第7章无线低速网络

1、物联网导论Introduction to Internet of Things第7章 无线低速网络King Harald bade these memorials to be made after Gorm, his father, and Thyra, his mother. The Harald who won the whole of Denmark and Norway and turned the Danes to Christianity.” - The Jelling stones2 第6章介绍了无线网络的分类及特点，并以Wi-Fi和WiMAX技术为例重点介绍了无线宽带网络协议8

2、02.11和802.16数据链路层数据帧结构和MAC层协议的特点和技术。3 7.1 低速网络协议概述 7.2 红外线通信 7.3 蓝牙 7.4 802.15.4/ZigBee 7.5 体域网 7.6 容迟网络4 记录和测量日常生活中的运动量。 将测量的卡路里、步数、体温、血氧等数据通过蓝牙技术传送到智能手机上。 用户还可以以社区的形式与好友进行分享。5智能腕带 采集人体的生命体征数据，如：ECG、EEG、心率、血压、体温等数据以及身体健康数据，如：测量的时间、卡路里、步数、体温等数据。 要求的数据传输速率比较低，一般低于10kbps。6无线体域网 应用需求牵引技术发展 “长尾效应”人类20%需

3、求是高带宽，比如视频服务等；人类还存在80%泛在需求，比如查询冰箱状态，个人生命体征监测等。 需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来，低速网络协议是实现全面互联互通的前提。 物联网背景下连接的物体，既有智能的也有非智能的。7 低速网络协议为了适应物联网物体特征 多样性 低成本 低带宽 低功耗 低通信半径 低计算能力8 红外(Infrared Communication) 蓝牙(Bluetooth)通信协议 IEEE 802.15.4/ZigBee协议 体域网(Body Area Network) 协议 容迟网络(Delay/Disruption Tolerant Net

4、work)协议910协议名称频段距离耗电速率红外3.4KGHZ(波长875nm左右)1米左右极低几十kbps到1Gbps蓝牙8002-2.480GHz几米至百米一般1Mbps，也能支持几十兆速率ZigBee802.15.4868.0-868.6MHz(欧洲)902-928MHz(北美)2.4-2.4835GHz(通用)几十米百米较低20kbps、40kbps、250kbps体域网802.15.6400MHz、900MHz2.4GHz1米较低可达10MHzWi-Fi2.4GHz，3.6GHz，5GHz 百米量级高高速Wi-Fi大于百兆量级 7.1 低速网络协议概述 7.2 红外

5、线通信 7.3 蓝牙 7.4 802.15.4/ZigBee 7.5 体域网 7.6 容迟网络11 红外通信技术利用红外线传输数据，比蓝牙技术出现更早，是一种较早的无线通信技术。 特点 红外通信采用的是875nm左右波长的光波通信，通信距离一般为1米左右。 设备体积小、成本低、功耗低、不需要频率申请等优势 缺点 设备之间必须互相可见 对障碍物的衍射较差12 1995年，红外数据协会(IrDA)就红外通信的通信标准达成一致，约有120 家以上的厂商支持红外通信标准。 1996年底，IrDA1.1标准颁布，红外数据通信最大传输率达4Mbps。 截止到2006年，红外通信技术已经拥有每年一亿五千万套

6、的设备安装量，并保持每年40%的高速增长。 红外通信主要应用于家电遥控器、汽车防盗、游戏等领域。 由于通信距离、速率和可见性等限制，红外通信慢慢的被更低频率的蓝牙和Wi-Fi所取代。 红外设备在通信过程中不能移动使得该技术很难用于外部设备，比如说鼠标、耳机上。13 2008年，KDDI公司在Wireless Japan 2008上演示了数据传输距离为1Gbps的红外线通信规格“Giga-IR”。 此外，红外通信技术在手机移动支付的应用潜力也不可小觑。14红外适配器遥控器摄像头红外功能手机 7.1 低速网络协议概述 7.2 红外线通信 7.3 蓝牙 7.4 802.15.4/ZigBee 7.5

7、 体域网 7.6 容迟网络15 蓝牙(Bluetooth)名字来源于10世纪丹麦国王Harald Blatand英译为Harold Bluetooth。 1994年，瑞典爱立信公司研发了一种基于个人操作空间(personal operating space, POS)的短距无线通信技术，并用Blatand国王的名字命名。16 蓝牙标志由Scandinavian公司设计。标志保留了它名字的传统特色，包含了古北欧字母“H”，看上去非常类似一个星号和一个“B”，在标志上仔细看两者都能看到。17蓝牙Logo 1998年，蓝牙技术由蓝牙特别兴趣小组(Bluetooth Special Interest

8、Group)成立，成员包括爱立信、IBM、Intel、东芝和诺基亚等国际通信巨头。 1998年3月，蓝牙技术成为IEEE 802.15.1标准。蓝牙技术的物理层采用跳频扩频结合的调制技术，频段范围是2.402GHz-2.480GHz，通信速率一般能达到1Mbps左右。蓝牙设备有两种可能的角色，分别为主设备和从设备。同一个蓝牙设备可以在这两种角色之间转换。一个主蓝牙设备可以最多同时和7个从设备通信。18 截止到2010年7月，蓝牙特别兴趣小组共推出六个版本V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0，以通讯距离来在不同版本可再分为 Class A(1)/Class B(2)。蓝牙的通信距离也

9、提高到100米以上，通信速率达到24Mbps。建立连接时间长、功耗高、安全性不高19蓝牙耳机 蓝牙鼠标 蓝牙键盘 蓝牙游戏手柄 蓝牙v4.0的出现，在功耗、安全性、连接性等方面对蓝牙技术有了巨大的提升。 蓝牙技术目前的成员达到16,000家成员和每天具有蓝牙技术产品的出货量达到五百万部，蓝牙技术重获新生。 蓝牙技术在运动、健身、健康和医疗领域存在着极为广阔的应用前景。20Google Glass 低功耗：一颗纽扣电池可运行一年乃至数年。 低延迟：最短可在3毫秒内完成连接设置并开始传输数据。 适用于App Store模式: 超过99%的智能手机具备蓝牙功能。 特别适合可穿戴计算应用场景。 同时得

10、到苹果iOS和谷歌android两大阵营大力推崇。21 7.1 低速网络协议概述 7.2 红外线通信 7.3 蓝牙 7.4 802.15.4/ZigBee 7.5 体域网 7.6 容迟网络22 ZigBee，又称为IEEE 802.15.4标准，其目标是实现类似于蜂群的低功耗、低复杂度、低速率、自组织的短距无线通信网络，为个人或者家庭范围内不同设备之音的低速互连提供统一标准。2001年，IEEE 802.15.4工作组成立了TG4工作组，制定规范IEEE 802.15.4标准，同年，ZigBee联盟成立。2004年，ZigBee V1.0协议正式问世。2006年，推出ZigBee 2006，比

11、较完善。2007年底，ZigBee PRO推出。2009年3月，ZigBee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。2009年开始，ZigBee采用了IETF的IPv6 6Lowpan标准作为新一代智能电网Smart Energy（SEP 2.0）的标准。23 ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-180m的范围内(室内一般不超过60米 室外一般不超过180米)。ZigBee具有如下特点： 低功耗: Z

12、igBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低。 ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。24 低成本： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.52.5美元。 ZigBee协议是免专利费的。 时延短: 典型的搜索设备时延30ms, 休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。 适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。 网络容量大: 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备。 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。25 可靠： 支持冲突避免的

13、载波多路侦听技术（carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA）。 MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 安全: 基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查。 支持鉴权和认证。 采用了AES-128的加密算法。 各个应用可以灵活确定其安全属性。26IEEE 802.15.4/ZigBee协议主要包括开放系统互连（OSI）五层模型的物理层、介质访问控制层、网络层、传输层，以及应用层。 IEEE 802.15.4主要规定了物理层和链路层的规范。 ZigBee主要提供了在

14、物理层和链路层之上的网络层、传输层和应用层规范。27 IEEE 802.15.4/ZigBee体系结构 频段：3个频段，均为国际电信联盟电信标准化组定义的用于科研和医疗的开放频段，包括 868.0-868.6MHz，主要为欧洲采用，单信道； 902-928MHz，北美采用，10个信道，支持扩展到30个信道； 2.4-2.4835GHz世界范围内通用，16个信道。 传输技术：最早为直接扩频，后来可采用调频、调相等多种技术。28 IEEE 802.15.4因为采用直接序列扩频技术，具有一定的抗干扰效果，同时在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术。29 IEEE 802.15.4 物理层基带框图

15、 在发射功率为0dBm的情况下，Bluetooth通常能有10m作用范围，而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室内通常能达到3050m作用距离，在室外如果障碍物较少，甚至可以达到100m作用距离。30几种无线通信技术抗干扰性能比较几种无线通信技术抗干扰性能比较 介质访问控制层（MAC）控制和协调节点使用物理层的信道来发送MAC层的包，这一层负责提供接口来访问物理层信道。 IEEE 802.15.4采用载波侦听多路访问方式(CSMA/CA)，与IEEE 802.11（Wi-Fi）类似。 传输之前，先侦听介质中是否有使用同一信道的载波存在，若不存在说明信道空闲，将直接进入数据传输状态；

16、 若系统检测到存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道，退避的时间长短由具体的协议指定。31 IEEE 802.15.4还定义了两种器件：全功能器件(FFD，Full-Function Device)和简化功能器件(RFD，Reduced-function Device)。 全功能器件可以作为协调者的角色控制所有关联的简化功能器件的同步。 简化功能器件只能和与其关联的全功能器件互通。 IEEE 802.15.4/ZigBee目前支持三种网络拓扑结构，分别为星型（star）、树形（tree）和网格（mesh）拓扑。 IEEE 802.15.4支持64位和16位的两种地址结构，64位的地址便于

17、使IEEE 802.15.4与未来的IPv6相兼容，16位主要用于子网内的地址，能够支持65536个节点。32典型无线传感网节点各个模块能量消耗33设备状态电流CPU工作(active)1.8mA空闲(idle)54.5A内置flash编程(program)3mA擦除(erase)3mA无线收发模块发送数据（TX,0dBm）17.4mA接收数据和侦听(RX)19.7mA空闲（idle）21A 无线收发模块占据大部分的能量消耗。 无线收发器件（radio transceiver）工作时通常处于三种状态，发送，侦听和空闲状态。 空闲侦听（idle listening）：是指节点处于侦听状态，但是并

18、未侦听到任何数据，从而浪费掉了能量。 空闲（idle）：空闲状态是指节点物理地关闭一些硬件功能，从而达到较低的能耗。 如何减少空闲侦听是一个无线通信协议能够适用于传感网以及其他低功耗的网络首先需要考虑的一个重要问题。34 无线收发器件（radio transceiver）工作时通常处于三种状态（发送，侦听，空闲状态），发送和侦听状态为工作状态，空闲状态浪费能量。 低功率侦听协议（LPL，low power listening） 采样侦听 链路层调度 采样侦听 无线收发模块在没有数据的时候关闭 定时采样获取信道的信息35 假设采样周期为T，发送者在发送数据的时候如何保证接收者能够收到？ 保持发送

19、数据的时间长度不少于T的话，接收者就能够采样到发送者发送的数据 然后接收者调整至接收状态，正常接收数据。36 仍然有问题：发送者每次发送最常需要持续一个采样周期的时间，还是会带来不必要的能量损耗。 更好的方法：同步发送者和接收者达到更高效率调度37 不对称链路（asymmetric link）：两个节点之间的通信可能有一个方向的链路质量非常好，另外一个方向的质量非常差。 中间链路（intermediate link）：10%链路收包率90% 空间相关性（spatial correlated）：位置上相近的节点通常有着相同的环境，从而导致了相似的链路特征。38 网络层功能：路由，新节点和路径的发

20、现，决定一个节点属于某一个子网络等。 ZigBee网络层采用距离矢量路由协议（AODV） 源节点广播一个路由请求给它的所有邻居 邻居节点在收到消息后，再广播收到的消息给它们的邻居，如此直到消息到达目的节点。 当目的节点收到路由请求消息以后，目的节点返回一个路由回复给源节点。 回复不再以广播方式发送到源节点，而是沿着路由请求数据包从源节点到目的节点的路径，这样源节点就可以按照这条路径发送消息到目的节点了。3940 网络层以及上提供了向终端用户的接口 与互联网类似，在网络层以上： 互联网模型中需要提供不同类型的传输服务（比如TCP协议和UDP协议） 在传输协议上还需要提供各种基于不同传输协议的应用

21、（比如FTP，HTTP等等）。41 ZigBee设备对象(ZDO，ZigBee Device Object)：主要负责定义每一个设备的功能和角色。角色有两种，一种为协调者（coordinator），另外一种是普通终端设备 应用对象(application object)组件：用来定义应用层服务的应用对象，每一个应用对象对应了一个不同的应用层服务。 应用支持子层：是应用层的基本组件，通过把底层的服务和控制接口提供给整个应用层，把应用层以下的部分和应用层连接起来。42 应用层组件的关系： 应用对象各种服务的实现需要通过应用支持子层提供的服务和接口，在ZDO的管理下来完成。 每个节点可以有很多应用对

22、象和ZigBee设备对象。 每一个对象对应了设备或者节点上的一个标号，或称为终端号（end point）。 每一个应用对象可以相对独立的运行而不互相干扰。 绑定表（binding table）：主要是为了解决节点或者设备功能不足的问题。43 物理层： 支持多种不同传感器节点类型如Telos，Mica系列等。 主 要 使 用 的 频 段 包 括 2 . 4 G H z （ C C 2 4 2 0 等 ） 和868/915MHz(CC1000)等。 介质访问控制层： 载波侦听多路访问（CSMA）协议 网络层 基于最短路径的路由协议，AODV 根据信号质量（RSSI）的路由协议 路由和数据收集协议（

23、CTP，collection tree protocol） 数据分发功能（dissemination）的接口4445名称参数频段（Frequency band）2.4GHz-2.4835GHz发送数据率（data rate）250kbps天线发送能量（RF Power）-24dBm-0dBm接受灵敏度（Receive sensitivity）-90dBm（最小灵敏度），-94dBm（典型的灵敏度）室外通信半径（outdoor range）75米-100米室内通信半径（indoor range）20m-30m电流接收状态（receive mode） 23mA发送状态（transmit mode）

24、18mA空闲状态（idle）21A睡眠状态（sleep）1A 7.1 低速网络协议概述 7.2 红外线通信 7.3 蓝牙 7.4 802.15.4/ZigBee 7.5 体域网 7.6 容迟网络46 体域网（wireless body sensor network , WBSN或BSN）是基于无线传感器网络（WSN）的，是人体上的或移植到人体内的生物传感器共同形成的一个无线网络，它不仅是一种新的普适医疗保健、疾病监控和预防的解决方案，还是物联网（Internet of things）的重要感知及组成部分。 体域网也可称为生物医疗传感器网络（biomedical sensor network）和

25、无线体域传感网（wireless body area sensor network，WBASN或BAN）。47 集成硬件、软件和无线通信技术的泛在计算平台。 可穿戴或可植入生物传感器。 采集身体重要的生理信号（如温度、血糖、血压和心电信号等）、人体活动或动作信号以及人体所在环境信息。 处理这些信号信息并将它们传输到身体外部附近的本地基站。48体域网BSN示意图 2012年，IEEE 802.15 TG6制定的针对于短距离体域网的新标准IEEE 802.15.6终于正式诞生。 服务质量（QoS）：合适的检错、纠错方法；保证一定的端到端时延；灵活适应各种应用需要； 能量消耗：节点以极低的功率工作，

26、以保证长使用寿命； 网络拓扑：网络可以支持多跳的通信环境； 数据传输速率：点对点通信时，支持最低至1kbps的医疗应用，10kbps的非疗应用，最高10Mbps；点对多点通信时，数据收集点需要支持最高1Mbps的医疗用和10Mbps的非医疗应用； 其他：复杂度、移动性、射频电磁波吸收率、安全性、扩展性等。49 规模小，可扩展，近距离，以人体为中心的网络 传感器节点发射功率必须足够低； 传感器节点相对位置固定； 最多通过三跳路由将采集数据传送到汇聚节点。 动态、混合型的网络 动态性：随人体一起运动； 影响无线体域网的拓扑结构的因素： 身体四肢的随机移动会导致节点之间的通信中断； 电能耗尽造成节点

27、出现故障或失效； 新节点的加入。 数据业务多样性、以数据为中心的网络 采集的各种生理信息具有多样性和相关性； 多种生理数据的时间同步。50 IEEE 802.15.6标准中,FCC分配给体域网的主要工作频率： 400MHz、900MHz、2.4GHz和3.110.6GHz， 402405MHz主要分配给植入式医疗设备， 其余的频率主要分配给体外传感器。 体域网支持三种物理层技术： 窄带(Narrow Band, NB) 超宽带(Ultra Wide Band, UWB) 人体通信(Human Body Communications, HBC)5152窄带通信物理层53体域网络架构图 体域网网络

28、结构可以分为三个层次 第1层 包含一组具有检测功能的传感器节点或设备； 用于数据采集； 采集部分经常采用简单的星形拓扑结构。 第2层 由移动个人服务器( mobile personal sever)或BSN汇聚节点组成； 负责和外部网络进行通信, 并临时存储从第1层收集上来的数据。 第3层 包括提供各种应用服务的远程服务器的外部网络； 提供紧急医疗救助、网络体检、医疗健康咨询、家人提醒或远程监护等服务。54 根据传感器在身体位置不同，可将其分为以下三大类： 植入式传感器： 体积小、重量轻，同时其功率必须非常小； 不能随着时间推移而衰变； 压电聚合传感器的输出和运动量成正比。55心脏除颤器 神经

29、刺激器 耳蜗植入式助听器 与体液接触的可穿戴式传感器：有几类一次性传感器是附在体外使用的，但是它们是和体液相接触的。 一次性血压传感器 无接触可穿戴式传感器：在体液不能和传感器相接触的情况下，可将无接触可穿戴式传感器应用于医疗设备。 用于研究睡眠窒息的压电（或热电）传感器 用于测量体表/体内温度的NTC温度传感器56 医疗应用 采集人体的一些重要的数据信息，如：ECG、EEG、心率、血压、体温等数据传送到控制中心，控制中心分析这些数据，并进一步判断被监测人体的身体状况。 数据传输速率比较低，一般低于10kbps。 一般采用星型拓扑。 日常生活领域 路况导航和定位功能 盲人导航系统 电子支付57

30、盲人导航系统 危险场合及航空领域 体育运动强度监测 危险区域信息监测 竞技体育和娱乐领域 远程训练系统 计算机辅助动画设计58运动员训练和3D虚拟角色合成 7.1 低速网络协议概述 7.2 红外线通信 7.3 蓝牙 7.4 802.15.4/ZigBee 7.5 体域网 7.6 容迟网络59 容迟网络(Delay Tolerant Network，DTN)：是指网络中端到端的路径通常很难建立，网络中消息传播具有很大延时，使得传统因特网上基于TCP/IP的协议、无线Ad Hoc网络中面向端到端的路由协议变的失效。 DTN并不侧重于构建一种新的数据链路层，而是根据网络应用的特点，抽象出的一种新的网

31、络结构。60 稀疏的网络连接(Sparse connectivity) 节点的移动性(Nodal mobility) 延迟容忍(Delay tolerant) 错误容忍(Fault tolerant) 有限的存储空间(Limited buffer) 不对称数据速率(asymmetric data rate)6162DTN应用程序应用程序BP TCPCLPSaratogaLTPTCPUDPIP数据链路层协议数据链路层协议应用层数据链路层网络层传输层BP协议与汇聚层协议的关系与位置 BP协议：定义了该层的协议数据单元束以及束的处理和记录管理过程，对束的格式、分片与重组、命名与路由、保管传输、拥塞与

32、流量控制、可靠性与安全等方面进行了描述。 TCPCLP协议：基于TCP的汇聚层协议，通过建立TCPCL连接使束在TCP网络环境中进行双向传输，TCPCL连接与TCP连接同时产生和释放并一一对应。 LTP协议：作为BP协议的汇聚层协议，能在链路长时延和频繁中断的情况下提供基于重传的可靠通信，可以运行于数据链路层之上或UDP之上。 Saratoga协议：一种轻量级的基于UDP的汇聚层协议，为束层或束代理提供服务。63 深空探测： NASA以及其他一些机构计划了一系列的月球探测、火星探测等项目； 2003年9月，Cisco低轨路由器(CLEO)在英国灾害监测星座的卫星上搭载升空； 至2008年12月，CLEO在太空环境中进行了很多路由试验，成功证明了在太空中使用Bun