号在时间上不重叠 很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量 大量的实验表明 对常规无线电信号多径衰落深达10 30dB的多径环境 对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB 6 定位精确 冲激脉冲具有很高的定位精度 采用超宽带无线电通信 很容易将定位与通信合一 而常规无线电难以做到这一点 超宽带无线电具有极强的穿透能力 可在室内和地下进行精确定位 而GPS定位系统只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内 与GPS提供绝对地理位置不同 超短脉冲定位器可以给出相对位置 其定位精度可达厘米级 此外 超宽带无线电定位器更为便宜 7 工程简单造价便宜 在工程实现上 UWB比其它无线技术要简单得多 可全数字化实现 它只需要以一种数学方式产生脉冲 并对脉冲产生调制 而这些电路都可以被集成到一个芯片上 设备的成本将很低 UWB的局限 超宽带系统应用中存在一个与现有其他无线通信系统的共存问题 由于超宽带系统使用很宽的频谱 因此与很多其他的无线通信系统频谱重叠 虽然从理论上说超宽带系统的发射功率谱密度很低 应能和其他无线通信系统兼容 但在实际应用中 超宽带系统对其他无线通信系统的兼容性还需要实验证明 特别是超宽带系统的工作机理还有很多不清楚的方面 比如超宽带系统的带外干扰问题 即超宽带设备有可能对其工作频段之外的无线系统产生一定的干扰 这部分干扰还很难用理论计算的方法准确估计 如对GPS的干扰 对个人通信系统900 1800MHzGSM的干扰 对无线局域网IEEE802 11的干扰等 特别是当某特定区域有很多超宽带设备时 其集中干扰必须认真考虑 与之对应的问题是 来自于其他无线通信系统的信号对UWB接收机的带内干扰 UWB设备发射功率谱密度很低 UWB接收机中容易受到噪声和干扰影响 特别是来自窄带无线系统的阻塞干扰 迄今为止 超宽带理论体系还不完善 关于其工作机理和特性还有很多疑问 如超宽带信号传播特性 信道模型 超宽带天线设计理论以及超宽带信号处理理论等 而这对超宽带系统的设计和应用至关重要 UWB应用与未来 UWB技术可以提供高达1Gbit s的数据传输速率 可用在数字家庭网络或办公网络中 实现近距离 高速率数据传输 例如 利用UWB技术可以在家用电器设备之间提供高速的音频 视频业务传输 在数字办公环境中 应用UWB技术可以减少线缆布放的麻烦 提供无线高速互联 另外 利用UWB技术还可以实现军用通信 雷达探测 精确定位等等 UWB技术起源于脉冲通信 最初主要用于军事领域 近年来 超宽带技术开始用于民用高速 近距离无线通信领域 并取得了较快发展 产生了MB OFDM DS UWB两种技术方案 目前 国际上对UWB技术的研究正在如火如荼地进行 凭借高速率 低功耗 低成本等优势 超宽带技术必将得到广泛应用 4 8ZigBee技术 ZigBee是一种新兴的短距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本的无线网络技术 主要用于近距离无线连接 它依据IEEE802 15 4标准 在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信 ZigBee是一组基于IEEE批准的802 15 4无线标准研制开发的 有关组网 安全和应用软件方面的技术 IEEE802 15 4仅处理MAC层和物理层协议 ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化 ZigBee联盟简介 ZigBee联盟组成成立于2001年9月成员为半导体厂商 无线IP供应商 OEM厂商及终端用户拥有150个成员 包括飞思卡尔 菲利普 三菱 三星 IBM及华为等ZigBee联盟的宗旨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 为何需要ZigBee技术 专门为远程监控和控制的无线网络 网络存在的实用性 ZigBee技术应具备的特性低成本 只需几美元就可以添加进产品低功耗 典型应用普通电池应能工作约1年低复杂度 必须非常容易使用快速 可靠 安全不同厂商生产的产品可兼容 ZigBee技术目标市场和应用 ZigBee简单有效的无线控制手段 车辆监控 電子消費產品 電視錄像機DVD CD无线遙控器 電腦設備 工業自动控制 資產监控管理生產過程監控環境及能源管理 保健 樓宇自動化 保安系統大型空調系統自動讀表系統照明控制門禁系統 病人監護系統健身監察系統 采用ZigBee技术的条件 设备成本很低 传输的数据量很小设备体积很小 不便放置较大的充电电池或者电源模块没有充足的电源支持 只能使用一次性电池频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难需要较大范围的通信覆盖 网络中的设备非常多 但仅仅用于监测或控制 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 ZigBee技术的主要应用领域 消费性电子设备家庭和楼宇自动化设备工业控制装置农业自动化电脑外设医用传感器玩具和游戏机等设备支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域 家居监控网络示意图 ZigBee技术的主要优点 功耗低 发射功率仅1mW 还可采用休眠模式 两节5号电池可工作1 2年 成本低 由于传输速率低 网络协议简单 成本较低 而且ZigBee协议免专利费 时延短 典型搜索设备时延为30ms 休眠激活时延为15ms 活动设备信道接入时延为15ms 网络容量大 网络可容纳65 000个设备 传输可靠 采用碰撞避免策略 同时为需要固定带宽的业务预留专用时隙 安全 采用AES 128加密算法 各个应用可灵活确定其安全属性 有效范围小 有效覆盖范围10 75米 具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定工作频段灵活 使用频段为2 4GHz 868MHz 欧洲 和915MHz 美国 均为免执照 免费 的频段 IEEE802 15WPAN工作组负责制定无线个人网WPAN的通信标准 IEEE802 15下面有4个分标准 802 15 1为BlueTeeth 蓝牙 802 15 2为共存性802 15 3为高数据传输率的WPAN 802 15 4为低数据传输率的WPAN 802 15 1 802 15 2 802 15 3和802 15 4均正式公布 短程无线网络的标准 频带使用范围数据传输率信道数2 4GHzISM全世界250kbps16868MHz欧洲20kbps1915MHzISM北美40kbps10 ZigBee的频带和数据传输率 ZigBee协议模型 物理层 1 遵循IEEE802 15 4协议 物理层是协议的最底层 承付着和外界直接作用的任务 主要目的 控制RF收发器工作 调制方式 扩频通信信号传输距离 50m 室内 150m 室外 物理层 2 物理层 3 媒体接入控制层 1 遵循IEEE802 15 4协议负责设备间无线数据链路的建立 维护和结束确认模式的数据传送和接收可选时隙 实现低延迟传输支持各种网络拓扑结构网络中每个设备为16位地址寻址 媒体接入控制层 2 全功能器件FFD可工作于所有网络结构可作为网络协调器可与网络中任何节点通信简化功能器件RFD仅可和网络中的FFD通信不能作为网络协调器 媒体接入控制层 3 周期性的数据通信由用户决定周期的长短如 烟雾传感器间歇性的数据通信由用户或外界事件引发决定间歇长短如 电灯开关重复而快速反应的数据通信指定固定的时隙进行通信如 鼠标 键盘 网络及安全层 建立新的网络处理节点的进入和离开网络根据网络类型设置节点的协议堆栈使网络协调器对节点分配地址保证节点之间的同步提供网络的路由保证数据的完整性使用可选的AES 128对通信加密 应用层 应用支持层维持器件的功能属性应用支持层发现该器件工作空间中其他器件的工作应用支持层根据服务和需求使多个器件之间进行通信应用层主要根据具体应用由用户开发 ZigBee与其他无线标准的对比 ZigBee网络中传输的三类数据 周期性数据 如家庭中水 电 气三表数据的传输 烟雾传感器间断性数据 如电灯 家用电器的控制等数据的传输反复性的低反应时间的数据 如鼠标 操作杆传输的数据 ZigBee网络中的设备类型 网络协调器 包含所有的网络消息 是设备类型中最复杂的一种 存储容量最大 计算能力最强 发送网络信标 建立一个网络 管理网络节点 存储网络节点信息 寻找一对节点间的路由消息 不断地接收信息 全功能设备 FFD 可以担任网络协调者 形成网络 让其它的FFD或是精简功能装置 RFD 连结 FFD具备控制器的功能 可提供信息双向传输 附带由标准指定的全部802 15 4功能和所有特征更多的存储器 计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用 也能用作终端设备 设备类型 精简功能设备 RFD RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息 附带有限的功能来控制成本和复杂性 在网络中通常用作终端设备 ZigBee相对简单的实现自然节省了费用 RFD由于省掉了内存和其他电路 降低了ZigBee部件的成本 而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本 ZigBee网络拓扑模型 无线组网基础 网络扫描装置扫描16个信道 以确定可占用的最佳信道 组建 连接一个PAN装置可在自由信道上组建一个网络 协调器 或连接到一个已存在的网络上 装置搜寻装置询问网络 以在活动信道中搜寻相符的装置 服务搜寻装置在网络内搜寻可对装置提供支持的服务 绑定装置间通过命令 控制信息实现通信 形成ZigBee网络的方法 一个网络的形成 必须由FFD率先担任网络协调者 建立网络 再由其它的FFD或是RFD加入这个网络 不过RFD只能和FFD连结 根据装置在网络中的功能 预先对装置编制好程序协调器的功能是通过扫描搜索 以发现一个未用的信道来启动一个网络 路由器 一个网络中的mesh设备 的功能是通过扫描搜索 以发现一个激活的信道并将其连接 然后允许其它装置连接 终端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络 装置搜索网络中能提供完整服务的其它装置允许网络中的任何装置可对服务搜索进行初始化 将装置与可提供完整服务的其它装置进行绑定绑定可为指定相符的设备集提供命令和控制特征 一个完整的无线传感器网络通常包括数据捕获网和数据分配网两部分 ZigBee解决方案 在ZigBeeAlliance的成员中 有不少是提供ZigBee解决方案的业者 在硬件部分 以RF芯片为代表性 目前在2 4GHz的RF芯片 以国外的Chipcon市场占有率较高 其RF芯片CC2420搭配AtmelAVR8bits微处理器的平台 也是大多数人接触到ZigBee的第一个开发平台 Chipcon已在2005年第3季度推出一颗型号为CC2430的系统芯片 SoC 包含RF与微处理器 大大降低了未来ZigBee相关产品的成本 简化设计产品周期 另外一家2 4GHz的RF芯片厂商Freescale 也有渐渐迎头赶上的趋势 其RF芯片共分3种型号 MC13191 MC13192与MC13193 搭配不同的协议软件 提供给厂商进行不同产品的开发 在软件部分 国际上已经有许多公司有提供ZigBeeStack 例如 Ember AirBee Figure8Wireless等 其中以Figure8Wireless F8W 所设计的Z Stack最富盛名 Chipcon把F8W买下来后 使得Chipcon成为ZigBee的完全解决方案的提供者 Freescale 也是搭配F8W的Z Stack 这样 ChipconCC2420 Z Stack以及Freescale13193 Z Stack都已成为认证时的黄金平台 ZigBee芯片架构 无线收发器等器件或嵌入式模块 ZigBee芯片模块方面 则内含RF PHY与MAC做成一单芯片 未来ZigBee芯片则将会整合处理器 形成SoC Chipcon公司日前发布首款单芯片ZigBee解决方案 这款型号为CC2430的系统级芯片 SoC 延用了该公司以往CC2420的架构结构 在单个芯片上集成了ZigBeeRF前端 内存和微控制器 广泛应用于汽车 工控系统和无线传感网络等领域 CC2430同样适用于ZigBee之外的2 4GHz频率设备 CC2430使用一个80518位MCU内核 并具备128KB闪存和8KBRAM 可用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点 包括调谐器 路由器和终端设备 另外 CC2430还包含模数转换器 ADC 若干个定时器 AES 128协同处理器 看门狗定时器 32KHz晶振的休眠模式定时器 上电复位电路 Power On Reset 掉电检测电路 Brown out detection 以及21个可编程I O引脚 Chipcon的CC2430芯片预期1百万片批量订购时 单价不超过4美元 开发支持 由于很多厂商都推出了基于ZigBee的开发平台提供几乎全部开放的软件协议栈硬件设计参考指南越来越多的开发者加入到ZigBee阵营 举例 网关 ZigBee终端结构示意图 ZigBee节点的硬件组成 MCU RF收发器MCU FreescaleGT60 AtmelMega128 TIMSP430 RF Freescale13192 ChipconCC2420 EmberEM240 SOCEmber EM250Chipcon CC2430 典型应用系统的接口电路 典型应用系统的接口电路 RF芯片提供SPI接口与MCU通讯MCU连接键盘 显示等人机交互界面传感器控制器 行车应用的网络拓扑结构 ZigBee节点的软件组成 IE