第5讲短距离无线通信技术

1、 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术1物联网工程概论物联网工程概论 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术2 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术3短距离无线通信技术：指作用距离在毫米级到千米级的，局部范围内的无线通信技术。涵盖近场通信（Near Field Communication，NFC，作用距离为厘米级）无线个域网（Wireless Personal Area Networks，WPAN，作用距离10m级）无线局域网（Wireless Local Area Networks

2、，WLAN，作用距离100m级无线传感器网络（ Wireless Sensor Networks，WSN，作用距离为数百米至千米级）。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术4品种繁多，应用范围极广：通信速率：从几Kb/s几Gb/s；(RFID/WPAN)通信模式： 点对点（红外）点对多点（蓝牙）网状（ZigBee）通信介质：红外线(IrDA) 、可见光(VLC)；通信对象：人体（体域网WBAN）车辆（车联网VAN） 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术5p低功耗。便携性和移动性，避免相互干扰。低功耗。便携性和移动性，避

3、免相互干扰。p低成本。消费电子领域，使用量大。低成本。消费电子领域，使用量大。p多在室内环境下应用。多在室内环境下应用。p使用使用ISM频段。通用性和民用性，免许可证。频段。通用性和民用性，免许可证。p电池供电。小型化，移动性。电池供电。小型化，移动性。共性特点基本要求决定因素 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术6WiFi 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术7一般30米通信速率26Kbps（低频）。实现每秒30个对象的识别，对付最大速度为1m/s的运动目标。低频（125kHz）、高频（915MHz）、超高频（2.4

4、5GHz） 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术8“ZigBee”一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳“ZigZag”形舞蹈来相互告知， 达到交换信息目的。一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术，主要用于自动控制领域，满足小型廉价设备的联网和控制。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术9ZigBee是是IEEE802.15.4技术的商业名称，其前技术的商业名称，其前身是身是“HomeRFlite”技术。技术。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术10按

5、照网络覆盖的地理范围分为无线广域网（广域网（WWAN）、）、无线城域网城域网（WMAN）、）、无线局域网（局域网（WLAN）和）和无线个域网（个域网（WPAN） 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术11 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术12 2001年8月，ZigBee Alliance成立。 2004年，ZigBee V1.0诞生。它是Zigbee规范的第一个版本。由于推出仓促，存在一些错误。 2006年，推出ZigBee 2006，比较完善。 2007年底，ZigBee PRO推出。 2009年3月，Zigbe

6、e RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。ZigBee起源：起源： 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术13802.15.4/ZigBee是无线传感网领域最为著名的无线通信协议ZigBee主要定义了网络层以及之上的应用层的规范802.15.4主要定义了短距离通信的物理层以及链路层规范ZigBee基于IEEE 802.15.4标准（802.15.4仅仅定义了物理层和MAC层），由ZigBee联盟在IEEE802.15.4协议上定义了网络层和应用层而形成，用于构建无线个域网和无线传感网络IP地址MAC地址 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离

7、无线通信技术短距离无线通信技术14 物理层数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层比特流传输提供介质访问、链路管理等寻址和路由选择建立主机端到端连接建立、维护和管理会话处理数据格式、数据加密等提供应用程序间通信OSI参考模型IP地址MAC地址 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术15InternetGPRSZigbee协调器Zigbee协调器Zigbee传感节传感节点点Zigbee传感节传感节点点 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术16 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信

8、技术17 路由路由（routing）就是通过互联的网络网络把信息从源地址传输到目的地址的活动。路由发生在OSI网络参考模型中的第三层即网络层。作成硬件的话，则称为路由器。 节点是网络任何支路的终端或网络中两个或更多支路的互连公共点，通信传送网络中的节点，是信号的交叉连接点，是业务分插交汇点，是网络管理系统的切入点，是信号功率的放大点和传输中的数字信号的再生点。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术18低数据速率的WPAN中包括两种无线设备：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。其中，FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之

9、间是无法通信的。RFD的应用相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，成本比较低。在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调器，即PAN协调器，ZigBee中也称作ZigBee协调器。一个ZigBee网络只有一个PAN协调器。通常，PAN协调器是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，它负责建立新的网络、发送网络信标、管理管理网络中的节点以及存储网络信息等。FFD和RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。此外，普通FFD也可以在它的个

10、人操作空间（POS）中充当协调器（路由），但它仍然受PAN协调点的控制。ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术19网络协调器网络协调器 包含所有的网络信息，是三种设备当中最复杂的一种，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、寻找一对节点中的路由信息、不断地接收信息。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术20全功能设备全功能设备 可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是

11、RFD连接，FFD具备控制器的功能，可提供信息的双向传输。 附带由标准的全部802.15.4功能和所有特征。 更多的存储器，计算能力可使其空闲时起网络路由器作用。 也可用作终端设备。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术21精简功能设备精简功能设备 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。 RFD由于省掉了内存和其它电路，降低了部件的成本。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术22星型星型树型树型在星型拓扑结构中，所有的终端设备只和协在星型拓扑结构中

12、，所有的终端设备只和协调器之间进行通信，协调器作为发起设备，调器之间进行通信，协调器作为发起设备，协调器一旦被激活，它就建立一个自己的网协调器一旦被激活，它就建立一个自己的网络，并作为络，并作为PAN协调器。路由设备和终端设协调器。路由设备和终端设备可以选择备可以选择PAN标识符加入网络。标识符加入网络。树型网络由一个协调器和多个星型结构连接树型网络由一个协调器和多个星型结构连接而成，设备除了能与自己的父节点或子节点而成，设备除了能与自己的父节点或子节点互相通信外，其他只能通过网络中的树型路互相通信外，其他只能通过网络中的树型路由完成通信；在树型网络中，由协调器发起由完成通信；在树型网络中，由

13、协调器发起网络，路由器和终端设备加入网络。网络，路由器和终端设备加入网络。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术23拓扑结构拓扑结构网状型网状型网状型网络是在树型网络的基础上实现的。网状型网络是在树型网络的基础上实现的。与树状网络不同的是，它允许网络中所有具与树状网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点互相通信，由路由器中的有路由功能的节点互相通信，由路由器中的路由表完成路由查寻过程路由表完成路由查寻过程 。在网状型网络在网状型网络中，每个设备都可以与在无线通信范围内的中，每个设备都可以与在无线通信范围内的其他任何设备进行通信。其他任何设备进行通信

14、。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术24 星形结构整个网络由一个网络协调器来控制，是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络。 网状结构是一种高可靠性监测网络，协调器负责启动网络以及选择关键的网络参数。 簇树结构是星形和网状形的混合型拓扑网络，结合了两种拓扑结构的优点。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术25ZigBee网络设备比较网络设备比较 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术26 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术27物理层访问接口

15、物理层访问接口 物理层数据服务物理层数据服务访问接口，简称访问接口，简称PD-SAP，PD-SAP负责物理层负责物理层和和MAC层之间提层之间提供数据服务。供数据服务。 物理层管理服务访问物理层管理服务访问接口，简称接口，简称PLME-SAP，PLME-SAP除除了负责在物理层和了负责在物理层和MAC层之间传输管理层之间传输管理服务之外，还负责维服务之外，还负责维护物理层护物理层PAN信息库；信息库；物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC层到物理层的无线信道接口。 zigbee物理层结构模型 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术28 IEEE 80

16、2.15.4中两个不同的物理层中两个不同的物理层ZigBee物理层物理层868MHz/915MHz物理层通道0通道110868.3MHz902.0MHz928.0MHz2.4GHz2.483 5GHz通道11262.4GHz物理层 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术29工作频率范围/MHz频段类型国家和地区868868.6ISM欧洲902928ISM北美24002483.5ISM全球各个国家和地区各个国家和地区ZigBee频率工作范围频率工作范围 频段（MHz）扩 展 参 数数 据 参 数码片速率（kchip/s）调 制比特速率（kbit/s） 符号速率

17、（kBaud/s）符 号868868.6 300BPSK2020二进制902928 600BPSK4040二进制24002483.5 2000O-QPSK25062.516相正交ISM 免执照的工业科学医疗 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术30ZigBee共定义了27个物理信道，其中，868MHz频段定义了一个信道；915MHz频段附近定义了10个信道，信道间隔为2MHz；2.4GHz频段定义了16个信道，信道间隔为5MHz。具体信道分配如下表：其中，理论上，在868MHz的物理层，数据传输速率为20Kb/s；在915MHz的物理层，数据传输速率为40

18、Kb/s；在2.4GHz的物理层，数据传输速率为250Kb/s。信道编号信道编号中心频率中心频率/MHz信道间隔信道间隔/MHz频率上限频率上限/MHz频率下限频率下限/MHzK=0868.3868.6868.0K=1,2,3, ,10906+2(k-1)2928.0902.0K=11,12,13, ,262401+5(k-11)52483.52400.0 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术31物理层数据包格式4字节字节1字节字节1字节字节变量变量前同步码帧定界符帧长度（7位） 预留位（1位）PSDU同步包头物理层包头物理层净荷 同步包头用于获取符号、扩

19、频码、帧同步。也有助于粗略的频率调整。 物理层包头指示的是净电荷部分的长度。 物理层净电荷部分含有MAC层数据包，净荷部分最大程度不超过127字节。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术32ZigBee数据链路层数据链路层 IEEE 802系列把数据链路层分成LLC（逻辑链路控制）和MAC（媒体访问控制）两个子层。LLC子层主要功能是进行数据包的分段与重组以及确保数据包按顺序传输。MAC子层的功能包括设备间无线链路的建立、维护和断开，确认模式的帧传送与接收，信道接入与控制，帧校验与快速自动请求重发（ARQ），预留时隙管理以及广播信息管理等，帧结构如图所示

20、物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术33 帧控制域指明了MAC帧的类型，地址域的格式及是否需要接收方确认等控制信息。帧序号域包含了发送方对帧的顺序编号，用于匹配确认。地址域采用的寻址方式可以是64位IEEE MAC地址或8位的zigbee网络地址。FCS用于接收方判断该数据是否正确。2字节字节1字节字节0/2字节字节0/2/8字字节节0/2字节字节0/2/8字字节节可变可变2字节字节帧控制序列号目的PAN标示符目的地址源PAN标示符源地址帧载荷FCSMHR（MAC层帧头）MAC载荷MFRMAC层数据包格式 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通

21、信技术短距离无线通信技术34它具有四种不同的帧形式，即信标帧、数据它具有四种不同的帧形式，即信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。帧、确认帧和命令帧。 信标帧MPDU由MAC子层子层产生。在信标网络中，协调器通过向网络中的所有从设备发送信标帧，以保证这些设备能够同协调器进行同步（同步工作和同步休眠），以达到网络功耗最低（非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR必须长期处于工作状态）。其帧结构如下图所示。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术35 数据帧由高层（应用层）高层（应用层）发起，在ZigBee设备之问进行数据传输的时候，要传输的数据由应用层生成

22、，经过逐层数据处理后发送给MAC层，形成MAC层服务数据单元(MSDU)。通过添加MAC层帧头信息和帧尾，便形成了完整的MAC数据帧MPDU，其帧结构如下图所示。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术36 应答帧由MAC子层子层发起。为了保证设备之问通信的可靠性，发送设备通常要求接收设各在接收到正确的帧信息后返回一个应答帧，向发送设备表示已经正确的接收了相应的信息。其帧结构如下图所示。MAC子层应答帧由MHR和MFR组成。MHR包括MAC帧控制域和数据序列号；MFR由16bit的FCS组形成。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离

23、无线通信技术37 MAC命令帧由MAC子层子层发起。在ZigBee网络中，为了对设备的工作状态进行控制，同网络中的其他设备进行通信，MAC层将根据命令类型生成相应的命令帧。其帧结构如下图所示。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术38zigbee网络层的基本功能：网络维护；网络层数据的发送和接受；路由的选择以及广播通信网络层参考模型 网络层的主要功能是提供一些必要的函数，确保zigbee的MAC层正常工作。并为应用层提供合适的服务接口、包括数据服务和管理服务。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术39NLDE-SAP网

24、络层数据实体网络层管理实体MCPS-SAPMLME-SAPNLME-SAP上层实体MAC层实体 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术40网络层内部由两部分组成，分别是网络层数据实体（网络层内部由两部分组成，分别是网络层数据实体（NLDE）和网）和网络层管理实体（络层管理实体（NLME） 网络层数据实体通网络层数据实体通过访问服务接口过访问服务接口NLDE-SAP为上层为上层提供数据服务提供数据服务 网络层管理实体通过访网络层管理实体通过访问服务接口问服务接口NLME-SAP为上层提供网络层的管为上层提供网络层的管理服务，另外还负责维理服务，另外还负责维护网

25、络层信息库护网络层信息库 网络层参考模型 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术41网络层数据实体提供如下服务：u生产网络层协议数据单元（NPDU）；u指定拓扑传输路由。u安全网络层管理实体提供如下服务：u配置一个新的设备；u初始化一个网络；u连接和断开网络；u路由发现；u邻居设备发现；u接受控制。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术42网络层帧结构：即网络协议数据单元（NPDU）2字节2字节2字节1字节1字节0/8字节0/8字节0/1字节变长变长帧控制目的地址源地址广播半径域广播序列号IEEE目的地址IEEE源地址多

26、点传送控制源路由帧帧的有效载荷网络层帧报头网络层的有效载荷帧结构帧结构组成组成网络层协议数据单元（网络层协议数据单元（NPDU）结构由网络层帧报）结构由网络层帧报头和网络层的有效载荷两部分组成。头和网络层的有效载荷两部分组成。 帧报头包含帧控制、地址信息、广播半径域、帧报头包含帧控制、地址信息、广播半径域、广播序列号、多点传送控制等信息广播序列号、多点传送控制等信息 帧报头帧报头帧有效载荷的长度是可变的，包含的是帧有效载荷的长度是可变的，包含的是上层的数据单元信息上层的数据单元信息 帧有效帧有效载荷载荷 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术43帧结构帧结构

27、帧控制子域帧控制子域帧类型帧类型帧类型子域占帧类型子域占2位，位，00表示数据帧，表示数据帧，01表示命令帧，表示命令帧，1011保留保留 协议协议版本版本协议版本子域占协议版本子域占4位，为位，为Zigbee网络层协议标准的版本号网络层协议标准的版本号 ，在，在Zstack-CC2530-2.5.1A中版本号为中版本号为2 发现发现路由路由发现路由子域占发现路由子域占2位，位，00表示禁止路由发现，表示禁止路由发现，01表示使能路由发现，表示使能路由发现，10表示强制路由发现，表示强制路由发现，11保留保留 广播广播标记标记广播标记占广播标记占1位，位，0表示为单播或者广播，表示为单播或者广

28、播，1表示组播表示组播 安全安全安全子域占安全子域占1位，当该帧为网络层加密时，安全子域的值为位，当该帧为网络层加密时，安全子域的值为1，当未加，当未加密时，值为密时，值为0 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术44 帧结构帧结构帧控制子域帧控制子域源路由源路由源路由子域占源路由子域占1位，位，1表示源路由子帧在网络报头中存在。如果源路由表示源路由子帧在网络报头中存在。如果源路由子帧不存在，则源路由子域值为子帧不存在，则源路由子域值为0。IEEE目目的地址的地址IEEE目的地址为目的地址为1时，网络帧报头包含整个时，网络帧报头包含整个IEEE目的地址目的地

29、址 IEEE源源地址地址IEEE源地址为源地址为1时，网络帧报头包含整个时，网络帧报头包含整个IEEE源地址源地址 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术45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624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。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

30、250kbps的速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)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。相邻节点间传输距离一般介于10100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到13km。通过增加路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术46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310s、WiFi 需要3 s。高容量。ZigBee可采用星状、簇树

31、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、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。免执照频段。使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz(美国), 868MHz(欧洲), 2. 4GHz(全球)。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术47家庭自动化家庭自动化 物 联 网 技

32、 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术48人员定位人员定位 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术49远程抄表远程抄表 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术50Zigbee节点节点Zigbee协调器控制逻辑控制逻辑智能交通智能交通 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术51GPRSPLMN工业控制工业控制护士站护士站Zigbee节点节点智能医疗智能医疗 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术52英文：Bluetooth代表一种短

33、距离无线通信技术“蓝牙”（Bluetooth）一词来自一位丹麦国王的名字（Harald Blatand，英文Harold Bluetooth），在10世纪他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用“蓝牙” 来命名这种短距离无线通信技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。通过这种技术，可以将电子装置彼此通过无线连接起来，省去了传统的电线。1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商联合提出（IEEE802.15）。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术蓝牙标准的发展蓝牙标准的发展 V1.1(1991年)V1.2 V2.1(2004

34、年)V2.2 V3.0(2009年) V4.0(2010年) 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术蓝牙标准的发展蓝牙标准的发展V1.1(1998年): 为最早期版本，传输率约在748810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。V1.2: 748810kb/s 的传输率，增加了(改善 Software)抗干扰跳频功能。V2.1(2004年): 改善了装置配对流程，短距离的配对方面，具备了在两个支持蓝牙的手机之间互相进行配对与通讯传输的NFC（Near Field CoMMunication）机制。具备更佳的省电效果。V3.0(20

35、09年): 核心是“Generic Alternate MAC/PHY”(AMP)，这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。传输速率更高，功耗更低。V4.0(2010年): 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。蓝牙 4.0的改进之处主要体现在三个方面，电池续航时间、节能和设备种类上。有效传输距离也有所提升，为60M。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术55多个蓝牙设备组成的微微网多个蓝牙设备组成的微微网多个微微网组成的散射网多个微微网组成的散射网 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无

36、线通信技术短距离无线通信技术56 蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（硬件）、链路管理（软件）和蓝牙软件（协议）等4个功能模块组成 天线部分体积小巧，属于微带天线 链路控制器（LC）的单元包括3个集成芯片：连接控制器、基带处理器以及射频传输/接收器 链路管理（LM）包括：发送和接收数据、请求名称、链路地址查询、建立连接、鉴权、链路模式协商和建立、决定帧类型等 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术57蓝牙设备的工作频段选在全球通用的2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，降低设

37、备的复杂性。最大发射功率分为3个等级，100mW（20dBm），2.5mW(4dBm)，1mW（0dBm），有效通信距离为10100m采用跳频技术，在接收或发送一分组数据后，即跳至另一频点采用时分双式TDMA技术，数据传输率为1Mbit/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625s支持实时同步定向联接（ SCO链路）和非实时异步不定向联接（ ACL链路）。 SCO主要传送话音等实时性强的信息， ACL则以数据为主蓝牙系统的纠错机制分为前向纠错编码（FEC）和包重发（ARQ），支持1/3率和2/3率FEC编码 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术58指

38、 标 类 型 系 统 参 数工作频段ISM频段，2.4022.480GHz双工方式全双工，TDD时分双工业务类型支持电路交换和分组交换业务数据速率异步信道速率同步信道速率1Mbit/s非对称连接为721kbit/s、57.6kbit/s，对称连接为432.6kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率64kbit/s，2.0+EDR规范支持更高的速率功率美国FCC要求小于0dBm（1mW），其他国家可扩展为100mW跳频频率数79个频点/MHz跳频速率1600跳/秒工作模式PARK/HOLD/SNIFF数据连接方式面向连接业务（SCO），无连接业务（ACL）纠错方式1/3 FEC、2/3 F

39、EC、ARQ等信道加密采用0位、40位和60位密钥发射距离一般可达10cm10m，增加功率的情况下可达100m蓝牙系统主要技术指标和工作参数蓝牙系统主要技术指标和工作参数 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术59蓝牙的协议体系分为四层：核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和可选协议另外，在基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器提供主机命令接口 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术60基带协议：基带协议为两个或多个蓝牙单元之间建立物理射频连接链路管理协议（LMP）：链路管理协议管理基带层内主从网络的运行

40、，负责两个或多个设备之间的链路设置和控制，包括传递验证和加密，管理链路密钥逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）：位于基带协议之上，为低层的数据服务，向上层提供面向连接和无连接的数据服务服务发现协议（SDP）：使用SDP，可以查询到设备和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接核心协议核心协议 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术61 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术62 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术63 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线

41、通信技术蓝牙技术的特点蓝牙技术的特点 蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学（Industrial, Scientific and Medical, ISM）频段。从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。蓝牙技术的特点可归纳为如下几点： 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离

42、无线通信技术蓝牙技术的特点蓝牙技术的特点很好的抗干扰很好的抗干扰能力和安全性能力和安全性可建立临时可建立临时对等连接对等连接全球范围全球范围适用适用同时传输同时传输语音数据语音数据近距离通信近距离通信功耗低功耗低体积小体积小蓝牙技术蓝牙技术特点特点l蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4-2.4835GHz。l蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。l主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（Piconet）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。l蓝牙采用了跳频（F

43、requencyHopping）方式来扩展频谱，抵抗来自这些设备的干扰。l提供了认证和加密功能，以保证链路级的安全。l蓝牙设备在通信连（Connection）状态下，有四种工作模式：激活（Active）模式，呼吸（Sniff）模式保持（Hold）模式，休眠（Park）模式，Active 模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。 l蓝牙技术通信距离为10m,可根据需要扩展至100m，以满足不同设备的需要。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术蓝牙系统的组成蓝牙系统的组成系统组成系统组成描述了链路控制器，实现了基带协议和其他的底层连接规

44、程- 媒体接入控制(MAC)-差错控制-认证与加密链路管理器（LM）软件实现链路的建立认证及链路配置等-通过连接管理协议（LMP）建立通信联系。- LM 利用链路控制器（LC）提供的服务实现上述功能。天线发射功率符合 FCC 关于 ISM 波段的要求。 -发射功率：100mW-跳频速率：1600 跳/秒蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分： 核心（Core）部分和协议子集（Profile）部分。协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输,跳频和数据帧传输,连接的建立和释放,链路的控制,数据的拆装等功能。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无

45、线通信技术蓝牙系统的技术特点蓝牙系统的技术特点-1工作在2.45GHz频段射频特性收发机配置符合IEEE 802标准48位地址数据频率为1Mbs使用扩频和跳频技术，噪音环境也能工作工作范围约10m，可加至100m 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术蓝牙系统的技术特点蓝牙系统的技术特点-2 在1.0B版本的标准中，蓝牙的基带符号速率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625ms，不排除将来采用更高的符号速率。蓝牙支持64kb/s的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数PCM或连续可变斜率增量调制（CVSD，Continuos V

46、ariable Slope Delta Modulation）。语音和数据可单独或同时传输。当仅传输语音时，蓝牙设备最多可同时支持3路全双工的话音通信；当语音和数据同时传输或仅传输数据时，支持433.9 kb/s 的对称全双工通信，或723.2kb/s、57.6 kb/s 的非对称双工通信，后者特别适合无线访问Internet。另外，还采用CRC (Cyclic Redundancy Check)、FEC (Forward Error Correction) 及ARQ (Automatic Repeat Request) 以提高通信的可靠性。TDMATDMA结构结构 物 联 网 技 术 概 论

47、第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术蓝牙系统的技术特点蓝牙系统的技术特点-3 Add your title in here跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做伪随机码，就是假的随机码）不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。 与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。跳频是蓝牙使用

48、的关键技术之一。对应于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳每秒，对应于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时(包括寻呼和查询)则提高为3,200跳每秒。使用这样高的跳频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力。使用调频技术使用调频技术 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术蓝牙系统的技术特点蓝牙系统的技术特点-4 Add your title in here 根据网路的概念提供点对点和点对多点的无线链接。在任意一个有效通信范围内，所有设备的地位都是平等的。首先提出通信要求的设备称为主设备(Master)，被动进行通信的设备称为从设备(Slave)。利用TDMA，

49、一个Master最多可同时与7个Slave进行通信并和多个Slave（最多可超过200个）保持同步但不通信。一个Master和一个以上的Slave构成的网路称为蓝牙的主从网路(Piconet)。若两个以上的Piconet之间存在著设备间的通信，则构成了蓝牙的分散网路(Scatternet)。基於TDMA原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在Piconet和Scatternet中，既可作Master，又可作Slave，还可同时既是Master又是Slave。因此，在蓝牙中没有基站的概念。另外，所有设备都是可移动的。蓝牙设备的组网蓝牙设备的组网 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信

50、技术短距离无线通信技术蓝牙系统的技术特点蓝牙系统的技术特点-5 Add your title in here 蓝牙的基本出发点是可使其设备能够在全球范围内应用於任意的小范围通信。任一蓝牙设备，都可根据IEEE 802标准得到一个唯一的48-bit的BD_ADDR，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在BD_ADDR基础上，使用一些性能良好的演算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码(ID，Identification)在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。全球范围内的工作全球范围内的工作 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无

51、线通信技术蓝牙系统的技术特点蓝牙系统的技术特点-6 和许多通信系统一样，蓝牙的通信协议采用层次结构。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体上分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口(HCI，Host Control Interface)实现高、低层的联接，后者则可不用HCI。这种层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性。根据通信协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它蓝牙设备，从而构成Piconet或Scatternet ，实现系统提供的各种功能。软件的层次结构软件的层次结构 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通

52、信技术短距离无线通信技术73蓝牙体积小蓝牙体积小1cm1cm2mm 美国德州仪器（TI）公司推出了单片蓝牙LSI。该产品将蓝牙的基带处理电路和RF收发器电路集成到一个CMOS LSI中。到目前为止只有英国CSR公司和美国Broadcom公司在研究这种LSI，TI首先实现了此类芯片的单片产品化。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术74蓝牙功耗低、价格低蓝牙功耗低、价格低6美元左右，批量购买美元左右，批量购买4美元美元采用四种工作模式，其最大消耗电流只有25mA 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术蓝牙技术的应用蓝牙技术

53、的应用l电子付帐系统，宾馆接待处的电子登记服务等。l家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑物等。l数字照相机、数字摄像机等。l无线键盘、鼠标等。l以便携式计算机和掌上计算机为代表。各种电话系统蓝牙技术的应用蓝牙技术的应用 应用面多应用面多 前景广阔前景广阔数字手机、家庭及办公室电话、小型PBX等电话系统等。无线电缆无线办公包数字电子设备电子商务办公自动化家庭娱乐等 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术蓝牙技术的应用蓝牙技术的应用 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术77音频蓝牙发送音频蓝牙发送蓝牙

54、耳机蓝牙耳机蓝牙蓝牙SIG定义了几种基本应用模型，主要包括文件传输、定义了几种基本应用模型，主要包括文件传输、Internet网桥、局域网接入、同步、三合一电话和终端耳机等网桥、局域网接入、同步、三合一电话和终端耳机等 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术78 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术79蓝牙适配器蓝牙适配器 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术80 全称Wireless Fidelity，又称802.11b标准 与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线通

55、信技术 主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为76m到122m，方便与现有的有线以太网络整合 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术81组网方式灵活组网方式灵活设置设置WiFi无线路由器（无线路由器（AP），组网方便），组网方便传输速率高传输速率高IEEE802.11b:11Mb/s IEEE802.11a/g:54Mb/s覆盖范围有限覆盖范围有限半径半径100m健康安全健康安全不超过不超过100mW，不直接接触人体，不直接接触人体移动性能不佳移动性能不佳只适用于静止或步行等低速移动情况只适用于静止或步行等低

56、速移动情况 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术扩频传输技术扩频传输技术 跳频扩频（FHSS，Frequency Hopping Spread Spectrum）使用了传统的窄带数据传输技术，但传输频率将发生周期性的切换。系统在一个扩频或宽波段的信道上使用不同的中心频率，以预先安排好的顺序在固定的时间间隔内进行跳频。跳频现象可以使FHSS系统避免受到信道内窄带噪音的干扰。 直接序列扩频（DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum ）系统则将要传输的数据流通过扩展码调制而人为地扩展带宽，即使在传输波段中存在部分噪声信号，接收机也

57、可以无错误地接受数据。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术使用扩频技术的好处使用扩频技术的好处 扩频是一种在信号的带宽进行扩展的技术。采用扩频的好处是： 抗干扰。若使用窄频，容易受到使用相同频率的通信干扰导致完全无法通信。 对于非特定的目的的接收器，扩展了带宽的信号混在背景噪声中，让蓄意想侦听窃取数据资料的人不易判别真正的信号，避免他人的截听。 提供了供多个用户使用同一传输波段的方法，保证了无线设备在频段上的可用性和可靠的吞吐量，也保证了使用同一频段的设备不互相影响。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术84WiFi

58、网络结构和工作原理 WiFi网络结构 * 站点（Station），网络最基本的组成部分。 * 基本服务单元（Basic Service Set，BSS）。网络最基本的服务单元。最简单的服务单元可以只由两个站点组成。站点可以动态的联结（associate）到基本服务单元中。 * 分配系统（Distribution System，DS）。分配系统用于连接不同的基本服务单元。分配系统使用的媒介（Medium）逻辑上和基本服务单元使用的媒介是截然分开的，尽管它们 物理上可能会是同一个媒介，例如同一个无线频段。 * 接入点（Access Point，AP）。接入点即有普通站点的身份，又有接入到分配系统的

59、功能。 * 扩展服务单元（Extended Service Set，ESS）。由分配系统和基本服务单元组合而成。这种组合是逻辑上，并非物理上的不同的基本服务单元物有可能在地理位置相去甚远。分配系统也可 以使用各种各样的技术。 * 关口（Portal），也是一个逻辑成分。用于将无线局域网和有线局域网或其它网络联系起来。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术853种媒介，站点使用的无线的媒介，分配系统使用的媒介，以及和无线局域网集成一起的其它局域网使用的媒介。物理上它们可能互相重迭。IEEE 802.11只负责在站点使用的无线的媒介上的寻址（Addressin

60、g）。分配系统和其它局域网的寻址不属无线局域网的范围。 IEEE802.11没有具体定义分配系统，只是定义了分配系统应该提供的服务（Service）。 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术86 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术87 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术88 物 联 网 技 术 概 论第第7章章 短距离无线通信技术短距离无线通信技术89InternetInternet高速无线接入高速无线接入WiFi无线路由器无线路由器无线局域网无线局域网WLAN将多台计算机互相连