第11-12讲无线个域网的实现

1、无线网络技术无线网络技术引入问题：问题：个人个人设备无线设备无线组网组网时，都涉及哪些无线技术？时，都涉及哪些无线技术？ 传输速率、距离、应用领域传输速率、距离、应用领域& 这些个域网技术都有哪些差异，根据这这些个域网技术都有哪些差异，根据这些差异可以分为哪几类？些差异可以分为哪几类？ 蓝牙蓝牙，无线，无线USBUSB，Zigbee,Zigbee,近场通信近场通信无线网络技术无线网络技术第第10章章 WPAN标准标准&10.1 前言&10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.3 无线USB&10.4 ZigBee(IEEE 802.15.4)&

2、amp;10.5 IrDA&10.6 近场通信无线网络技术无线网络技术&无线个域网(Wireless Personal Area Network, WPAN)是为人们在个人工作空间实现设备之间无线互联的技术，通常在110 m距离内。Z无线个域网的目标：实现这种互联，并且提供无线个域网的目标：实现这种互联，并且提供更灵活、更具移动性及更自由的连接以摆脱电更灵活、更具移动性及更自由的连接以摆脱电缆的束缚。缆的束缚。&WPAN标准由IEEE 802.15工作组（1999年成立）开发。无线网络技术无线网络技术标准标准描述描述应用应用IEEE 802.15.1IEEE 802.1

3、5.1最初的最初的2.4 G2.4 GHz Hz FHSSFHSS规范。规范。20022002年发布年发布蓝牙蓝牙IEEE 802.15.2IEEE 802.15.2推荐的实践可使推荐的实践可使IEEE 802.15 WPANIEEE 802.15 WPAN和和IEEE 802.11WLANIEEE 802.11WLAN共存。共存。20032003年发布年发布IEEE IEEE 802.15.3a802.15.3a高速率的高速率的WPANWPAN，物理层使用，物理层使用DS-DS-UWBUWB和正在讨论中的和正在讨论中的OFDMOFDM技术，草案于技术，草案于20032003年发布。被年发布。

4、被MBOAMBOA和无线和无线USBUSB超过。超过。工作组在工作组在20062006年年1 1月解散月解散IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4低速率低速率WPANWPAN。DSSSDSSS 2.4 GHz2.4 GHz，915915和和868 M868 MHzHz。20032003年年发布发布ZigBeeZigBeeIEEE IEEE 802.15.4a802.15.4a该工作组主要是来发展可选择的物理层技术，有两种该工作组主要是来发展可选择的物理层技术，有两种正在考虑中的可选物理层规范，正在考虑中的可选物理层规范，UWBUWB脉冲无线电和工作脉冲无线电和工作于于2.4 GH

5、z ISM2.4 GHz ISM波段的扫频扩频波段的扫频扩频IEEE 802.15 WPAN标准和任务组标准和任务组 无线网络技术无线网络技术第第10章章 WPAN标准标准&10.1 前言&10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.3 无线USB&10.4 ZigBee(IEEE 802.15.4)&10.5 IrDA&10.6 近场通信无线网络技术无线网络技术10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.2.1 起源及其主要特征&10.2.2 协议栈&10.2.3 蓝牙无线通信&10.2.4 基带

6、层&10.2.5 高层协议&10.2.6 蓝牙的实际应用&10.2.7 蓝牙的发展现状和展望无线网络技术无线网络技术10.2.1 起源及其主要特征&蓝牙的起源Z1994年，爱立信公司开始进行移动电话及其附件间无年，爱立信公司开始进行移动电话及其附件间无线连接的研究。线连接的研究。Z1998年，由爱立信、年，由爱立信、IBM、诺基亚和东芝等公司成立、诺基亚和东芝等公司成立蓝牙特殊利益集团蓝牙特殊利益集团(Special Interest Group, SIG)后，后，无线无线连接的概念开始从移动电话，扩展到连接的概念开始从移动电话，扩展到PC和其他设和其他设备的连

7、接。备的连接。Z1999年，年，IEEE 802.15工作组成立工作组成立用于用于开发开发WPAN标准，标准，蓝牙蓝牙SIG成为唯一响应成为唯一响应802.15的组织，蓝牙和的组织，蓝牙和IEEE802.15.1不久后成了同一个概念。不久后成了同一个概念。无线网络技术无线网络技术&蓝牙的主要特征：Z蓝牙蓝牙1.1版本是版本是PAN标准：标准：&它工作于2.4 GHz ISM频段&物理层数据速率达到1 Mbps&具有有效的非对称的721/56 kbps的传输速率或432 kbps的全双工通信。Z2004年年11月份发布了蓝牙月份发布了蓝牙2.0版本：版本：&

8、;该版本引入了增强数据速率(EDR)，使得物理层数据速率达到1、2或3 Mbps。10.2.1 起源及其主要特征无线网络技术无线网络技术&蓝牙的主要特征：Z在一个微微网（在一个微微网（pic网）中，蓝牙网）中，蓝牙PAN最多可支持最多可支持8个蓝个蓝牙设备，其中一个作为主设备，其他七个设备作为从设牙设备，其中一个作为主设备，其他七个设备作为从设备。备。&一个蓝牙设备既可以成为一个微微网中的主设备又可以成为另一个主设备的从设备，因此微微网可以通过共享公共的设备链接形成分散式网络。&每个设备管理微微网的720 kbps容量；&一个分散式网络因为由多个主控设备控制可以

9、达到更高的分布式数据容量。10.2.1 起源及其主要特征无线网络技术无线网络技术蓝牙系统中的皮可网和扩散网MMSSPSSSSSP皮可网皮可网 2扩散网皮可网皮可网 1M 主设备S 从设备P 搁置的设备无线网络技术无线网络技术应用模型应用模型描述描述PANPAN在在ad-hocad-hoc微微网中启用一般的微微网中启用一般的IPIP网络（包括安全）网络（包括安全）。同步模型同步模型在设备之间启用个人信息的交换，如日历表和地址簿数在设备之间启用个人信息的交换，如日历表和地址簿数据。据。基本打印模型基本打印模型启用从设备到打印机之间的简单打印：启用从设备到打印机之间的简单打印：启用蓝牙的打印机能够解

10、码数据并发送至产生打印要求启用蓝牙的打印机能够解码数据并发送至产生打印要求格式，因此发送设备不需要打印驱动。格式，因此发送设备不需要打印驱动。文件传输模型文件传输模型启用一个设备执行另一个设备的文件系统的文件管理操启用一个设备执行另一个设备的文件系统的文件管理操作，包括传输、创建、删除文件或文件夹。作，包括传输、创建、删除文件或文件夹。主要蓝牙框架主要蓝牙框架 无线网络技术无线网络技术应用模型应用模型描述描述耳机模型耳机模型启用音频数据在设备之间的传输，如启用音频数据在设备之间的传输，如PDAPDA或移动电话与无或移动电话与无线耳机之间线耳机之间。拨号网络模型拨号网络模型启用启用PDAPDA或

11、其他设备与网络之间的拨号网络链接或其他设备与网络之间的拨号网络链接。LANLAN接入模型接入模型启用设备接入网络资源的能力，如通过点对点协议启用设备接入网络资源的能力，如通过点对点协议(PPP)(PPP)连接连接LANLAN中的另一个设备的存储器或打印机中的另一个设备的存储器或打印机。主要蓝牙框架（续）主要蓝牙框架（续） 无线网络技术无线网络技术10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.2.1 起源及其主要特征&10.2.2 协议栈&10.2.3 蓝牙无线通信&10.2.4 基带层&10.2.5 高层协议&10.2.6 蓝牙的实际应用&

12、amp;10.2.7 蓝牙的发展现状和展望无线网络技术无线网络技术10.2.2 协议栈协议栈应用应用蓝牙主机蓝牙主机协议栈协议栈（软件）（软件）逻辑链路控制和适配协议（逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）主机控制器接口（主机控制器接口（HCI）主机控制器接口固件（主机控制器接口固件（HCI）链路管理协议（链路管理协议（LMP）基带基带/链路控制（链路控制（LC）蓝牙无线电（蓝牙无线电（PHY）音频音频蓝牙主机蓝牙主机控制器控制器（固件和（固件和硬件）硬件）无线网络技术无线网络技术10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.2.1 起源及其主要特征&10.2.2 协议栈&

13、amp;10.2.3 蓝牙无线通信&10.2.4 基带层(自学)&10.2.5 高层协议（自学）&10.2.6 蓝牙的实际应用&10.2.7 蓝牙的发展现状和展望无线网络技术无线网络技术10.2.3 蓝牙无线通信&在物理层：Z802.15.1中规定了每秒跳中规定了每秒跳1600次的跳频扩频系统，在次的跳频扩频系统，在2.402.48 GHz ISM频段之间有频段之间有79个信道。个信道。Z跳频模式跳频模式由由主设备的主设备的 48比特比特 MAC地址地址控制。控制。&在一些国家，为了遵守本国的使用规定，跳频模式减少到只覆盖23个信道。级别级别最大

14、最大RFRF功率功率范围（范围（m m）1 1100 mW(20 dBm)100 mW(20 dBm)0 01001002 22.5 mW(4 dBm)2.5 mW(4 dBm)0 010103 31.0 mW(0 dBm)1.0 mW(0 dBm)0.10.11 1 蓝牙蓝牙RF发射功率级别发射功率级别 无线网络技术无线网络技术&对于第1级设备：Z必须强制性的要求其具有功率控制能力（第必须强制性的要求其具有功率控制能力（第2，3级功率控制级功率控制则是可选的）则是可选的）Z为了降低干扰，要求发射设备具有动态调整发射功率的能力。为了降低干扰，要求发射设备具有动态调整发射功率的能力。&a

15、mp;有助于降低功耗，增加便携设备的电池寿命。&功率控制：是通过接收信号强度指示器(RSSI)实现。ZRSSI判别接收信号是否在定义的判别接收信号是否在定义的“黄金接收功率范围黄金接收功率范围”内，内，该范围一般是该范围一般是620 dB，高于接收机的灵敏度基准。，高于接收机的灵敏度基准。&如果接收功率在这个范围以外，接收机发送链路管理协议(LMP)指令给发射机，使其调整发射功率。无线网络技术无线网络技术10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.2.1 起源及其主要特征&10.2.2 协议栈&10.2.3 蓝牙无线通信&10.2.4 基

16、带层（自学）&10.2.5 高层协议（自学）&10.2.6 蓝牙的实际应用&10.2.7 蓝牙的发展现状和展望无线网络技术无线网络技术10.2.4 基带层&蓝牙基带层在物理层之上：Z管理管理物理信道和链路，物理信道和链路，包括包括 ：&蓝牙设备的发现；&链路连接与管理；&功率控制。&蓝牙基带定义了13种分组类型：Z其中其中4 4种：专门用做传输高质量的语音和语音种：专门用做传输高质量的语音和语音+ +数据。数据。Z每个分组包括：每个分组包括：&一个6872比特的接入码：接入码用在蓝牙设备发现期间以及接入到微微网时。&

17、;一个54比特的分组头：分组头携带了从设备的地址以及分组的确认、编号和检错等信息。&最高2745比特的有效载荷。无线网络技术无线网络技术10.2.4 基带层&通过查询程序和寻呼程序，基带控制设备发现过程。Z查询程序：能使得蓝牙设备发现一定范围内的其他设备，查询程序：能使得蓝牙设备发现一定范围内的其他设备，并判断它们的地址和时钟偏移量；并判断它们的地址和时钟偏移量；Z寻呼程序：使得主从设备之间建立连接，并将从设备的寻呼程序：使得主从设备之间建立连接，并将从设备的时钟与主设备同步。时钟与主设备同步。Z一旦建立连接，蓝牙设备将处于以下四种状态中的一种一旦建立连接，蓝牙设备将处于以下四

18、种状态中的一种（表（表10.4给出了简要描述）：给出了简要描述）：&激活&呼吸&保持及休眠（为了降低功耗）。无线网络技术无线网络技术状态状态描述描述激活激活激活状态的设备激活状态的设备参与参与信道信道通信通信。u激活状态的主设备：规划传输过程，包括规律性发送指令使从激活状态的主设备：规划传输过程，包括规律性发送指令使从设备保持同步。设备保持同步。u激活的从设备：在激活的从设备：在ACLACL时隙内监听数据包。激活的从设备如果时隙内监听数据包。激活的从设备如果未被寻址到，则休眠直到下一次未被寻址到，则休眠直到下一次ACLACL传输传输呼吸呼吸设备在呼吸状态时，以一种降低的

19、速率设备在呼吸状态时，以一种降低的速率监听传输监听传输以节省能量。以节省能量。u这个非激活状态的时间长短是可编程控制的，同时信赖特定的这个非激活状态的时间长短是可编程控制的，同时信赖特定的设备类型及应用设备类型及应用表10.4 蓝牙连接状态无线网络技术无线网络技术状态状态描述描述保持保持在从设备的请求下或主设备的指示下，数据传输可以进入保持在从设备的请求下或主设备的指示下，数据传输可以进入保持的节能状态。的节能状态。u在保持状态，从设备只有在保持状态，从设备只有内部定时器内部定时器仍旧工作。当从设备重新仍旧工作。当从设备重新进入到激活状态时，数据传输将会很快恢复进入到激活状态时，数据传输将会很

20、快恢复休眠休眠设备处于休眠状态时仍然保持设备处于休眠状态时仍然保持同步同步，但并不参与微微网通信。，但并不参与微微网通信。进入该状态后从设备放弃进入该状态后从设备放弃3 3比特的活动成员设备地址。比特的活动成员设备地址。u休眠的设备：周期性地醒来监听传输信道，以便进行重同步和休眠的设备：周期性地醒来监听传输信道，以便进行重同步和检测其他的广播信息检测其他的广播信息表10.4 蓝牙连接状态无线网络技术无线网络技术10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.2.1 起源及其主要特征&10.2.2 协议栈&10.2.3 蓝牙无线通信&10.2.4 基带层（自学

21、）&10.2.5 高层协议（自学）&10.2.6 蓝牙的实际应用&10.2.7 蓝牙的发展现状和展望无线网络技术无线网络技术10.2.5 高层协议高层协议&10.2.5.1 链路管理器协议&10.2.5.2 主机控制接口&10.2.5.3 逻辑链路控制与适配协议(L2CAP)&10.2.5.4 RFCOMM&10.2.5.5 SDP无线网络技术无线网络技术10.2.5.1 链路管理器协议&链路管理器协议链路管理器协议(LMP)(LMP)：用来：用来建立和管理基带连建立和管理基带连接接，包括：，包括：Z链路配置链路配置；Z认

22、证认证；Z功率管理功能。功率管理功能。&这些功能：通过两个已配对设备的链路管理器之这些功能：通过两个已配对设备的链路管理器之间交换协议数据单元间交换协议数据单元(PDU)(PDU)来实现。来实现。&协议数据单元包括：协议数据单元包括：Z配对控制、认证、初始化呼吸、保持和休眠模式、功率配对控制、认证、初始化呼吸、保持和休眠模式、功率增加或降低请求，首选的分组编码的选择以及优化的数增加或降低请求，首选的分组编码的选择以及优化的数据吞吐量的大小。据吞吐量的大小。无线网络技术无线网络技术10.2.5.2 主机控制接口&主机控制接口(Host Controller Interfa

23、ce, HCI):为链路管理器和基带层提供了统一的命令接口，允许在两个硬件之间划分协议栈:Z例如例如: :一个处理器主机高层软件和一个蓝牙模块。一个处理器主机高层软件和一个蓝牙模块。&主设备:执行高层协议软件的功能；&蓝牙模块:主要是完成LMP、基带层及物理层的功能。Z这两部分通过主机控制器传输层连接，可以是这两部分通过主机控制器传输层连接，可以是UARTUART、RS232RS232或或USBUSB接口。接口。 无线网络技术无线网络技术10.2.5.3 逻辑链路控制与适配协议&逻辑链路控制与适配协议 (L2CAP) :Z能够能够产生产生高层协议与基带协议之间的高层协议

24、与基带协议之间的逻辑连接逻辑连接; ;Z它给信道的每个端点它给信道的每个端点分配信道标识符分配信道标识符(Channel (Channel Identifier, CID)Identifier, CID)。ZL2CAPL2CAP也为高层协议也为高层协议管理管理数据的数据的分段与重组分段与重组，高层协议，高层协议数据包要大于数据包要大于341341字节的基带最大传输单元字节的基带最大传输单元(MTU)(MTU)。&连接建立的过程包括:Z设备之间期望的设备之间期望的QoSQoS信息交换。信息交换。ZL2CAPL2CAP监控资源的使用来确保达到监控资源的使用来确保达到QoSQoS要求。要求。

25、无线网络技术无线网络技术10.2.5.4 RFCOMM&蓝牙RFCOMM协议:基于ETSI TS 07.10标准的子集，在L2CAP协议层之上为电缆替代应用提供串口仿真。ZRFCOMMRFCOMM将串行的比特流将串行的比特流组装组装成字节和数据分组，提供可成字节和数据分组，提供可靠的排序的串行比特流传输靠的排序的串行比特流传输; ;Z使用请求发送使用请求发送/ /清除发送清除发送(RTS/CTS)(RTS/CTS)和数据终端准备就绪和数据终端准备就绪/ /数据设置准备就绪数据设置准备就绪(Data Terminal Ready/Data Set (Data Terminal Ready

26、/Data Set Ready, DTR/DSR)Ready, DTR/DSR)控制信号控制信号。无线网络技术无线网络技术10.2.5.4 RFCOMM&应用到RFCOMM中的ETSI的标准的一个修改:是基于信誉的流量控制机制。Z该机制：限制帧的传输速率来保证接收设备的输入缓冲该机制：限制帧的传输速率来保证接收设备的输入缓冲区不会溢出。区不会溢出。&如果一个连接的信誉计数到0，RFCOMM将停止并等待直到它从接收设备中得到更多的信誉量，表明输入缓冲区能够接收数据。无线网络技术无线网络技术10.2.5.5 SDP&服务发现协议(SDP，Service Discovery

27、Protocol)：Z在微微网中用来在微微网中用来发现发现蓝牙设备中的蓝牙设备中的可用服务可用服务，并确定这，并确定这些可用服务的些可用服务的属性属性。&服务发现：可以通过请求/响应模式来完成。Z一个应用在特定的一个应用在特定的L2CAPL2CAP连接上，针对可用的服务发出连接上，针对可用的服务发出协议数据单元请求信息；协议数据单元请求信息；Z然后等待目标设备的响应。然后等待目标设备的响应。&服务发现：Z可以针对可以针对特定要求的服务特定要求的服务通过搜索、请求信息来实现；通过搜索、请求信息来实现；Z也可以针对也可以针对所有的可用服务所有的可用服务中通过浏览、请求信息来实中通过

28、浏览、请求信息来实现。现。无线网络技术无线网络技术10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.2.1 起源及其主要特征&10.2.2 协议栈&10.2.3 蓝牙无线通信&10.2.4 基带层&10.2.5 高层协议&10.2.6 蓝牙的实际应用&10.2.7 蓝牙的发展现状和展望无线网络技术无线网络技术10.2.6 蓝牙的实际应用&移动电话和免提耳机之间的无线控制和通信。&电脑与输入输出设备间的无线连接，常见的有鼠标、键盘、打印机。&移动电话与兼容蓝牙的汽车音响系统之间的无线控制和通信。&在可进行对

29、象交换的设备之间传输文件、详细通讯录信息、日历安排、备忘录等。&健康传感器数据从医疗设备向移动电话、机顶盒或特定的远距离卫生设备进行短距离传输。&智能手机上防止物品丢失或遭窃的个人保安应用。无线网络技术无线网络技术10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.2.1 起源及其主要特征&10.2.2 协议栈&10.2.3 蓝牙无线通信&10.2.4 基带层&10.2.5 高层协议&10.2.6 蓝牙的实际应用&10.2.7 蓝牙的发展现状和展望无线网络技术无线网络技术10.2.7 蓝牙的发展现状和展望蓝牙的发展现状和展

30、望&蓝牙3.0 + HS版本：Z是蓝牙技术联盟是蓝牙技术联盟20092009年年4 4月月2121日推出的。日推出的。Z蓝牙蓝牙3.0+HS3.0+HS的传输速率理论上可高达的传输速率理论上可高达24 Mbit/s24 Mbit/s。u蓝牙用于协商和建立链接，高速的数据传输并非是通过蓝牙链接本身实现，而是由相同位置的802.11链接完成的。无线网络技术无线网络技术10.2.7 蓝牙的发展现状和展望蓝牙的发展现状和展望&蓝牙4.0(2010年):Z包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。牙低功耗技术。Z蓝牙蓝牙

31、4.04.0的改进之处主要体现在：的改进之处主要体现在：&电池续航时间和节能：使用标准纽扣电池可运行一电池续航时间和节能：使用标准纽扣电池可运行一年乃至数年年乃至数年&有效传输距离：最大范围可超过有效传输距离：最大范围可超过100100米。米。&健壮性：所有数据包都使用健壮性：所有数据包都使用24-bitCRC24-bitCRC校验，确保校验，确保最大程度抵御干扰。最大程度抵御干扰。&安全：使用安全：使用AES-128 CCMAES-128 CCM加密算法进行数据包加密加密算法进行数据包加密和认证。和认证。&延迟：最短可在延迟：最短可在3 3毫秒内完成连

32、接设置并开始传输毫秒内完成连接设置并开始传输数据。数据。无线网络技术无线网络技术10.2.7 蓝牙的发展现状和展望蓝牙的发展现状和展望&蓝牙4.2发布于2014年12月2日：Z实现物联网：实现物联网：&将将IPv6IPv6协议引入蓝牙标准，蓝牙协议引入蓝牙标准，蓝牙4.24.2设备可以直接通设备可以直接通过过IPv6IPv6和和6LoWPAN6LoWPAN接入互联网，且支持低功耗接入互联网，且支持低功耗IPIP连接。连接。Z安全性更高：安全性更高：&如果没有得到用户许可，蓝牙信号将无法尝试连接和如果没有得到用户许可，蓝牙信号将无法尝试连接和追踪用户设备，并且无法进行智能

33、定位。追踪用户设备，并且无法进行智能定位。Z速度更快：速度更快：&吞吐量速度（提升吞吐量速度（提升2.52.5倍）和封包容量提升（倍）和封包容量提升（1010倍）。倍）。无线网络技术无线网络技术蓝牙应用：微信摇一摇周边&“摇一摇周边”：是微信提供的一种新的基于位置的连接方式。& 用户通过“摇一摇”的“周边”页卡，可以与线下商户进行互动，获得商户提供的个性化的服务。&商户申请该功能后，需要在门店自主铺设支持iBeacon协议的蓝牙硬件，并在商户后台设置硬件和对应服务的关联。Z已经通过已经通过“微信认证微信认证”的服务号或者订阅号；的服务号或者订阅号；Z已经开通已经

34、开通“门店管理门店管理”，并且已开通至少一家门店。，并且已开通至少一家门店。无线网络技术无线网络技术蓝牙应用：微信摇一摇周边&iBeacon是物联网中的诸多传感器之一，它是苹果公司结合蓝牙超低功耗无线技术（Bluetooth Low Energy，BLE，即蓝牙4.0）所开发的一套开放性协议。Z2013年起，绝大部分智能机开始搭载支持年起，绝大部分智能机开始搭载支持BLE的蓝牙的蓝牙模块。模块。&基本原理：Z当建立起一个当建立起一个iBean基站后，基站后，iBeacon通过通过BLE技术发技术发射广播信号，在射广播信号，在iBeacon基站附近可以创建一个信号区基站附近可以创

35、建一个信号区域。域。Z当接收设备（智能手机、平板电脑等移动终端）进入该当接收设备（智能手机、平板电脑等移动终端）进入该区域时，通过能够安置在任何物体中的区域时，通过能够安置在任何物体中的iBeacon低功耗低功耗蓝牙基站，用户便能使用具有蓝牙基站，用户便能使用具有iBeacon功能的移动设备功能的移动设备与应用方进行互动。与应用方进行互动。无线网络技术无线网络技术蓝牙应用：微信摇一摇周边&基于iBeacon可以实现的功能有：Z基于用户当前所在位置的优惠或信息推送。精度能达到基于用户当前所在位置的优惠或信息推送。精度能达到0.5m；Z室内定位和引导。比室内定位和引导。比GPS更精准，且可

36、以应用在室内更精准，且可以应用在室内等等GPS无法发挥作用的场馆；无法发挥作用的场馆；Z智能互动。提升和用户的互动体验；智能互动。提升和用户的互动体验；Z精准营销大数据分析。精准营销大数据分析。无线网络技术无线网络技术第第10章章 WPAN标准标准&10.1 前言&10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.3 无线USB&10.4 ZigBee(IEEE 802.15.4)&10.5 IrDA&10.6 近场通信无线网络技术无线网络技术10.3 无线无线USB&10.3.1 起源和主要特征&10.3.2 协议栈&

37、10.3.3 WUSB无线技术&10.3.4 媒体接入控制层&10.3.5 无线USB信道&10.3.6 无线USB的应用&10.3.7 现状和未来发展无线网络技术无线网络技术10.3.1 起源和主要特征&无线无线USBUSB的起源：的起源：Z无线无线USBUSB是是USBUSB实现者论坛推动的结果，为了促进无线实现者论坛推动的结果，为了促进无线USBUSB的发展，无线的发展，无线USBUSB推广组于推广组于20042004年年2 2月成立。目的是月成立。目的是将已经很成功的将已经很成功的有线有线USBUSB接口接口推进到无线领域。推进到无线领域。 Z无

38、线无线USBUSB设计的核心：设计的核心：&保持与有线USB之间强大的连接功能。Z无线无线USBUSB设计的目标是设计的目标是：&将USB的简单易用、兼容性好以及低成本的原理应用到高速的无线技术。&使得无线USB(Wireless USB, WUSB)能在WPAN中处于领先地位。无线网络技术无线网络技术设计目标设计目标描述描述保持保持USB软件架构软件架构无线无线USB设计成与有线设计成与有线USB使用使用相同相同的的软件接软件接口和设备驱动程序口和设备驱动程序。保持智能主机简单设备保持智能主机简单设备模式模式与与USB设备一样，无线设备一样，无线USB保持保持设备简单

39、性设备简单性，将网络复杂性管理交给主机来处理将网络复杂性管理交给主机来处理。启用电源有效性启用电源有效性许多设备是通过有线的许多设备是通过有线的USB连接来获得电源的，连接来获得电源的，在无线在无线USB情况下将变成情况下将变成电池供电电池供电；要求具有有效电源要求具有有效电源管理管理机制机制。提供与有线提供与有线USB相同的相同的安全性安全性设备认证和数据加密设备认证和数据加密的目的：是提供与有线的目的：是提供与有线USB同样等级的安全性同样等级的安全性。简单易用简单易用即插即用：是使用者对即插即用：是使用者对USB设备的期望，而无设备的期望，而无线线USB的设计中继承了这个传统的设计中继承

40、了这个传统。保留保留USB兼容性兼容性无线无线USB定义了一种特定的设备类别（有线适定义了一种特定的设备类别（有线适配器）：允许有线配器）：允许有线USB设备或主机支持无线设备或主机支持无线USB设备设备。无线无线USB设计目标设计目标无线网络技术无线网络技术&无线无线USBUSB的特征：的特征：ZWUSBWUSB（无线（无线U US SB B）规范的）规范的1.01.0版本在版本在20052005年年5 5月发行：月发行：&使用超宽带(UWB)无线通信技术，使物理层数据速率达到了480 Mbps（3m内）；3-10米内 110Mb/s ；&功耗低；&传输范围可

41、达10 m。Z无线无线UWBUWB的应用：的应用：&向多媒体消费者电子设备传输较好的视频数据；&提供与PC外围设备和其他移动设备之间的高速连接。无线网络技术无线网络技术&无线无线USBUSB的特征：的特征： ZWUSBWUSB设备：通过基于设备：通过基于媒体接入协议媒体接入协议的主机安排的主机安排TDMATDMA方方式共享带宽。式共享带宽。&使用集线器和星形拓扑结构，每个主机支持最多127个设备；&与有线USB一样，需要设计出系统软件来处理任何时候设备与主机之间的连接或断开。&“双重”身份的设备：同样能够被定义启用点对点的连接。无线网络技术无线网

42、络技术&无线USB的一个设计目标：Z保持有线保持有线USB“即插即用即插即用”的快捷方便的功能。的快捷方便的功能。Z无线概念中的无线概念中的“开机即用开机即用”。&要求无线USB设备在第一次使用时，能够自动地安装驱动和安全特性，同时能够以最小的用户输入认证来识别并和其他设备连接。&无线USB的功能：Z使用使用星形星形拓扑结构能让一个主机可以控制多达拓扑结构能让一个主机可以控制多达127个终个终端设备；端设备；Z允许具有允许具有双重角色设备双重角色设备(Dual Role Device, DRD)的功的功能，即同时具有能，即同时具有主机和设备主机和设备的功能。的功能。无线

43、网络技术无线网络技术10.3 无线无线USB&10.3.1 起源和主要特征&10.3.2 协议栈（了解）&10.3.3 WUSB无线技术&10.3.4 媒体接入控制层（自学）&10.3.5 无线USB信道（自学）&10.3.6 无线USB的应用&10.3.7 现状和未来发展无线网络技术无线网络技术10.3.2 协议栈无线无线USB协议栈协议栈 介质访问控制器（介质访问控制器（UWB MAC）无线无线USB驱动驱动主机控制器接口主机控制器接口IP网络网络无线无线1394其他在其他在USB无线电上运行无线电上运行的技术的技术汇聚层汇聚层应用应

44、用超宽带无线电（超宽带无线电（UWB PHY）UWB无线电无线电平台平台介质访问控制器（介质访问控制器（UWB MAC）无线无线USB驱动驱动主机控制器接口主机控制器接口IP网络网络无线无线1394其他在其他在USB无线电上运行无线电上运行的技术的技术汇聚层汇聚层应用应用超宽带无线电（超宽带无线电（UWB PHY）UWB无线电无线电平台平台& 无线USB协议栈的基础：是由MBOA-SIG开发的PHY层和MAC层规范。& 自从2005年3月MBOA-SIG和WiMedia联盟合并以后，这些规范被最后确定，并由WiMedia-MBOA联盟继续发展。无线网络技术无线网络技术10.3

45、无线无线USB&10.3.1 起源和主要特征&10.3.2 协议栈&10.3.3 WUSB无线技术&10.3.4 媒体接入控制层&10.3.5 无线USB信道&10.3.6 无线USB的应用&10.3.7 现状和未来发展无线网络技术无线网络技术10.3.3 WUSB无线技术无线技术&W WUSBUSB物理层物理层：应用了：应用了MB-OFDMMB-OFDM联盟联盟(MBOA)(MBOA)的的UWBUWB无线无线技术，工作在技术，工作在3.13.110.06 GHz10.06 GHz的频段上。的频段上。Z支持无线支持无线USBUSB

46、设备上强制使用的设备上强制使用的53.5 Mbps, 106.7 Mbps53.5 Mbps, 106.7 Mbps和和200 Mbps200 Mbps数据速率；数据速率；Z附加的高达附加的高达480 Mbps480 Mbps的数据速率在设备上是可选项，而的数据速率在设备上是可选项，而在主机上是强制使用的。在主机上是强制使用的。&支持所有的无线支持所有的无线USBUSB设备设备: :强制使用的强制使用的1 13 3频段（信频段（信道道1 1，如图，如图10.410.4），支持可选的其他频段组。），支持可选的其他频段组。&必须支持每个频段组的所有时频码必须支持每个频段组的所有时频

47、码(TFC)(TFC)。无线网络技术无线网络技术10.3.3 WUSB无线技术无线技术信道信道2信道信道4信道信道5信道信道3频段频段频段频段 频段频段频段频段频频段段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段频段信道信道1528MHz宽带宽带无线无线USB MBOA频段频段无线网络技术无线网络技术10.3 无线无线USB&10.3.1 起源和主要特征&10.3.2 协议栈&10.3.3 WUSB无线技术&10.3.4 媒体接入控制层（自学）&10.3.5 无线USB信道（自学）&10.3.6 无线USB的应用&

48、10.3.7 现状和未来发展无线网络技术无线网络技术10.3.4 媒体接入控制层设计特性设计特性描述描述分布式网络控制分布式网络控制在在MAC层，层，媒体控制媒体控制由由所有设备共同负责所有设备共同负责，减少了单，减少了单点失败带来的弱点，消除了维持中心控制的带宽浪费点失败带来的弱点，消除了维持中心控制的带宽浪费优先接入机制优先接入机制TDMA系统系统允许设备预留保证媒体接入的时隙，或者允许设备预留保证媒体接入的时隙，或者在优先竞争期间竞争接入在优先竞争期间竞争接入高效的网络管理高效的网络管理带宽负载与带宽负载与MAC协议规模及设备数量有关，使用少量协议规模及设备数量有关，使用少量设备以使网络

49、负载较低设备以使网络负载较低WiMedia MAC关键设计特性关键设计特性 无线网络技术无线网络技术&在下图所示的超帧结构中定义了在下图所示的超帧结构中定义了MACMAC层时隙。层时隙。Z 每每65 ms65 ms的超帧被划分成的超帧被划分成256256个个媒体接入时隙媒体接入时隙(Media Access (Media Access Slot, Slot, MASMAS) )，每个时隙持续，每个时隙持续256 256 s s。&每个超帧中的前导每个超帧中的前导MASMAS作为信标期作为信标期: :Z 在在信标期信标期: :设备根据他们的能力和资源设备根据他们的能力和资源请求和

50、主机交换信息请求和主机交换信息。Z 在信标期在信标期: :设备可以使用分配预留协议设备可以使用分配预留协议(Distributed (Distributed Reservation Protocol, DRP)Reservation Protocol, DRP), ,预留预留一个或多个媒体一个或多个媒体接入时隙接入时隙。使得应用时可以保证与数据流同步的媒体接入。使得应用时可以保证与数据流同步的媒体接入。65ms超帧超帧N-1N-1超帧超帧N N超帧超帧N+1N+1信标期间信标期间介质访问时隙（介质访问时隙（MASMAS）256微秒WiMedia MAC层的超帧结构无线网络技术无线网络技术10.

51、3.5 无线无线USB信道信道&WUSB规范定义:Z无线无线USBUSB信道的信道的超帧结构超帧结构; ;Z超帧结构中相关的超帧结构中相关的MASMAS预留预留; ;Z控制机制中建立的方法控制机制中建立的方法。&无线USB信道的产生方法：Z主机通过主机通过DRPDRP预留媒体接入时间的时隙预留媒体接入时间的时隙。Z这样的时隙可以被集群中的所有设备用来通信。这样的时隙可以被集群中的所有设备用来通信。&主机使用一个被称为微调度管理指令(Micro-Scheduled Management Command, MMC)的控制包序列来控制信道，MMC在预留的媒体接入时隙中发送。&

52、amp;这些命令用来为集群中主机和设备之间的通信，动态地规划及控制信道时间。无线网络技术无线网络技术10.3 无线无线USB&10.3.1 起源和主要特征&10.3.2 协议栈&10.3.3 WUSB无线技术&10.3.4 媒体接入控制层&10.3.5 无线USB信道&10.3.6 无线USB的应用&10.3.7 现状和未来发展无线网络技术无线网络技术10.3.5 无线无线USB信道信道&MMC（微调度管理指令）：是一个包含集群ID的广播数据包，使得设备能够识别其所属集群的控制包。Z每一个每一个MMCMMC规定了直到下一个规定了直

53、到下一个MMCMMC时，预留时间的微调度时，预留时间的微调度信道时间分配信道时间分配(MS-CTA)(MS-CTA)的分类。的分类。Z在前一个在前一个MMCMMC规定的每个规定的每个MS-CTAMS-CTA的指导和应用下，这些的指导和应用下，这些分配可以用来在集群中进行数据通信。分配可以用来在集群中进行数据通信。无线网络技术无线网络技术超帧N-1超帧N超帧N+1DRP信息预留的MAS下一个MMC下一个MMC下一个MMC处理组1处理组3处理组2图10.6 MAC层超帧中的无线USB信道无线网络技术无线网络技术设备类型描述独立的信标设备这些设备完全符合MAC协议，能完成所有的相关的信标受主机引导的

54、信标设备在无线USB主机设备的引导下，这些设备可以完成信标和其他的MAC功能非信标设备这些设备降低了传输功率和接收机的灵敏度，且只能够在接近主机时工作表表10.11 10.11 无线无线USBUSB设备类型设备类型无线网络技术无线网络技术& 受主机引导的信标设备要具备以下性能：Z1.捕获集群外设备发送的控制协议信息；能够检查覆盖捕获集群外设备发送的控制协议信息；能够检查覆盖范围外的范围外的Wimedia MAC设备是否出现。设备是否出现。Z2.能通过能通过WUSB信道将信息传回主机。信道将信息传回主机。无线网络技术无线网络技术& 受主机引导的信标设备要具备这些性能，必须支持以下

55、三个功能：Z1.数据包数据包计数计数功能：功能：&在信标周期内，通过周期地计算数据包数目，主机能够确认一个受引导的信标设备是否有隐藏邻点。Z2.数据包数据包捕获捕获功能：功能：&通过捕获隐藏邻点的信标，主机可以确认DPR预留，如果需要,它会调整自己的预留。Z3.数据包数据包传输传输功能：功能：&在传输数据时，通过提供适当的信标数据和引导受引导信标，主机可以通知当前的隐藏邻点和集群中附近设备的DPR预留。无线网络技术无线网络技术10.3 无线无线USB&10.3.1 起源和主要特征&10.3.2 协议栈&10.3.3 WUSB无线技术&10

56、.3.4 媒体接入控制层&10.3.5 无线USB信道&10.3.6 无线USB的应用&10.3.7 现状和未来发展无线网络技术无线网络技术10.3.6 无线USB的应用&无线USB的功能：Z允许同时具有主机和设备的功能。允许同时具有主机和设备的功能。&使得两个双重角色设备可以通过简单的点到点方式连接，每一个作为主机角色的设备通过公用的MAC层信道来管理单独的无线USB信道（称之为默认反向链接）。&DRD还可以作为设备角色连接到一个或多个无线USB信道，同时作为主机角色为其他设备提供无线USB信道。n例如，无线例如，无线USB打印机对于笔记本电脑

57、来说打印机对于笔记本电脑来说是设备，对于数码相机来说是主机。是设备，对于数码相机来说是主机。无线网络技术无线网络技术10.3 无线无线USB&10.3.1 起源和主要特征&10.3.2 协议栈&10.3.3 WUSB无线技术&10.3.4 媒体接入控制层&10.3.5 无线USB信道&10.3.6 无线USB的应用&10.3.7 现状和未来发展无线网络技术无线网络技术10.3.7 现状和未来发展&尽管无线USB还处于发展的初始阶段，但是，无线USB 很可能很快成为PC外围设备以及其他消费电子设备的无线连接标准。Z 打印机，扫描机，

58、打印机，扫描机，外接硬盘和数码相机等等，都将没有任何的电外接硬盘和数码相机等等，都将没有任何的电线直接连接到你电脑上。线直接连接到你电脑上。&未来最好的选择：蓝牙与WUSB联袂实现完美的UWB连接：Z 蓝牙可以用作高速（如：文件传输）及低速（如：耳机至手机的蓝牙可以用作高速（如：文件传输）及低速（如：耳机至手机的语音信道）传输的应用接口。此外，它还可以用于控制与网络维语音信道）传输的应用接口。此外，它还可以用于控制与网络维护任务。护任务。Z 实现高速传输的最底层实现高速传输的最底层(underlying layer)是是WUSB/UWB组合物组合物理层。利用理层。利用WUSB作为实现基

59、础，根据作为实现基础，根据PAN传输的对端设备具有传输的对端设备具有的功能，高速数据传输可以由的功能，高速数据传输可以由WUSB处理。处理。 无线网络技术无线网络技术第第10章章 WPAN标准标准&10.1 前言&10.2 蓝牙(IEEE 802.15.1)&10.3 无线USB&10.4 ZigBee(IEEE 802.15.4)&10.5 IrDA&10.6 近场通信无线网络技术无线网络技术10.4 ZigBee(IEEE 802.15.4)&10.4.1 起源和主要特征&10.4.2 协议栈&10.4.3 ZigBe

60、e PHY层&10.4.4 媒体接入和链路控制层&10.4.5 ZigBee的实际应用&10.4.6 现状和未来发展无线网络技术无线网络技术10.4.1 起源和主要特征&ZigBee(IEEE802.15.4 )：是基于处理远程监控和控制以及传感器网络需求的技术标准。ZZigBeeZigBee主要用于传输主要用于传输低数据速率低数据速率的通信：的通信：&传输速率最高为250 kbps。Z工作范围：工作范围：&30 m左右；Z具有具有超低的功率损耗超低的功率损耗：&它的目标是提供设备控制信道，而不像无线USB技术是以高速率数据流信道为目的。

61、&ZigBee网络所需功率：一般只相当于蓝牙PAN功率的1%，所以电池寿命可长达数月到数年。无线网络技术无线网络技术10.4.1 起源和主要特征&为了实现超低功率损耗，采取了以下的一些具体为了实现超低功率损耗，采取了以下的一些具体步骤：步骤：Z减少包括报头（地址和其他的头部信息）在内的传输减少包括报头（地址和其他的头部信息）在内的传输数据量；数据量；Z减少收发机的任务周期，包括断电和睡眠模式中的功减少收发机的任务周期，包括断电和睡眠模式中的功率管理机制。率管理机制。无线网络技术无线网络技术&ZigBee定义了两种设备：Z一种是完全功能设备：一种是完全功能设备：&

62、它实现全部的协议栈，能够与节点同步，具备控制器的功能，能与任何拓扑结构的任意类型的设备相连；Z另一种是简化功能的设备：另一种是简化功能的设备：&它实现简化的协议集，在简单的连接拓扑结构中（星形或点到点结构）只能作为端节点从FFD发送/接收信息。无线网络技术无线网络技术&ZigBee技术非常适合于无线监控和控制应用：目标成本（15美元）非常低：Z个人住宅和商业楼的自动化（智能家居）以及工业生个人住宅和商业楼的自动化（智能家居）以及工业生产过程的控制。产过程的控制。Z在家庭应用中，在家庭应用中，ZigBee可以用来建立家庭网络可以用来建立家庭网络(Home Area Network

63、, HAN)，允许在单个控制单元的命令下，允许在单个控制单元的命令下用扩散的非协调远程控制器去控制多个设备。用扩散的非协调远程控制器去控制多个设备。无线网络技术无线网络技术10.4 ZigBee(IEEE 802.15.4)&10.4.1 起源和主要特征&10.4.2 协议栈（了解）&10.4.3 ZigBee PHY层&10.4.4 媒体接入和链路控制层&10.4.5 ZigBee的实际应用&10.4.6 现状和未来发展无线网络技术无线网络技术10.4.2 协议栈协议栈图10.7 ZigBee 协议栈概要 ZigBee应用框架应用支持层（APS）APS安全管理器安全管理器信息格式端点多路复用网络应用层（NWK）NWK安全管理器安全管理器NWK消息代理消息代理路由管理器路由管理器网络管理器网络管理器逻辑链路控制逻辑链路控制逻辑链路控制逻辑链路控制无线网络技术无线网络技术&支持/应用层的